稀土Ce對IF鋼高溫變形行為的影響

李艷峰

(河鋼集團承鋼公司)

稀土Ce對IF鋼高溫變形行為的影響

李艷峰

(河鋼集團承鋼公司)

研究了稀土Ce對對IF鋼的的高溫變形行為的影響。在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上將不同鈰含量IF鋼在真空條件下，以10 ℃/s加熱到1 250 ℃，均溫5 min，然后以5 ℃/s的分別冷卻到1 100 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃，保溫30 s，再分別以10-2s-1、1 s-1進行壓縮50%，最后沿縱向切開，觀察壓縮后組織。結果表明：IF鋼以低應應變速率變性時動態再結晶是主要的軟化機制，以高應變速率壓縮時動態回復是主要的軟化機制；IF鋼的變形抗力隨稀土鈰含量的增加而增大；鈰對再結晶具有抑制作用。

稀土 IF鋼 高溫變形 顯微組織

0 引言

隨著全球變暖和石油資源的匱乏，節能環保型汽車越來越受到人們的歡迎。這使得具有輕質高強性能的IF鋼的需求越來越大。傳統的IF均采用P、Si、Mn等元素進行強化，但采用P強化時，P會在晶界偏析，導致IF鋼在后續加工過程中會產生脆斷；采用Si強化后又不能滿足后續的熱鍍鋅生產工藝要求；采用Mn強化后，雖然可以滿足熱軋鍍鋅工藝，但Mn過高后會對延展型產生危害。稀土元素在鋼中固溶后可以通過擴散機制在晶界富集，減少雜質元素的晶界偏聚，起到固溶強化和晶界強化的作用；而且采用稀土強化還可以促進晶間斷裂向延伸性斷裂轉變，降低韌脆轉變溫度。

為此，筆者以承鋼生產的IF鋼為研究對象，通過向鋼中添加微量稀土元素Ce，觀察Ce對IF鋼高溫變形行為的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料的制備

本試驗以承鋼生產的IF鋼為基料，通過向IF鋼基料中添加不同含量的純度為99.98%的稀土Ce，觀察Ce對IF鋼性能的影響。本實驗鋼的冶煉過程在中頻感應爐內進行，冶煉過程為：原料烘干裝料抽真空原料熔化加稀土Ce攪拌、精煉澆注成鋼錠，鋼錠重量為7 kg，IF鋼成分見表1。

表1 實驗鋼的化學成分 / %

其中，No.1為沒有加Ce的原鋼重熔，No.2和No.3分別的Ce含量分別為0.002 4%、0.004 2%。鋼錠經1 200 ℃加熱后，保溫30 min,熱鍛成斷面為25 mm×25 mm方坯，空冷至室溫。在方坯上沿鍛壓方向切取Φ8×12 mm的標準壓縮試樣。

1.2 試驗方法

高溫壓縮試驗在Gleeble-1500D型熱模擬試驗機上進行，工藝過程如圖1所示。

在真空條件下，以10 ℃/s的速度將試樣加熱到1 200 ℃，保溫5 min，然后以5 ℃/s的速度分別冷卻到1 100 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃，保溫30 s，后分別以0.01 s-1和1 s-1的速率進行壓縮，壓縮量為50%，壓縮后快速進行水冷。對壓縮后的試樣沿對稱軸縱向切開，采用蔡司金相顯微鏡觀察壓縮后組織。

2 試驗結果與分析

圖1 IF鋼熱壓縮工藝示意圖

2.1 真應力-真應變曲線

將不同Ce含量的IF鋼在800 ℃～1 100 ℃下分別以0.01 s-1和1 s-1的應變速率壓縮50%，所得到的真應力-真應變曲線如圖2所示。其中，(a)、(b)、(c)為應變速率為0.01 s-1時的IF鋼真應力-真應變曲線，(d)、(e)、(f)為1 s-1時的IF鋼真應力-真應變曲線。

(a) Ce含量為0，應變速率為10-2s-1(b) Ce含量為0.0024%，應變速率為10-2s-1(c) Ce含量為0.0042%，應變速率為10-2s-1

(d) Ce含量為0，應變速率為1s-1(e) Ce含量為0.0024%，應變速率為1s-1(f) Ce含量為0.0042%，應變速率1s-1

圖2 IF鋼真應力-真應變曲線

從圖2可以看出，在真應變小于0.05的初始階段，IF鋼表現出較強的加工硬化特性；這主要是因為在變形開始階段，隨著真應變的增加，位錯密度迅速增大，位錯滑移嚴重受阻，使得流變應力迅速增大，即發生加工硬化。另外，在位錯密度增加的同時，通過熱激活使位錯成對抵消、晶粒規整形成亞晶以及亞晶合并等過程也在進行，即在發生加工硬化的同時也在發生動態回復。隨著真應變的增加，當應變量達到一定程度后，動態回復難以同步抵消由于應變產生的位錯增加和積累，位錯增加和累到一定程度后就會促發再結晶形核，即發生動態再結晶，當發生動態再結晶時，大量位錯被再結晶核心的大角度界面推移而消除，應力下降，真應力-真應變曲線出現峰值。如圖中(a)、(b)、(c)，這說明在以10-2s-1變形時，動態再結晶是主要的軟化機制；當應變量達到一定程度后，位錯消失速率與應變產生的位錯增加速率相等，在真應力-真應變曲線上表現為應力值隨著應變的增大而平緩增大。如圖中(d)、(e)、(f)，沒有明顯峰值，這說明動態回復是主要的軟化機制。

