82B高碳鋼熱變形行為研究

張?jiān)葡?余弛斌,杭乃勤,趙嘉蓉

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,湖北武漢,430081)

82B高碳鋼熱變形行為研究

張?jiān)葡?余弛斌,杭乃勤,趙嘉蓉

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,湖北武漢,430081)

采用單道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)方法,在Thermomaster-Z型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上模擬高碳鋼高速線材熱軋變形過程動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為,測(cè)定82B高碳鋼在變形溫度為800～1 100℃、變形速率為0.1～50 s-1、變形程度為0～0.60條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線,利用曲線特征值確定高應(yīng)變速率下的變形激活能,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變形條件,建立動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖。

高碳鋼;變形激活能;動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作為鋼材生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要冶金物理現(xiàn)象,對(duì)于高碳高速線材鋼的組織性能控制有重要影響[1]。關(guān)于低碳鋼及其在低變形速率下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的研究較多[2-3],有關(guān)高碳鋼及其在高應(yīng)變速率下的熱變形行為的研究鮮見報(bào)道。本文采用單道次熱模擬實(shí)驗(yàn)方法,在Sellars組織演變模型的基礎(chǔ)上,研究82B高碳鋼熱變形激活能及其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變形條件,研究高碳鋼在高變形速率下的熱變形行為。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

試樣取自某高速線材車間SWRH82B高碳鋼坯,其化學(xué)成分(wB)為:0.82%C,0.21%Si, 0.74%M n,0.016%P,0.003%S,0.016%Cu, 0.174%Cr,0.018%Ni;試樣為中空管狀,外徑8 mm,內(nèi)徑6.4 mm,高12 mm。

圖1 單道次圓柱體壓縮熱模擬實(shí)驗(yàn)工藝Fig.1 Diagram of single pass cylindrical compression experiment

對(duì) 35個(gè)試樣在 Thermomaster-Z熱模擬機(jī)上進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)工藝如圖1所示。所有試樣均以10℃/s的速度加熱到1 100℃,保溫360 s;再以5℃/s的冷卻速度分別冷卻至800、850、900、950、1 000、1 050、1 100℃;分別以0.1、1、10、25、50 s-1的變形速率進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn);變形后立即以2℃/s的速度冷卻至600℃,再以15℃/s的速度快冷至室溫。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所得試樣真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出,溫度為800～1 100℃時(shí),在上述變形速率范圍內(nèi)試樣均發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。變形溫度 T和應(yīng)變速率ε·等對(duì)奧氏體高溫變形行為都有明顯的影響。在給定的變形溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶易發(fā)生于較高變形溫度和較低應(yīng)變速率條件下,并且隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增大,峰值應(yīng)力σP和峰值應(yīng)變?chǔ)臥增大,發(fā)生再結(jié)晶的臨界應(yīng)變值增大。

從圖2中還可以看出,高溫奧氏體的形變,通過加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化兩種機(jī)制同時(shí)起作用。在變形初期,加工硬化趨勢(shì)明顯,隨著變形量增大,位錯(cuò)密度不斷增大,使得變形應(yīng)力不斷增大。同時(shí),由于高溫條件下的變形,使得位錯(cuò)容易通過滑移和攀移方式產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù),使加工硬化作用減弱,應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率減小;由于變形量的繼續(xù)增大,位錯(cuò)密度不斷增大,內(nèi)部儲(chǔ)存能也繼續(xù)增大,當(dāng)變形量達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界變形程度時(shí),將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行,金屬內(nèi)部不斷發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的表現(xiàn)是隨應(yīng)變?cè)黾?應(yīng)力不斷減小。溫度為800～950℃、變形速率為0.1 s-1時(shí),峰值應(yīng)變(峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的真應(yīng)變)為0.1～0.3;變形速率為1 s-1時(shí),峰值應(yīng)變?yōu)?.2～0.3;變形速率為10、25 s-1時(shí),峰值應(yīng)變?yōu)?.3～0.4;變形速率為50 s-1時(shí),峰值應(yīng)變?yōu)?.4～0.5。

圖2 試樣真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves obtained at differnet strain rates

實(shí)際生產(chǎn)中的變形速率一般都會(huì)超過 10 s-1,發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變約為0.3～0.4,因此為了使軋件發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,應(yīng)盡量加大前面道次的壓下率,以利于奧氏體晶粒的細(xì)化。

3 確定變形激活能和建立 Zener-Hollomon方程

由于熱變形是一個(gè)熱激活的過程,因此溫度和變形速率對(duì)變形的影響可以通過引入 Zener-Hollomon參數(shù)進(jìn)行研究,而 Z參數(shù)是峰值應(yīng)力的函數(shù),即:

式中:Q為變形激活能,kJ/mol;R為氣體常數(shù),R =8.314 J/(mol·K);T為絕對(duì)溫度,K;σP為峰值應(yīng)力,M Pa。

3.1 峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變計(jì)算

通過應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)整理出峰值應(yīng)力、應(yīng)變值數(shù)據(jù),并作出峰值應(yīng)力σp同溫度、應(yīng)變速率的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 溫度對(duì)試樣峰值應(yīng)力的影響Fig.3 Effect of temperature on the sample’s peak stress

圖4 應(yīng)變速率對(duì)試樣峰值應(yīng)力的影響Fig.4 Effect of strain rate on the sample’s peak stress

式中:n為模型系數(shù);A,α為與鋼種有關(guān)的參數(shù),A取值0.2,α取值0.012[5]。

由式(2)可得:

對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù),有:

3.2 溫度相關(guān)系數(shù)b值計(jì)算

b為Zener-Hollomon參數(shù)與溫度T的線性相關(guān)度,表征軋制溫度對(duì) Z參數(shù)的影響程度。根據(jù)峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),作出變形速率分別為0.1、1、10、25、50 s-1時(shí)ln sinh(ασP)同 1 000/ (T+273)的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5得到各直線平均斜率為 b=3.491 4。不同變形速率下的平均斜率b值相當(dāng)于消除了變形速率的影響。

圖5 不同變形速率下的b值Fig.5 b value at different strain rates

3.3 變形速率相關(guān)系數(shù)n值計(jì)算

n為描述真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的硬化指數(shù),本文計(jì)算n值時(shí),采用固定變形溫度值對(duì)式(4)中求偏導(dǎo)數(shù),所以n稱之為變形速率相關(guān)系數(shù)。ln sinh(ασP)與之間存在線性關(guān)系,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸,其關(guān)系曲線的斜率平均值的倒數(shù)即為n。由此繪制lnsinh(ασP)與ln不同溫度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合直線如圖6所示,得到直線斜率平均值的倒數(shù)為 n=5.079 8。

圖6 ln sinh(ασP)與在不同溫度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合直線Fig.6 n value at differen t tem peratures

3.4 變形激活能Q值計(jì)算

將b和n值代入式(5),得到熱變形激活能為

Qdef=Rnb=147.408 kJ/mol

本文計(jì)算的變形激活能與文獻(xiàn)[6]報(bào)道的數(shù)據(jù)基本一致,本文計(jì)算結(jié)果與其他文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 本文結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果對(duì)比(Qdef/kJ·mol-1)Table 1 Value of deformation activation energy

3.5 Zener-Hollomon方程

將Qdef值代入Zener-Hollomon參數(shù)方程(1)中,得:

4 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體狀態(tài)圖

變形特征值,即峰值應(yīng)變?chǔ)臥和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)臩可在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上峰值應(yīng)力處和應(yīng)力下降后第一個(gè)拐點(diǎn)處(或應(yīng)力降到穩(wěn)態(tài)處)得到。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變值εC可根據(jù)εC=(0.6～0.85)εP算得,此處取εC=0.8εP。根據(jù)式(7)計(jì)算出不同條件下的 Z值如表2所示。

由εC和εS可繪制出動(dòng)態(tài)再結(jié)晶圖。根據(jù)表2分別作變形速率為1、25 s-1時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶圖 ,如圖7所示,圖7中A、B、C三個(gè)區(qū)域分別表示未動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由圖7中可以看出,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變?cè)?.2～0.4之間,穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?cè)?.8～1.2之間,隨著變形溫度的提高,發(fā)生和完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要的臨界變形量逐漸減小。根據(jù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變形特征值表2可以看出:當(dāng) Z值較小時(shí)(變形溫度高、變形速率小),臨界應(yīng)變小;當(dāng) Z值較大時(shí)(變形溫度低、變形速率大),臨界應(yīng)變大。

表2 變形特征值Table 2 Deformation characteristic values

圖7 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域圖Fig.7 Recrystallizatioin regionalmap

由于完成再結(jié)晶過程的真應(yīng)變?yōu)?.8～1.2,即相當(dāng)于絕對(duì)壓下率為60%～80%,表明在進(jìn)行高碳鋼軋制時(shí),應(yīng)盡量增大前面高溫機(jī)架壓下量,后面機(jī)架絕對(duì)壓下率應(yīng)小于25%,方可避免發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

