AH60C 高強鋼熱變形下動態再結晶行為研究

趙興通 閆 寒 田海濤 陳叢虎 霍桂蘭

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

高強度鋼廣泛應用于工業領域，在社會經濟中具有舉足輕重的地位。安陽鋼鐵近幾年開發了強度大于460 MPa 的AH60C 微合金化高強鋼，AH60C高強鋼強度高、抗震性強，市場需求量較大[1]。因此，本研究主要針對AH60C 微合金化高強鋼熱變形下的動態再結晶行為進行研究，微合金鋼在熱變形條件下的動態再結晶可以降低位錯密度、影響變形抗力、細化晶粒等，從而進一步提高產品的力學性能[2-3]。該研究通過Gleeble-3800 熱模擬機對AH60C 高強鋼進行單道次壓縮試驗，研究了AH60C 高強鋼在變形溫度850 ℃、950 ℃、1 050 ℃，應變速率0.1 s-1、1 s-1、10 s-1條件下的動態再結晶行為，計算出AH60C 高強鋼α、n、A等材料參數以及熱變形激活能Q，建立本構方程，利用加工硬化原理確定動態再結晶臨界條件，得到了臨界條件和熱變形參數之間的定量關系，從而為AH60C高強鋼在實際中的熱加工工藝制定、優化以及生產提供一定的參考依據。

1 試驗材料和方法

該試驗材料為安鋼生產的AH60C 高強度結構鋼連鑄坯，工藝流程：轉爐→吹氬站→LF 精煉爐→VD →寬板坯連鑄機，化學成分見表1。

表1 AH60C 化學成分

在200 mm×1 500 mm 連鑄坯上取200 mm×750 mm 的試驗樣，將試驗樣切割并加工成φ8 mm×12 mm 的圓柱體，打磨成光滑表面。在設定的變形溫度、應變速率、應變量等條件下，利用Gleeble-3800 熱模擬機進行恒溫、恒應變速率的壓縮試驗。采用單道次壓縮試驗，將試樣以20 ℃/s 加熱至1 200 ℃，保溫5 min，然后以10 ℃/s 冷卻至850 ℃、950 ℃、1 050 ℃，保溫10 s 開始變形，應變速率為0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，應變量為1.20，快速水冷，試驗方案參數見表2，工藝如圖1 所示。

表2 AH60C 單道次壓縮試驗方案

圖1 單道次壓縮試驗工藝

2 結果與討論

2.1 不同變形條件下應力-應變曲線

AH60C 高強鋼在不同變形溫度和不同應變速率下的應力應變曲線，如圖2 所示。

圖2 AH60C 應力應變曲線

圖3 峰值應力與應變速率的關系

圖4 與ln[sinh（ασp)]的關系

從圖2 可以看出，應變速率一定時，隨著變形溫度的升高，流變應力降低。并且，流變應力隨著應變的增大而迅速增大，明顯呈現出加工硬化現象。隨著變形溫度的升高，分子間的動能增加，導致原子間的結合力逐漸降低，此時合金的變形抗力隨著變形溫度的升高逐漸降低。當應變速率為0.1 s-1，變形溫度達到1 050 ℃時，變形抗力先增加后下降，明顯發生了動態再結晶行為。當變形溫度在950 ℃、850 ℃時，隨著應變的增加，流變應力不斷增加，并沒有顯示出動態再結晶現象。在熱變形激活能的控制下，動態再結晶的形核率隨著變形溫度的不斷升高而不斷增大，從而增加了晶核長大的驅動力，進而增強了動態再結晶的軟化作用。因此，隨著變形溫度的升高，流變應力逐漸降低，動態再結晶的程度逐漸增加。相反，隨著變形溫度的降低，流變應力逐漸增加，動態再結晶的程度逐漸降低，甚至不會發生動態再結晶現象。當應變速率為1 s-1時，變形溫度達到1 050 ℃時，應力應變曲線有減緩趨勢，說明有發生動態回復，可以判斷出該應變速率下的軟化作用弱于應變速率為0.1 s-1時。隨著應變速率的增大，應力應變曲線沒有出現很好的峰值現象，是因為隨著應變速率的增大，在變形過程中很快形成了足夠的位錯塞積，變形儲能就會很快超過臨界值，從而誘發動態再結晶。這一過程快速、反復進行，晶粒尺寸較小，對后續變形阻力減小程度不明顯，很難出現動態再結晶特征曲線的完美峰值，甚至不會出現動態再結晶現象。此外，所需的時間會隨著應變速率的提高而縮短，導致應變更加局部化，此時需要更大的應力才能使整體材料都發生應變，因此隨著應變速率的增大，流變應力不斷增大。

2.2 變形激活能

從以上試驗得到的應力-應變曲線分析，已知隨著變形溫度的降低，峰值應力以及對應的能量越高，動態再結晶發生的可能性越小。這種關系可以通過Zener-Hollomon（Z）來表示[4]：

Z是溫度補償變形因子。當變形溫度較低，并且變形程度較高時，Z值越大。

與高溫金屬材料變形過程不同的是，高溫延伸過程類似的熱激活能過程取決于變形溫度和變形速率，因此可以選用包含變形激活能Q和溫度T的雙曲正弦方程描述[5-7]。

低應力水平下：

高應力水平下：

可以通過A、α、n、Q之間的關系來描述高溫的流變特性。

熱變形的條件已被W.J.M.Tegart 和C.M.Sellars通過實驗驗證了，可用溫度補償電壓率的齊納-霍爾參數來表示[8]：

對式（2）、式（3）、式（4）兩邊取對數，計算得到以式（5）、式（6）、式（7）：

通過單道次壓縮試驗得到的AH60C 在不同溫度不同速率條件下的峰值應力σp，見表3。

表3 AH60C 高強鋼峰值應力

利用方程線性回歸法，取得三條線上的平均斜率，得n'=10.186 15，β=0.079 323，故α==0.007 787（mm2/N）。

對于所有應力下，T和σ之間可以用雙曲線正弦關系表示：

由以上可知，α=0.007 787 mm2/N，化學成分對n 值的影響較大，不同的化學成分對n 值的影響不同，因此需要通過實驗來確定n 值。對式（8）兩邊取對數，得：