通過對比圖2(a)、圖2(d)、圖2(c)可以看出，在應變速率相同時，IF鋼的流變應力隨Ce含量的增加而增加，1 000 ℃時，未加稀土Ce的IF鋼的峰值應力為88.5 MPa，加0.002 4%Ce的IF鋼的峰值應力為95.8 MPa，當稀土Ce加入量為0.004 2%時，IF鋼的峰值應力達到了116.6 MPa，這主要與稀土Ce在位錯上的偏聚和釘扎作用有關。隨著變形溫度的升高，各鋼種的流變應力均下降。

2.2 稀土Ce對IF鋼組織的影響

為了觀察稀土Ce對IF鋼組織的影響，將壓縮后的試樣沿對稱軸縱向切開，采用蔡司金相顯微鏡觀察切割后的組織，如圖3所示。其中，(a)(b)(c)為800 ℃、0.01 s-1應變速率壓縮后的組織，(d)(e)(f)為800 ℃、1 s-1速率壓縮后的組織。

(a) Ce含量為0, 應變速率為0.01s-1(b) Ce含量為0.0024%，應變速率為0.01s-1(c) Ce含量為0.0042%，應變速率為0.01s-1

(d) Ce含量為0，應變速率為1s-1(e) Ce含量為0.0024%，應變速率為1s-1(f) Ce含量為0.0042%，應變速率為1s-1

圖3 IF鋼壓縮后的組織

從兩組圖片的對比中可以看出0.01 s-1時的組織主要以再結晶為主，在1 s-1進行壓縮時的組織主要以動態回復為主。從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)的橫向對比中可以看出，在相同的溫度和應變速率下，圖3(a)的再結晶組織明顯要比圖3(c)均勻，而且再結晶進行比較徹底，圖3(c)中只有部分組織發生了再結晶，這主要是因為Ce在晶界的偏聚，阻止了晶界的擴散和遷移，進而對再結晶過程中的形核及晶粒的長大產生影響。以1 s-1的速率壓縮時組織并未發生再結晶如圖3(d)、(e)、(f)，從圖3(d)中可以看出在晶界邊部已經有部分小的再結晶晶粒，在圖3(f)中完全沒有再結晶晶粒的出現，再次說明Ce具有推遲再結晶的作用。

2.3 Ce對再結晶激活能的影響

(1)

由于Zener-Hollomon參數的形變因子Z與流變應力之間存在冪指關系，為便于測量，本試驗采用峰值應力作為研究，即：

(2)

式中：A1——常數； n——應力指數； σp——峰值應力。

對式(2)取對數，取偏導則有式(3)：

(3)

當溫度T為常數時，由式(3)可得式(4)：

(4)

(5)

表2 Ce對IF鋼再結晶激活能的影響

由表2可以看出，隨著Ce含量的增加，再結晶激活能由不加Ce的122.92KJ/mol增加到145.29KJ/mol，182.75KJ/mol增幅分別為18.19%、48.67%。這說明Ce的加入對再結晶的確有推遲作用。

3 結論

通過本次試驗可以看出，隨著當以0.01s-1的應變速率壓縮時，IF鋼的軟化機制主要以動態再結晶為主；當以1s-1的應變速率壓縮時，IF鋼的軟化機制主要以動態回復為主；稀土Ce的加入可以提高IF鋼的高溫強度；與未加稀土Ce的IF鋼相比加0.0042%Ce的IF鋼的再結晶激活能由122.92KJ/mol增加到182.75KJ/mol，增加了48.67%，說明Ce對再結晶有較好的抑制作用。

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EFFECT OF CERIUM ON BEHAVIOR OF HIGH TEMPERATURE DEFORMATION OF IF STEEL

Li Yanfeng

(Handan Iron and steel company, HeGang Iron and steel Group)

Effect of rare earth element Ce on behavior of high temperature deformation of IF steel was discussed. Different Ce content in IF steel were heated to 1 250 ℃ for 5 min with 10 ℃/s at vacuum conditions, then cooled to 1 100 ℃、1 000 ℃，900 ℃，800 ℃ for 30 s with 5 ℃/s and compressed by 50% with 10-2s-1and 1 s-1by using a Gleeble-1500D thermo-mechanical simulation machine to get the true stress-strain curves. Finally, in order to observe the compressed microstructure, compressed sample were cut apart along longitudinal. Results show that the IF steel with a low rate of deformation, the dynamic recrystallization is the main softening mechanism, at a high rate of deformation dynamic recovery is the main softening mechanism; deformation resistance of IF steel with rare earth Ce content increasing, Ce has inhibitory effect on recrystallization.

rare earth IF steel high temperature deformation microstructure

?峰，工程師，河北.承德(067102)，河鋼集團承鋼公司承鋼板帶部;

2017—1—7