釩對低硅含磷系TRIP鋼熱變形行為的影響

侯曉英

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

試驗(yàn)研究

釩對低硅含磷系TRIP鋼熱變形行為的影響

侯曉英

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

通過分析不同變形溫度及應(yīng)變速率下低硅含磷系TRIP鋼高溫流變曲線的變化規(guī)律，建立了本構(gòu)關(guān)系，并分析了合金元素釩對其影響。結(jié)果表明，添加0.19%釩，由于固溶釩原子的拖曳作用，使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能提高～6%，同時(shí)推遲了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，使σc/σp和εc/εp值均有所提高。通過回歸得到無釩鋼和含釩鋼的峰值應(yīng)力和臨界應(yīng)力、峰值應(yīng)變和臨界應(yīng)變與lnZ的關(guān)系。

TRIP鋼；熱變形；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；釩；磷

1 前言

隨著物理—力學(xué)冶金學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們通過組織性能預(yù)測的方法能夠較精確地計(jì)算C-Mn鋼的熱變形行為，并對變形抗力、組織、性能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。但對于低硅含磷系相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼，尤其是在此基礎(chǔ)上加入合金元素釩，在變形過程中，微合金元素釩在奧氏體中固溶以及在較低溫度析出，其過程的復(fù)雜性，導(dǎo)致理論預(yù)測結(jié)果的誤差增大。因此，通過熱模擬的方法研究其熱變形行為是十分必要的。本研究探討了低硅含磷系TRIP鋼高溫流變曲線的變化規(guī)律，建立了本構(gòu)關(guān)系，并分析了合金元素釩對其影響，這為熱軋和冷軋熱處理含磷低硅系TRIP鋼的生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分如表1所示。鋼錠首先被鍛造成60 mm×60 mm×800 mm的坯料，然后熱軋成12 mm厚的鋼板，機(jī)加工出Φ8 mm×15 mm的圓柱熱模擬試樣。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

將試樣以10℃/s的速度加熱到1 200℃，保溫3 min后，以5℃/s的速度冷卻到不同溫度保溫20 s，以消除試樣內(nèi)的溫度梯度，然后進(jìn)行壓縮變形。變形溫度范圍為800～1 150℃，應(yīng)變速率范圍為0.01～5 s-1，應(yīng)變量為0.8。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 釩對變形抗力的影響

試驗(yàn)鋼B在試驗(yàn)鋼A的基礎(chǔ)上，加入了0.19% V，使其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為發(fā)生了明顯的變化，以應(yīng)變速率0.01和0.1 s-1、變形溫度范圍為800～950℃為例，說明添加釩對其變形抗力的影響，如圖1所示。

圖1 不同應(yīng)變速率條件下A鋼和B鋼應(yīng)力—應(yīng)變曲線

應(yīng)變速率為0.01 s-1，當(dāng)變形溫度為800℃，ε≤0.32時(shí)，A鋼的流變應(yīng)力值略高于B鋼，但差值均＜12 MPa；ε＞0.32時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，B鋼的流變應(yīng)力值高于A鋼約25 MPa。變形溫度≥850℃時(shí)，在整個(gè)塑性變形過程中，B鋼的流變應(yīng)力值要高于A鋼，變形溫度850、900和950℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，B鋼的流變應(yīng)力值高于A鋼，分別為≥40、≥25和≥10 MPa。

應(yīng)變速率為0.1 s-1，當(dāng)變形溫度為950℃，ε在0.14～0.30時(shí)，A鋼的流變應(yīng)力值略高于B鋼，但相差均＜5 MPa，可認(rèn)為是試驗(yàn)誤差造成的；達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，B鋼的流變應(yīng)力高于A鋼約10 MPa。變形溫度850和900℃時(shí)，在整個(gè)塑性變形過程中，B鋼的流變應(yīng)力要高于A鋼，分別為≥15和≥20 MPa。

可見，在其他工藝參數(shù)相同的條件下，變形速率較低（0.01 s-1）時(shí)，隨著變形溫度的升高，A鋼與B鋼之間的流變應(yīng)力值的差距在逐漸縮小。而隨著應(yīng)變速率的增加，變形抗力隨著變形溫度的變化，而變得復(fù)雜。

變形速率較低（0.01 s-1）時(shí)，為實(shí)現(xiàn)給定變形量（ε=0.8），所需的變形時(shí)間較長，致使釩的碳化物或氮化物全部或部分溶解，其對試驗(yàn)鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的阻礙作用明顯減弱，尤其是當(dāng)變形溫度較高時(shí)，這種影響變得更為明顯，使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶易于發(fā)生。因而，隨著變形溫度的提高，A鋼與B鋼之間的流變應(yīng)力值的差距在逐漸縮小；同時(shí)，奧氏體晶內(nèi)缺陷數(shù)量也因有時(shí)間進(jìn)行回復(fù)過程，而大量減少。在奧氏體晶界和晶內(nèi)缺陷數(shù)量大量減少，這也使得流變應(yīng)力值減小，使得A鋼與B鋼之間的流變應(yīng)力值的差距在逐漸縮小。

