終軋溫度及軋后冷卻速度對(duì)Q460C鋼組織和相變的影響

黃 山,高 雅,贠 冰,孫建林,段雙霞

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京100083;2.太鋼集團(tuán)臨汾鋼鐵有限公司,山西臨汾041000)

Q460鋼是GB/T 1591《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中最高強(qiáng)度的一個(gè)牌號(hào)[1],與普通低碳鋼相比,Q 460C鋼在合金設(shè)計(jì)上采用微量元素Nb、V、Ti等合金化,鋼的碳含量偏低,軋鋼工藝采取控制軋制[2-3]。Q460C鋼作為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板被廣泛應(yīng)用,但由于其Nb含量較高,易造成連鑄坯表面裂紋[4],因此應(yīng)在成分設(shè)計(jì)和控軋控冷方面采取優(yōu)化措施來減少和避免裂紋的產(chǎn)生。為此,本文從軋制過程的控軋控冷入手,研究終軋溫度和軋后冷卻速度對(duì)Q460C鋼組織和相變的影響,以期為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)與方法

試樣取自Q460C連鑄坯,其化學(xué)成分如表1所示。將連鑄坯熱鍛成厚度為100 mm若干坯樣,選取其中幾個(gè)鍛后鑄坯,并沿厚度方向切取為圓柱型試樣,中間壓縮部分為φ8 mm×17 mm,兩端夾緊部分為φ10 mm×35 mm,試樣數(shù)為10件。

表1 Q460C連鑄坯化學(xué)成分(w B/%)Table 1 Chem ical compositions of Q460C steel

在Gleeble-1500熱應(yīng)力/應(yīng)變模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。圖1為試驗(yàn)方案。試驗(yàn)方案分為模擬粗軋和精軋2個(gè)階段。粗軋溫度為1 050℃,變形為20%;精軋方案如表2所示,各道次之間的溫降時(shí)間為Δt=5 s。

圖1 試驗(yàn)方案Fig.1 Experimental scheme

表2 精軋方案Table 2 Fine rolling process

對(duì)壓縮前的鍛樣進(jìn)行磨樣觀察,重點(diǎn)觀察壓縮后試樣中心部位的組織形貌和生成壓縮過程的熱脹曲線,并對(duì)試樣組織演變和相變析出進(jìn)行分析研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣組織的不均勻性

從鍛樣、熱壓縮后的試樣中可直觀地看到大量C的偏析,造成鋼組織中有大量的團(tuán)簇狀珠光體的存在(見圖2)。團(tuán)簇狀珠光體的存在造成試樣組織中的軟硬相帶,在軋制過程中,軟硬相帶交替存在,易造成不均勻變形。珠光體作為硬相,在變形中流動(dòng)性較差,而鐵素體作為軟相,在受力變形時(shí)優(yōu)先于珠光體或夾雜等硬脆相先變形,造成位錯(cuò)塞積加劇和組織不均勻性增大,易形成裂紋。

圖2 試樣基體中分布的團(tuán)簇狀珠光體結(jié)構(gòu)Fig.2 M icrostructure of nodular pearlite in basal body

從試驗(yàn)拍攝的金相組織照片(見圖2(b))看,整個(gè)試樣組織晶粒分布不均勻,有較明顯的再結(jié)晶不完全現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可能與試驗(yàn)條件有關(guān),原因是受試樣體積所限,在試驗(yàn)過程中初始變形道次,粗軋溫度較低且壓下量較小,以致造成再結(jié)晶不完全。

2.2 終軋溫度對(duì)試樣組織和相變的影響

2.2.1 終軋溫度對(duì)晶粒度的影響

終軋溫度會(huì)改變變形后材料的儲(chǔ)存能和晶界遷移率,從而影響N/G(再結(jié)晶形核速率N與再結(jié)晶晶粒成長(zhǎng)速度G之比),降低終軋溫度會(huì)增加N/G,使得再結(jié)晶晶粒細(xì)化。但變形溫度上升對(duì)N/G的影響很小[5-6]。圖3為不同終軋溫度下以10℃/s冷卻后試樣的金相組織照片。由圖3可看出,780℃時(shí)的終軋?jiān)嚇蛹?xì)晶鐵素體數(shù)量較多,晶粒尺寸相對(duì)均勻。