5 結(jié)語

(1)采用單道次熱模擬實(shí)驗(yàn)方法,得到不同工藝條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,分析了82B高碳鋼的熱變形行為,利用曲線特征點(diǎn)確定高應(yīng)變速率下82B鋼的變形激活能(Qdef=14.740 8 kJ/mol),得出 Zener-Hollomon參數(shù)方程為 Z=exp

(2)82B高碳鋼發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界真應(yīng)變?yōu)?.2～0.4,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)態(tài)真應(yīng)變值為0.8～1.2,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可建立動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖。

[1] 趙嘉蓉,杭乃勤,張?jiān)葡?高碳鋼線材組織與性能預(yù)報(bào)模擬軟件的開發(fā)[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,29(2):112-114.

[2] 竇曉峰,鹿守理,趙輝.Q235鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的建立[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,20(5):20-24.

[3] 魏潔,唐廣波,劉正東.碳錳鋼熱變形行為及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2008,20(3):31-35.

[4] Zener C,Hollomon J.Effect of strain rate upon p lastic flow of steel[J].Journal of App lied Physics, 1944,15(1):22-32.

[5] 余馳斌,葉傳龍,趙剛,等.Nb-Ti鋼高溫變形時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為及模型探討[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,26(4):334-336.

[6] Anell E.Application of mathematical modeling to hot rolling and controlled cooling of w ire rods and bars[J].ISIJ International,1992,32(3):440-449.

[7] Devadas C,Samarm sekera I V,Haw bolt E B.The thermal and metallurgical state of steel strip hot rolling:part I[J].Characterization of Heat Trans-fer,Metallurgical Transacton A,1991,22A:307-318.

[8] Sellars C M.Modelling microstructural development during hot rolling[J].Journal of Materials Science and Technology,1990,15:1 072-1 081.

[9] Hodgson P D,Gibbs R K.A mathematical model to p redict themechanical p roperties of hot rolled CM n and microalloyed steels[J].ISIJ International, 1992,32(12):1 329-1 338.

Hot deformation behavior of high carbon steel 82B

Zhang Yunxiang,Yu Chibin,H ang N aiqin,Zhao Jiarong
(College of Materials Science and Metallurgy,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

Single comp ression deformation tests were conducted on Thermomaster-Z thermal simulator and dynamic recrystallization behavior of high carbon steel in high speed rolling was investigated.The true stress strain-curves w ere measured under the conditions of defo rmation temperature of 80 0～1 100℃,defo rmation rate of 0.1～50 s-1and strain of 0～0.60.By meansof the curve’s characteristic value and linear regression,the hot deformation activation energy in the condition of high strain rate for high carbon steel 82B was determined and it equaled 147 kJ/mol.The critical value of dynamic recrystallization occurred is analyzed and the dynamic recrystallization diagram is given.

high carbon steel;deformation activation energy;dynamic recrystallization

TG142.1+1

A

1674-3644(2010)05-0473-05

[責(zé)任編輯 彭金旺]

2010-06-07

張?jiān)葡?1970-),男,武漢科技大學(xué)副教授,博士.E-mail:zhangyunxiangwust@163.com

作者介紹:張?jiān)葡?男,1970年出生,1994年西安建筑科技大學(xué)金屬壓力加工系畢業(yè),2000年獲武漢科技大學(xué)材料加工工程碩士學(xué)位,2010年獲華中科技大學(xué)材料加工工程博士學(xué)位?，F(xiàn)為武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院副教授。主要從事材料成型計(jì)算機(jī)控制、控制軋制與控制冷卻、軋機(jī)設(shè)定及自動(dòng)化、薄板坯連鑄連軋等課程教學(xué)。近10年發(fā)表論文20篇,其中被EI檢索4篇,被SCI檢索2篇。近年來作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人完成和正在承擔(dān)企業(yè)橫向合作課題2項(xiàng),參與湖北省自然科學(xué)基金課題1項(xiàng),武鋼、漣鋼橫向課題多項(xiàng)。2001年獲武漢科技大學(xué)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)“金屬材料加工工程專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究”;2005年獲湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)“硬線顯微組織與性能預(yù)報(bào)研究”;2008年獲湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)“CSP冷軋薄板產(chǎn)品系列及深沖性能開發(fā)研究”;2010年獲發(fā)明專利“硬線顯微組織與性能預(yù)報(bào)研究”1項(xiàng)。主要研究方向:軋制過程計(jì)算機(jī)控制、軋制過程冶金學(xué)與軋材品種開發(fā)、連鑄連軋新技術(shù)等。