0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼的靜態再結晶行為研究

李宏濤 張 梅 甘 斌 鐘 勇 李 麟

(1. 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072；2.寶鋼集團汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室，上海 201900)

0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼的靜態再結晶行為研究

李宏濤1張 梅1甘 斌1鐘 勇2李 麟1

(1. 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072；2.寶鋼集團汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室，上海 201900)

在Gleeble- 3500熱/力模擬試驗機上，采用雙道次壓縮試驗研究了0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼在高溫壓縮變形后的靜態軟化行為，分析了道次停留時間、變形溫度、應變速率以及應變量對靜態再結晶行為的影響。并通過2%應力補償法結合流變應力曲線計算出了靜態再結晶軟化率。研究表明，在其他條件不變的情況下，再結晶軟化率隨著道次停留時間的延長、變形溫度的升高、應變速率的增大以及變形量的增大而增大。還建立了試驗鋼的靜態再結晶動力學模型，獲得靜態再結晶激活能為188.986 kJ/mol。

含Nb微合金鋼 靜態再結晶 動力學模型 激活能

長期以來，汽車用高強度鋼板都是采用淬火加回火的調質處理方法(Q & T)生產的。直到20世紀90年代，隨著微合金鋼冶煉技術和控軋控冷技術的發展，才出現了采用微合金成分，利用控軋控冷技術，以熱連軋的形式生產高強度鋼板[1- 3]。熱連軋生產的高強度鋼板避免了調質板質量上的不足，如存在殘留奧氏體、淬火裂紋以及淬火畸變、表面質量差等。它具有更高的平整度和尺寸精度、更均勻的性能和更好的表面質量。并且，由于熱連軋省去了熱處理過程，具有成本低、能耗少和交貨周期短等優點，使產品更具有競爭力。所以，熱連軋己經成為近年來國內外鋼廠生產薄規格(10 mm以下厚度)高強度鋼板的主要方式。

熱變形過程中不能完全消除奧氏體的加工硬化，造成了組織結構的不穩定性。因此，變形后的組織保持高溫就會因靜態軟化而發生變化。靜態軟化過程受熱加工變形量的影響，可分為三個過程[4]：靜態回復、靜態再結晶和亞動態再結晶。靜態再結晶和亞動態再結晶是變形后靜態軟化過程的主要機制，它決定著多道次熱軋過程中道次間隔時間內的軟化過程，因此對熱變形過程中的組織變化與晶粒細化具有重要意義。

本文以含鈮微合金鋼為試驗鋼，采用雙道次壓縮方法模擬試驗鋼的軋制過程，在實驗室條件下獲得了各變形參數對試驗鋼靜態再結晶行為的影響，并通過計算分析，建立了試驗鋼的靜態再結晶動力學方程，為含鈮微合金鋼熱軋工藝的優化提供理論參考。

1 試驗材料及方法

試驗鋼的具體化學成分為(質量分數，%)：C 0.15，Si 0.15，Mn 2，Al 0.05，Nb 0.04，Ti 0.01，其余為Fe。將試驗鋼加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣，在Gleeble- 3500熱/力模擬試驗機上進行熱壓縮試驗。

采用雙道次壓縮試驗研究試驗鋼的靜態再結晶行為。試驗工藝如圖1所示。先將試樣以10 ℃/s的速度加熱到1 200 ℃，然后保溫300 s，再以5 ℃/s的速率冷卻至不同的變形溫度，變形溫度分別為950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃。保溫10 s后進行第一道次變形，應變量為0.2，應變速率為1 s-1，道次停留時間分別為1、10、50和100 s，然后進行第二道次變形，應變量和應變速率與第一道次相同。為了研究不同應變量和應變速率對試驗鋼軟化行為的影響，在加熱方式相同的情況下，另取變形溫度1 050 ℃，對兩道次的應變量和應變速率分別作了調整，采取0.1和0.3的應變量，采用0.1 s-1和10 s-1的應變速率作為參照，以進行不同變形條件下的雙道次壓縮試驗。壓縮后試樣立即水淬以固定組織。

靜態再結晶軟化率根據雙道次流變應力曲線來計算，目前主要采用的有補償法(屈服應力所對應的塑性應變分別為0.2%或2%)[5- 6]、后插法[7]等。本研究中靜態再結晶軟化率采用2%補償法確定，此法處理數據的人為誤差較小，計算靜態再結晶分數(XSRX)方法如式(1)所示。

(1)