圖3 不同終軋溫度下以10℃/s冷卻后試樣的金相組織Fig.3 M icrostructures of the steel after cooling at 10℃/s from differen t fin ishing tem peratures

2.2.2 終軋溫度對(duì)相變的影響

由熱壓縮數(shù)據(jù)所作試樣的熱膨脹曲線來看(見圖4),在620～630℃時(shí)有一個(gè)明顯的膨脹量。由此可判斷,在620℃左右時(shí)材料發(fā)生相變(膨脹),膨脹的原因可能是在低冷卻速度下,A→F相變繼續(xù),產(chǎn)生的相變熱使得材料體積膨脹。一方面這種相變回?zé)釙?huì)使鋼板溫度升高,可能引起鐵素體晶粒的長(zhǎng)大;另一方面,這種相變熱造成試樣中心部位溫度高于表面溫度,試樣中心部位膨脹量大于表面膨脹量,使表面處于拉應(yīng)力狀態(tài),從而加速表面裂紋的擴(kuò)展。

通過擬合比較膨脹曲線發(fā)現(xiàn),不同冷卻速度下,試樣膨脹量、膨脹溫度和膨脹速率存在差異。相同軋制工藝下,冷卻速度分別為5、10℃/s時(shí),終軋結(jié)束后,5#試樣在終軋溫度和波谷區(qū)間內(nèi)體積隨著溫度的降低而緩慢收縮,表明在其冷卻過程中可能有少量的相變持續(xù)發(fā)生,而6#試樣則收縮相對(duì)較快(見圖4)。1#～3#試樣有同樣的情況發(fā)生。在終軋溫度為820℃時(shí),不同冷卻速度下試樣的膨脹曲線幾乎重合。由此可看出,在較高終軋溫度下,快冷速度對(duì)試樣組織變化的影響很小。相同冷卻速度下,比較5℃/s冷卻速度下1#、5#、8#試樣和10℃/s冷卻速度下2#、6#、9#試樣的相變起始點(diǎn)溫度后發(fā)現(xiàn),隨著終軋溫度的升高,相變起始點(diǎn)的溫度亦升高,這是因?yàn)榻K軋溫度的升高增強(qiáng)了相變的熱力學(xué)動(dòng)力,促使相變提前發(fā)生。

相比終軋溫度的影響,冷卻速度加快則對(duì)相變溫度升高影響較小,一方面冷卻速度加快使得體積收縮更加明顯,另一方面加快冷卻速度增強(qiáng)了相變動(dòng)力。因此,在兩者的互相作用下,表現(xiàn)為材料膨脹曲線規(guī)律不明顯。

3 結(jié)論

(1)團(tuán)簇狀珠光體造成鋼組織不均,在軋制變形過程中,可能造成局部應(yīng)力增強(qiáng),誘導(dǎo)其裂紋產(chǎn)生。

(2)粗軋溫度低和粗軋壓下量小,可能是造成再結(jié)晶不完全的原因,因此粗軋時(shí)宜采用高溫大壓下量軋制,以促進(jìn)其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生,細(xì)化鋼組織,可提高鋼組織的均勻性。

(3)溫度為680～580℃時(shí)存在持續(xù)相變,在620～630℃時(shí)膨脹量達(dá)到峰值,提高終軋溫度可促進(jìn)相變提前發(fā)生。

(4)在較高終軋溫度下,加快冷卻速度對(duì)鋼組織變化的影響很小。

圖4 不同試樣的膨脹曲線Fig.4 Expansion curves of different samples

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