FH40高強度船板鋼再結晶行為研究

顧大慶，麻 衡

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟南271104）

1 前言

鋼在奧氏體區變形過程中的組織變化規律是控軋理論的基礎［1-3］。奧氏體再結晶區反復的再結晶過程可使晶粒得到明顯細化；奧氏體未再結晶區的變形可得到形變奧氏體晶粒，不僅增加了奧氏體晶界的面積，還增加了位錯、變形帶、空位以及形變孿晶等缺陷，這些缺陷的存在增加了冷卻過程中奧氏體/鐵素體相變的形核位置，從而有利于鐵素體的晶粒細化［4-6］。因此，奧氏體區的變形過程對鋼控軋具有重要意義。

FH40高強船板鋼含有Nb、Ti等微合金元素，因此在奧氏體區變形除再結晶和未再結晶兩個基本過程之外，還具有如下特點［7-9］：一是在軋制過程中抑制奧氏體的再結晶，且奧氏體未再結晶區存在的范圍較寬；二是在一定的條件下會發生應變誘導相變。因此，針對奧氏體區變形過程的特點，研究不同變形量及溫度下FH40高強船板鋼奧氏體再結晶規律，對于指導試驗鋼的控軋工藝具有重要意義。

2 試驗材料及方法

FH40采用低碳設計，同時添加Ni、Nb、Ti等合金元素以提高鋼板強度和韌性。試驗鋼熔煉化學成分如表1所示。

表1 FH40高強度船板鋼的熔煉成分（質量分數）%

試驗鋼熔煉后加工成120 mm×18 mm×（8～18）mm的六階梯型試樣，以保證同一溫度下進行不同變形量的軋制。各階梯軋制的變形量依次為10%、20%、30%、40%、50%、60%，軋后厚度均為7.2 mm，在軋后的階梯型試樣的各個臺階上切取金相試樣時，除變形量外，切下的金相試樣具有一致的加熱及軋制條件。在試樣的端部加工有小圓孔用于焊接測溫熱電偶。試樣如圖1示。

圖1 階梯試樣尺寸簡圖

將試樣端部焊接鎳-鉻電偶并外接數顯溫度計，測量和控制試樣的加熱溫度及開軋溫度。試樣采用箱式魯聯HX76型電阻加熱爐，階梯試樣加熱溫度為1200℃，保溫15 min，開軋溫度分別為1150、1100、1050、1000、950、900、850℃。沿軋制方向可獲得10%～60%的不同變形量，試樣軋后立即淬水，具體試驗方案如表2所示。試驗在萊鋼技術中心Φ750×550 mm二輥可逆式熱軋機上進行。

表2 FH40高強船板鋼奧氏體再結晶規律研究試驗方案

7個試樣經軋制后均沿臺階中心縱向切割，再切取每一個臺階，取軋制方向面預磨、拋光后腐蝕原始奧氏體晶界。腐蝕液由過飽和的苦味酸水溶液和少量洗滌劑組成，其中洗滌劑量約為過飽和苦味酸溶液中的水的1/5～1/6。將混合溶液在水浴中加熱到95℃左右，然后將拋光的金相試樣進行腐蝕，以顯示原奧氏體晶界。在光學顯微鏡下觀察腐蝕后的金相試樣并測定奧氏體晶粒的再結晶百分數。

3 試驗結果與分析

鋼在熱軋過程中通過不斷的再結晶可顯著細化奧氏體晶粒。由于完全再結晶取決于一定的溫度及變形條件，所以在不同工藝參數條件下奧氏體再結晶程度不同，晶粒細化效果也有差異。試驗鋼不同工藝條件下組織及再結晶百分數規律如下。

3.1 金相組織形貌

圖2為1150℃軋制時不同變形率所對應的金相組織。

圖2 1150℃軋制時不同變形量對應的金相組織

當變形量＜30%時，盡管軋制溫度較高，但再結晶百分數較低，奧氏體只能進行部分再結晶，晶粒較大變形量時粗大且均勻性差，如圖2中a、b、c所示。當變形量為40%時，再結晶百分數約90%（圖2d），由于變形量較大，在1150℃軋制時，奧氏體發生了完全再結晶，晶粒細小、均勻，可細至20 μm左右，如圖2e與f所示。