式中:Rm為第一道次卸載時的應力值；R1、R2分別為第一、二道次壓縮2%時對應的屈服應力值。

圖1 試驗鋼雙道次壓縮試驗工藝圖

2 試驗結果與討論

2.1 變形條件對試驗鋼靜態再結晶行為的影響

靜態再結晶包括形核和長大兩個過程。研究發現，隨著道次停留時間的延長，靜態再結晶率逐漸增大，如圖2所示。這是因為隨著道次停留時間的延長，形核的數量不斷增加，再結晶進行得越充分。隨著再結晶率的升高，抵消了大部分的加工硬化，因此再進行第二道次變形時，流變應力會逐漸降低，峰值應力也明顯減小。

圖3為不同道次停留時間下的顯微組織，發現隨著道次停留時間的延長，晶粒尺寸明顯增大。這是因為隨著道次停留時間的延長，晶粒發生了粗化長大，粗大后的晶粒難以更好地抑制再結晶的發生。

同樣，由圖2可知，在其他變形條件相同的情況下，隨著變形溫度的升高，試驗鋼靜態再結晶軟化分數增大。這是由于隨著變形溫度升高，再結晶形核的數量增大，試樣再結晶率也相應增大，加工硬化作用逐漸減弱所致。

圖2 變形溫度和道次停留時間對靜態再結晶行為的影響

由圖4(a)可知，在其他條件相同的情況下，隨著應變速率的增大，試驗鋼的靜態再結晶軟化率增大。這是由于隨著應變速率的增大，晶內位錯密度增大，這樣就產生了大量的亞結構，靜態再結晶的驅動力隨著應變速率的增大而增大。

圖4(b)為應變量與試驗鋼再結晶軟化率的關系，同樣，隨著應變量的增大，靜態再結晶軟化率隨之增大。這是由于在高的應變量時，靜態再結晶取代了靜態回復，此時晶界的移動是消除位錯的主要方式，而不是位錯間的滑移。此外，由于第一道次壓縮結束時位錯密度增大，而應變量越大，位錯密度越大，變形儲存能就越大，為靜態再結晶的發生提供的驅動力就越大，從而更有利于靜態再結晶的發生[5]。

圖3 不同道次停留時間的顯微組織(T=1 150 ℃,

a)應變速率 b)應變量

2.2 靜態再結晶的動力學模型

大量研究表明，鋼的奧氏體再結晶動力學通常遵循Avrami方程[6- 8]：

(2)

式中：XSRX為靜態再結晶體積分數；t0.5為靜態再結晶體積分數達到50%所需時間；n為常數。對式(2)兩端同時取對數，有：

(3)

如圖5所示，通過對950～1 150 ℃的試驗結果進行線性回歸并平均后可以得出n=0.523。由此可獲得0.15C- 0.14Ti- 0.2Mn- 0.04Nb鋼的靜態再結晶動力學模型為：

(4)

圖5 ln{ln[1/(1-XSRX)]}與ln(t/t0.5)的關系

2.3 靜態再結晶激活能

研究表明，激活能主要受材料自身因素影響，與變形條件無關[9]。試驗鋼的靜態再結晶行為受到再結晶激活能QSRX的影響，式(3)中靜態再結晶體積分數達到50%所需時間為[10]：

(5)

同理，對式(4)兩邊同時取對數，有：

(6)

(7)

3 結論

(1)變形條件對0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼的靜態再結晶行為有著顯著影響。道次停留時間越長、變形溫度越高、應變速率和應變量越大，均導致靜態再結晶軟化率增大。

(3)采用線性回歸法，建立了0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb鋼靜態再結晶軟化率達到50%時所需時間t0.5的方程：

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收修改稿日期：2016- 03- 08

Static Recrystallization Behavior of 0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb Steel during Austenite Hot Compression

Li Hongtao1Zhang Mei1Gan Bin1Zhong Yong2Li Lin1

(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072,China;2.State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels (Baosteel Group), Shanghai 201900, China)

Using a Gleeble- 3500 thermo-mechanical simulator, static recrystallization (SRX) behavior of 0.15C- 0.14Si- 0.2Mn- 0.04Nb steel was investigated by double-pass compression tests. Effect of inter-pass time, deformation temperature, strain rate and deformation degree on the static recrystallization behavior was analyzed. The softening fraction of static recrystallization was determined using the 2% stress offset method combined with the flow stress curve. The results indicated that SRX occurred more easily under longer inter-pass time, higher deformation temperature, strain rate and deformation degree. The static recrystallization kinetic model was also established and the activation energy for static recrystallization was determined to be 188.986 kJ/mol.

Nb-microalloyed steel，static recrystallization，kinetic model，activation energy

國家重點基礎研究發展計劃項目(973)項目(No.2010CB- 630802)和國家自然科學基金項目(No.50934011和No.50971137)資助

李宏濤，男，從事汽車用先進高強鋼的高溫變形特性研究，Email：htlishu@126.com，電話：15201931001

張梅，博士，高級工程師，電話：13611822313，Email: zhangmei3721@i.shu.edu.cn