隨著變形速率的增大（0.1 s-1），達(dá)到給定變形量所需的時(shí)間變短，釩的碳化物或氮化物來不及溶解，對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的阻礙作用加強(qiáng)，致使試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶延長；但是，在兩種試驗(yàn)鋼變形過程中，變形奧氏體晶粒內(nèi)的位錯(cuò)和變形帶等缺陷的數(shù)量增加。因而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶相對推遲發(fā)生，流變應(yīng)力值也隨之增加，而且在變形速率較高時(shí)這種影響對流變應(yīng)力值的作用至關(guān)重要。所以，當(dāng)變形速率較高時(shí)，B鋼的變形抗力高于A鋼，但相比較變形速率為0.01 s-1時(shí)，差值要低。

3.2 高溫?zé)嶙冃芜^程的基本方程

鋼在等溫條件下變形，應(yīng)力—應(yīng)變曲線由變形溫度、變形速率通過Z參數(shù)決定［1-2］，即：

式中：Qd為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.31 J/（mol·K）；T為絕對溫度，K。

據(jù)文獻(xiàn)［3-4］，Z因子與σp的關(guān)系可以表示為：

式中a、b為常數(shù)。由式（1）、（2）可得：

對式（3）兩邊取對數(shù)：

整理式（4）得：

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖2、圖3。經(jīng)過回歸得出b、Qd值，從而得到a值。0.19%釩的加入，使試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能提高了～6%，說明釩的加入對試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有推遲作用。微合金元素釩對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的推遲作用主要來自于固溶釩原子的拖曳作用。

從而可得到：

圖2 峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系

圖3 峰值應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系

3.3 釩對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界值的影響

Poliak和Jonas認(rèn)為高溫?zé)嶙冃问且粋€(gè)熱力學(xué)不可逆過程，考慮了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的能量和動(dòng)力學(xué)臨界條件，確定臨界應(yīng)力和應(yīng)變［5］。根據(jù)此方法求得的A鋼和B鋼的臨界應(yīng)力、臨界應(yīng)變和峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變的大小及比值如圖4、圖5所示。

圖4 A鋼應(yīng)力應(yīng)變臨界量與峰值量的關(guān)系

圖5 B鋼應(yīng)力應(yīng)變臨界量與峰值量的關(guān)系

由圖4、圖5可以看出，隨著Z參數(shù)的增大，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的臨界應(yīng)變量和臨界應(yīng)力值均呈增大的趨勢，峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)力也隨之增大。結(jié)合式（6），當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著變形溫度的升高，Z值降低，則發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的臨界應(yīng)變量降低；當(dāng)變形溫度一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的減小，Z值減小，則發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的臨界應(yīng)變量降低。換言之，Z值越小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越容易發(fā)生。最終得出A鋼的σc/σp和εc/εp分別為0.88和0.545；B鋼的σc/σp和εc/εp分別為0.89和0.553?？梢姡砑?.19%釩，使σc/σp和εc/εp值均有所提高。

通過回歸，可得到試驗(yàn)鋼的峰值應(yīng)力和臨界應(yīng)力、峰值應(yīng)變和臨界應(yīng)變與lnZ的關(guān)系為：

4 結(jié)論

4.1 無釩鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能為304.3 kJ/mol，含釩鋼為322.7 kJ/mol。添加0.19%釩，由于固溶釩原子的拖曳作用，使試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能提高～6%，同時(shí)推遲了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

4.2 建立了低硅含磷系TRIP鋼的本構(gòu)關(guān)系，通過回歸得到無釩鋼和含釩鋼的峰值應(yīng)力和臨界應(yīng)力、峰值應(yīng)變和臨界應(yīng)變與lnZ的關(guān)系。添加0.19%釩，使σc/σp和εc/εp值均有所提高。

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Effect of Vanadiumon Hot Deformation Behavior of Low Silicon Containing PhosphorusTRIP Steel

HOU Xiaoying
（The Technology Center of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

The variation law of high-temperature flow curves under different deformation temperature and strain rate for a low-silicon TRIP steel containing phosphorus was analyzed.The constitutive equations were established and the effect of vanadium was studied. The results showed that adding 0.19%V,the deformation activation energy was increased by max 6%because of the drag effect of V in solid solution;the dynamic recrystallization was retarded and the ratios of εc/εpand σc/σpwere all increased.The equation of describing the Zener-Hollomn formula for tested steel was derived.Linear equations between σc,σp,εc,εpand lnZ were established through regression analysis,respectively.

TRIP steel;hot deformation;dynamic recrystallization;vanadium;phosphorus

TG115.2

：A

：1004-4620（2014）01-0025-03

2013-11-18

侯曉英，女，1982年生，2012年畢業(yè)于東北大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)，博士?，F(xiàn)為萊鋼技術(shù)中心工程師，從事新產(chǎn)品開發(fā)工作。