圖3為850℃低溫軋制時不同變形量所對應的金相組織。低溫小變形時（變形量＜30%），晶粒處于未再結晶狀態（圖3a、b、c）；低溫大變形后，大部分晶粒仍然保持被拉長或壓扁的畸變狀態，沒有發生再結晶，部分晶粒再結晶為等軸狀，如圖3中d、e、f所示。綜上可知，在軋制溫度低且變形量較小的情況下，試驗鋼組織幾乎沒有發生再結晶，晶粒粗大且保持畸變狀態。

圖3 850℃軋制時不同變形量對應的金相組織

3.2 變形量對奧氏體再結晶的影響

圖4為試驗鋼在不同軋制溫度下奧氏體再結晶百分數（Xr）與變形量（ε）的關系，由圖可知，在相同的溫度條件下，奧氏體再結晶百分數隨著相對變形量的增加而增加。當變形溫度≤900℃，奧氏體再結晶百分數Xr增加比較緩慢；變形溫度≥950℃且ε≤40%時，Xr增加明顯加快；而當ε≥40%時，Xr增加趨于平緩。呈現這種規律的主要原因是奧氏體再結晶百分數與晶粒內儲存能，當時間一定時，再結晶百分數的多少主要取決于再結晶的形核速率和晶核的長大速率，而形核速率和長大速率均與變形量有關，變形量增加時，晶粒變形加劇，晶內缺陷增多，形核率增加；同時晶粒畸變使儲存能增加，促進了再結晶的發生。

圖4 不同軋制溫度下奧氏體再結晶百分數（X r）與變形量（ε）的關系

3.3 變形溫度對奧氏體再結晶的影響

變形溫度對奧氏體再結晶百分數的影響規律如圖5示。由圖5可知，隨著溫度的升高，奧氏體再結晶百分數增加。變形量為40%、50%、60%的奧氏體再結晶百分數在1000℃之前隨溫度增加急劇增加，1000～1150℃增加較為平緩；當變形量低于30%時，即使在1150℃時軋制也達不到完全再結晶狀態，奧氏體只發生了部分再結晶。FH40高強船板鋼同普通的C—Mn鋼相比，再結晶明顯受到抑制，這主要受鋼中Nb、Ti等合金元素影響，這些合金元素的溶質及其碳氮化物的析出抑制了奧氏體的再結晶。

圖5 不同變形量下奧氏體再結晶百分數（X r）與變形溫度（T）的關系

3.4 再結晶區域圖

根據試驗結果和以上分析作FH40高強度船板鋼的再結晶區域圖（見圖6）。圖6中以形變奧氏體的再結晶百分數＜10%和＞90%作為判別未再結晶區、部分再結晶區和完全再結晶區的界限。

圖6 FH40高強度船板的形變奧氏體再結晶區域圖

普通C—Mn鋼在1000℃變形量為30%時即可發生完全再結晶，而試驗鋼在1000℃、變形量為40%時才發生完全再結晶，這主要是因為鋼中的Nb、Ti等微合金元素延遲了再結晶［10-11］。鋼中加入微合金元素Nb、Ti時，Nb、Ti原子的固溶阻塞及拖曳作用及其碳氮化物的動態析出，顯著阻滯了形變奧氏體的再結晶。

隨溫度降低，再結晶速度減緩，試驗鋼在900℃以下軋制且變形量低于30%時，奧氏體再結晶百分數降至20%以下；當變形量高于30%時，變形促進了再結晶，降低了析出驅動力，析出過程在更低的溫度才能下進行，即隨著形變量增大，析出溫度向低溫側移動。所以變形量大于30%時，奧氏體再結晶百分數增加比較快。850℃以下基本不發生再結晶，此時隨著溫度的降低，析出增多，合金元素的析出物較合金元素的溶質原子在析出之前延遲熱形變奧氏體的再結晶作用更加強烈。

4 結 語

變形溫度及變形量對奧氏體再結晶數量以及晶粒大小的影響規律：

（1）在變形量ε＜20%或ε＞40%的條件下，由于形變奧氏體發生再結晶的數量較少或已經大部分發生了再結晶，溫度的變化對再結晶數量以及晶粒尺寸的影響較小；變形量為20%～40%時，形變奧氏體處于部分再結晶區，溫度的變化直接影響再結晶數量和晶粒尺寸。

（2）FH40高強船板鋼發生完全再結晶所需的變形溫度為1000℃、變形量為40%。在高溫大變形下進行完全再結晶區軋制，隨后生成的的析出物抑制晶粒長大，獲得細小、均勻的晶粒。