同理，通過式（9）可以看出ln[sinh（ασp)]與ln之間也存在線性關系，n 為斜率。因此得到其二者之間的關系曲線（如圖5 所示），推斷出平均值n=8.116 563。

圖5 ln[sinh（ασp)]與ln的關系

由此可以算出AH60C 高強鋼動態再結晶激活能Q=Rnb=293 305.163 J/mol。

通過式（1）和式（4）可以得出：

通過不同溫度下的應變速率得到不同的Z值，從而得到不同的Z 值與A[sinh（ασ）]n其中對應的峰值應力的對應關系（見表4），根據式（7）繪制出lnZ與ln[sinh（ασ）]的曲線關系（如圖6 所示），通過線性回歸方程所得的直線得出lnA=26.701 52。

表4 Z 值對應峰值應力σp

圖6 lnZ 與ln[sinh（ασ）]的關系

因此計算得到AH60C 高強鋼峰值應力條件下的高溫本構方程：

2.3 動態再結晶臨界條件

如前所述，所得到的的應力應變曲線并沒有明顯的顯示出動態再結晶的特性峰值，但也不能說明該過程僅僅發生了動態回復，并沒有發生動態再結晶。其中，動態再結晶臨界條件是關鍵的研究目標，因此利用Poliak 和Jonas 研究發現的θ-σ關系曲線，當材料發生動態再結晶時，θ-σ關系曲線會出現拐點，即?2θ/?σ=0。對其求導推導出?（lnθ）/?ε=?θ/?σ，說明不僅θ-σ曲線會出現拐點，lnθ-ε曲線也會出現拐點。因此，通過應力應變曲線繪制lnθ-ε曲線，利用?2（lnθ）/?ε=0 計算出臨界應變，進而確定動態再結晶發生的臨界條件[9]。當變形溫度在1 050 ℃，應變速率0.1 s-1條件下，應力應變曲線如圖7所示。

圖7 變形溫度1 050 ℃、應變速率0.1 s-1 時的應力應變曲線

該試驗獲得的應力應變曲線無法直接從曲線中計算出加工硬化率θ，通過對曲線進行擬合得到擬合方程，在經過微分得到在應變下的加工硬化率θ，繪制出lnθ與ε曲線以及?（lnθ）/?ε與ε曲線，如圖8 所示。

圖8 變形溫度1050℃、應變速率0.1s-1 時的ε 及?（lnθ）/?ε 與ε 之間的關系

從圖8 可以看出，在應變0.1 附近出現拐點，對其曲線進行三次擬合，得到：

當?2（lnθ）/?ε=0 時，所對應的應變即為材料在1 050 ℃、應變0.1 s-1時對應的臨界應變εc=0.134 27。

因此，通過此方法繪制出該高強鋼在不同條件下的lnθ與ε曲線，如圖9 所示。

圖9 AH60C 不同變形溫度和不同應變速率下的lnθ 與ε 關系曲線

從圖9 可以看出，不同變形溫度、不同應變速率下lnθ-ε曲線不同。加工硬化率在變形初期迅速降低，隨著變形增大逐漸進入緩慢階段，在緩慢階段出現了拐點。

不同變形溫度和不同應變速率下的?（lnθ）/?ε與ε的關系如圖10 所示。

圖10 AH60C 不同變形溫度和不同應變速率下的?（lnθ）/?ε 與ε的關系

從圖10可以看出，?（lnθ）/?ε-ε均有最大值，且最大值時的應變對應著lnθ-ε 曲線拐點處應變，此處應變為AH60C 高強鋼發生動態再結晶時的臨時應變。當變形溫度一定時，臨界應變隨著應變速率的增大而增大；當應變速率一定時，臨界應變隨著變形溫度的增大而減小。

使用最廣泛的Sellras 模型來表示臨界應變：

對其兩邊求對數，得：

根據不同變形溫度和不同應變速率下的臨界應變εC和對應的Z值，繪制出lnεC-lnZ散點圖，對其進行線性擬合，如圖11 所示。

圖11 lnεC-lnZ 之間的關系

由圖11 可得到擬合方程：

故，臨界臨界應變預測模型為

3 結論

（1）AH60C 高強鋼在不同變形條件下對動態再結晶行為有顯著的影響，隨著變形溫度的升高，流變應力降低；隨著應變速率的增大，流變應力增大，并且變形溫度越高，應變速率越低，動態再結晶越徹底；采用Zener-Hollomon 參數的正弦函數計算出材料參數值α、n、A 以及AH60C 高強鋼熱變形激活能Q為293 305.163 J/mol。

（2）AH60C 高強鋼應力應變曲線具有動態再結晶特征，其變形溫度達到1 050 ℃，應變速率達到0.1 s-1時應力應變明顯出現了完全動態再結晶現象；并且lnθ-ε 曲線出現拐點，在?（lnθ）/?ε與ε曲線出現最大值，曲線最大值對應的應變即為動態再結晶臨界應變。

（3）AH60C 高強鋼發生動態再結晶行為時，臨界應變隨著變形溫度的升高而降低，隨著應變速率的增大而增大，且在本次試驗條件下，AH60C 高強鋼以及動態再結晶臨界應變預測模型為εC=3.04×10-4Z1.88975。