一種低碳鋼熱變形機制的研究

何群才　趙科（本鋼技術中心，遼寧本溪 117000）

一種低碳鋼熱變形機制的研究

何群才趙科
（本鋼技術中心，遼寧本溪 117000）

本文利用熱模擬試驗機對本鋼緊流程（CSP）生產的一種低碳鋼高溫變形行為進行了研究，通過單向壓縮實驗測定了應力～應變曲線，確定了不同變形溫度、變形速率、變形程度與變形抗力的關系，建立了金屬塑性變形抗力的數學模型。利用origin軟件對模型進行了多元非線性曲線擬合，證明該模型具有良好的精度，可為軋制工藝、力能參數的確定提供理論依據。

熱模擬 再結晶 變形抗力 數學模型

隨著現代工業的連續化，自動化不斷進步，用戶對板材的尺寸精度要求越來越高，而在板帶軋制生產中，高精度的軋制力計算是獲得高精度尺寸帶鋼的核心問題，而軋制力取決于鋼的變形抗力和軋制規程［1］。金屬塑性變形抗力是指金屬阻止發生塑性變形的能力，其數值等于使其發生塑性變形時所施加的外力。金屬塑性變形抗力是軋制工藝和設備力能參數設計的最基本參數之一，研究變形抗力的變化過程，可以從宏觀的角度進一步了解材料在變形過程中微觀組織和性能的變化，研究塑性變形的機理［2］。影響變形抗力的因素很多，包括材料的化學成分，還有變形過程中的溫度，應變速率、應變量等因素，在高溫變形的過程中，金屬的微觀組織可以產生動態回復、再結晶，靜態回復、再結晶等復雜的變化過程，本文對本鋼緊湊流程（CSP）生產鋼種進行模擬嘗試，因其冶金過程同傳統流程相比存在著較大差別，所以對于其軋制過程中變形抗力的研究對于工業化生產的板型控制及組織演變具有重要的理論意義。

1　實驗條件

表1　實驗所用鋼的化學成分

1.1實驗方法

試樣采用緊流程生產的一種低碳鋼鑄坯，鑄坯經過高溫落水處理，使其室溫組織為鑄態組織。直接從鋼錠上截取鋼棒，不經過任何變形處理，加工成Φ8mm×15mm的圓柱形。試驗在Gleeble2000熱模擬實驗機上進行，采用單向壓縮方式測得各種工藝條件下的應力～應變曲線。為了保證試驗精度，在試驗過程中采用MoS2及鉭片作為潤滑劑。試驗過程中主要控制參數為應變量、變形溫度和變形速率。

1.2鋼的化學成分（如表1）

1.3實驗工藝

試樣以100℃/s快速升溫到1250℃，保溫30s，隨后以10℃/s冷速冷卻至1150℃，保溫兩分鐘，而后以5℃/s的冷速冷卻到變形溫度，保溫10s進行單道次壓縮變形。變形條件為：變形量為70%（真應變1.204）；應變速率為：0.1/s～20/s；變形溫度為：850～1100℃。

2　實驗結果分析

在不同的條件下，利用Gleeble熱模擬試驗機進行單道次壓縮試驗，得到真應力~應變曲線，在origin軟件中，找出對應條件下想對應的應力值。根據實驗結果，分析形變溫度、形變量和形變速率對變形抗力的影響。

2.1溫度與變形抗力的關系

從實驗結果的應力應變曲線（圖1）中可以看出，變形溫度對變形抗力的影響較為顯著，變形溫度隨著溫度的升高而減小，這符合一般低碳鋼變形抗力和變形溫度的關系。這是因為隨著變形溫度的增加，原子的熱振動振幅增大，從而使金屬原子間的結合力大大減小，滑移面的運動阻力降低，有利于滑移系的開動，這樣，新的滑移系統和交滑移不斷的形成和開動，有利于金屬的發生彈性變形和塑性變形，因此金屬的變形抗力隨溫度的升高而降低。另外，隨著溫度的不復和再

……

……

結晶現象，引起金屬軟化，使變形抗力降低。

2.2變形速率與變形抗力的關系

變形速率與變形抗力之間的關系較為復雜，其中主要包括兩個方面，第一是變形速率高，這樣就不利于金屬發生動態在結晶，由圖1可以看出，變形速率為10和20的未發生動態在結晶，變形抗力隨著變形速率的升高而升高。第二是應變速率高，產生大量的變形熱量，有利于發生動態再結晶，因此，變形速率對變形抗力的影響要考慮這兩個方面。由圖中可以看出，在溫度為1050℃，變形速率1/s，應變量大于0.4時（圖1a），在動態回復和再結晶的作用下，變形抗力開始增加減緩。

2.3變形程度余變形抗力的關系

變形程度對變形抗力的關系，可以從應力～應變曲線上直觀的看出，見圖1，在不發生動態再結晶的情況下，同一的變形速率和變形溫度，隨著變形程度的增加變形抗力越來越大，。在850℃變形溫度和20/s的變形速率條件下，變形抗力增加尤其明顯，符合其他鋼種的一般規律。從圖上還可以看出，當應變量大于0.2時，隨變形程度的增大，變形抗力的增加變得緩和，在低應變速率0.1/s溫度1100℃的時候，變形抗力隨著變形程度的增加而保持不變，這是因為隨變形程度的進一步增加，金屬的內部缺陷增多，從而促進了動態回復與再結晶，導致金屬出現軟化現象。

2.4變形抗力數學模型

通過上述對變形抗力影響因素的分析，并參考有關文獻，對金屬塑性變形抗力數學模型進行比較及精度的分析，最后確定金屬塑性變形抗力數學模型為［2］：

對上式進行可用最小二乘法多元線性回歸分析，利用origin軟件進行各項分析，分別求得lna，b，c，d的期望值為ln。從實驗結果應力～應變曲線可以看出，在高的變形溫度，低的應變速率下，容易發生動態回復與再結晶，減緩了加工硬化，變形抗力隨變形程度增加到0.3之后變得緩和；當變形速率較大，動態回復和再結晶不容易發生，變形抗力隨變形程度的增加而一致增加。因此，本試驗在建立變形抗力數學模型時采用高應變速率進行回歸。變形速率為1/s，10/s，20/s時，求得：

3　結語

（1）通過熱模擬試驗機，模擬出不同條件下的應力應變曲線，分析了應變速率、應變量和溫度對變形抗力的影響關系。

（2）通過熱模擬試驗和數值分析，建立了實驗用鋼的變形抗力數學模型，為軋制該鋼的力能參數計算提供依據。

［1］周紀華，管克智.金屬塑性變形阻力.機械工業出版社，1989.

［2］李曼云，孫本榮.鋼的控制軋制和控制冷卻技術手冊.冶金工業出版社，1990.