45鋼控軋控冷工藝模擬試驗(yàn)

劉 瑩, 駱春民

(天津鋼鐵集團(tuán)有限公司, 天津 300000)

經(jīng)過(guò)軋制的板材會(huì)出現(xiàn)組織異常或不均勻，造成其綜合力學(xué)性能不穩(wěn)定，給鋼板的后續(xù)使用帶來(lái)不利影響。為了減小產(chǎn)品組織不均勻性帶來(lái)的影響，筆者利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)45鋼鋼板進(jìn)行控軋控冷工藝模擬試驗(yàn)，通過(guò)單道次模擬軋制，研究了45鋼軋制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，分析了應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征參數(shù)，建立和繪制了45鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶圖;同時(shí)研究了45鋼的臨界點(diǎn)及相變點(diǎn)，結(jié)合顯微組織分析,繪制出45鋼的過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線[1-3]。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成了45鋼控軋控冷工藝窗口設(shè)計(jì)，為45鋼控軋控冷工藝的制定提供了可靠的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取某批次30 mm厚的45鋼熱軋鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。將該鋼板加工成尺寸為10 mm×15 mm(外徑×長(zhǎng)度)的圓柱形試樣，對(duì)其進(jìn)行再結(jié)晶試驗(yàn)；再將鋼板加工成尺寸為6 mm×85 mm(外徑×長(zhǎng)度)的圓柱形試樣，繪制CCT曲線。

表1 45鋼鋼板的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

通過(guò)單道次壓縮變形試驗(yàn)，研究45鋼變形奧氏體的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，得到流變應(yīng)力曲線，具體工藝為：將試樣以5 ℃/s的升溫速率加熱到1 200 ℃，保溫3 min，再以5 ℃/s的降溫速率分別冷卻到1 150，1 100，1 050，1 000，950，900，850，800 ℃，經(jīng)30 s短時(shí)均溫后，再分別以0.1,1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行熱壓縮變形，變形量均為60%，變形后立即淬火,保留變形后組織。

通過(guò)模擬試驗(yàn)分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征參數(shù)，觀察試樣形變奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒形態(tài)，建立試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶圖，研究試驗(yàn)鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的發(fā)生條件和演化過(guò)程。

1.2.2 45鋼臨界點(diǎn)及CCT曲線的繪制

利用膨脹法研究45鋼的臨界點(diǎn)，具體工藝為：以5 ℃/s的升溫速率將試樣加熱到500 ℃，再以200 ℃/h的升溫速率將試樣加熱到980 ℃，保溫15 min，以200 ℃/h的降溫速率冷卻試樣。記錄熱膨脹曲線拐點(diǎn)，確定45鋼的Ac1(加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度)、Ac3(加熱時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度)、Ar3(冷卻時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度)和Ar1(冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度)。

結(jié)合金相檢驗(yàn)，繪制45鋼的靜態(tài)CCT曲線。選取不同的降溫速率(0.5，1，2，3，5，7，10，15，20，30，50 ℃/s)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 45鋼單道次壓縮流變應(yīng)力曲線

對(duì)單道次壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，不同變形溫度和應(yīng)變速率下45鋼單道次壓縮變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 不同變形溫度和應(yīng)變速率下45鋼單道次壓縮變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在滿足低變形溫度和高應(yīng)變速率條件時(shí)，45鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。當(dāng)變形溫度上升且應(yīng)變速率下降時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶趨勢(shì)增強(qiáng)。

隨著變形溫度的降低，當(dāng)應(yīng)變速率增加時(shí)，應(yīng)力峰值隨之上升，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變得困難。當(dāng)變形溫度過(guò)低或應(yīng)變速率過(guò)大時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線已經(jīng)沒有明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶趨勢(shì)，表現(xiàn)為加工硬化或動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。

當(dāng)應(yīng)變量相同時(shí)，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，流變應(yīng)力呈下降趨勢(shì)；當(dāng)變形溫度相同時(shí)，隨著變形速率的增大，應(yīng)力峰值向著應(yīng)變?cè)龃蟮姆较蛞苿?dòng)；當(dāng)變形速率相同時(shí)，隨變形溫度的升高，應(yīng)力峰值及應(yīng)變都有減小的趨勢(shì)。

不同試驗(yàn)條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)比，證明了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是一個(gè)熱激活過(guò)程，即變形溫度越高，材料越容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣在滿足變形溫度高、變形速率低、變形量較大的條件下，材料在高溫條件下的形變是軟化行為，由于溫度較高，材料內(nèi)部受力產(chǎn)生的位錯(cuò)和恢復(fù)過(guò)程中亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)的密度都減少了，在該條件下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更易發(fā)生。

2.2 45鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶圖

根據(jù)單道次壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立45鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶圖(見圖2)，當(dāng)達(dá)到一定的應(yīng)變，再結(jié)晶才會(huì)發(fā)生[4]。在滿足再結(jié)晶發(fā)生的前提下，隨著溫度的增大，需要的應(yīng)變隨之減小。根據(jù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)工藝進(jìn)行調(diào)整，使45鋼在粗軋階段完成再結(jié)晶，在精軋階段避免發(fā)生再結(jié)晶，在全過(guò)程避免發(fā)生部分再結(jié)晶，以免得到混晶組織。

圖2 45鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶應(yīng)變-溫度曲線

2.3 靜態(tài)CCT曲線

45鋼的相變轉(zhuǎn)變溫度如表2所示(A為奧氏體，F(xiàn)為鐵素體，P為珠光體，B為貝氏體，M為馬氏體)，CCT曲線如圖3所示。

表2 45鋼的相變轉(zhuǎn)變溫度

在45鋼的CCT曲線上，相變區(qū)域?yàn)殍F素體區(qū)、珠光體區(qū)、貝氏體區(qū)、馬氏體區(qū)。在冷卻速率大于5 ℃/s時(shí)，有貝氏體相轉(zhuǎn)變[見圖4a)]，在較大的冷卻速率下，如冷卻速率大于50 ℃/s時(shí)，有馬氏體相轉(zhuǎn)變[5][見圖4b)]。

圖4 45鋼在相變過(guò)程中的顯微組織形貌

從CCT曲線可以看出，過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻速率不同，發(fā)生的轉(zhuǎn)變及組織也不同。當(dāng)冷卻速率很小時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)變的開始溫度和結(jié)束溫度都很高，隨著冷卻速率的增大，轉(zhuǎn)變溫度降低，轉(zhuǎn)變經(jīng)歷的溫度區(qū)間隨著冷卻速率的增大而增大。

3 結(jié)論

根據(jù)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，45鋼控軋控冷的工藝窗口設(shè)計(jì)為：開軋溫度不小于1 050 ℃，中間坯厚度為90 mm，軋制道次為7～9，道次間隔時(shí)間不小于10 s，軋制速率為1 m/s；開軋溫度為880～900 ℃，頭三道次間隔時(shí)間不大于10 s，軋制道次為7～9，末三道次總壓下率不小于30%，成品道次壓下率不小于8%，軋制速率為3 m/s，終軋溫度為780～810 ℃；終冷溫度為670～700 ℃，冷卻速率小于5 ℃/s。

對(duì)45鋼鋼板的控軋控冷工藝進(jìn)行熱模擬研究，可為實(shí)際軋制45鋼控軋控冷工藝的制定提供可靠的理論依據(jù),提高了45鋼的力學(xué)性能，提升了經(jīng)濟(jì)效益。