低合金鋼Q345E靜態(tài)再結(jié)晶模型研究

李 佳 張秀芝 劉建生

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

低合金鋼Q345E靜態(tài)再結(jié)晶模型研究

李 佳 張秀芝 劉建生

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

利用Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345E進(jìn)行高溫雙道次熱壓縮試驗(yàn)，研究不同變形參數(shù)下Q345E鋼在變形奧氏體區(qū)的軟化行為，分析各變形參數(shù)對(duì)該鋼靜態(tài)軟化的影響。通過采用0.2%應(yīng)力補(bǔ)償法計(jì)算得到靜態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)，確定了Q345E鋼的靜態(tài)再結(jié)晶激活能，建立了靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程和晶粒尺寸演變模型。

Q345E鋼;靜態(tài)再結(jié)晶;動(dòng)力學(xué)方程;晶粒尺寸模型

Q345E是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，廣泛用于船舶、鍋爐、壓力容器、風(fēng)電設(shè)備、石油儲(chǔ)罐、橋梁、鐵路運(yùn)輸、工程機(jī)械、車輛及輕化工設(shè)備等各類低溫環(huán)境下使用的工程結(jié)構(gòu)件［1］，要求其有很好的力學(xué)性能，而材料的力學(xué)性能又主要取決于微觀組織結(jié)構(gòu)，因此研究材料熱加工過程中的微觀組織結(jié)構(gòu)可以有效地優(yōu)化材料加工工藝參數(shù)。

在高溫?zé)岢尚芜^程中，金屬材料內(nèi)部會(huì)同時(shí)發(fā)生加工硬化和回復(fù)、再結(jié)晶軟化兩個(gè)過程。再結(jié)晶方式存在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶，而靜態(tài)再結(jié)晶也是加工過程中的一個(gè)重要的軟化方式。在變形量小于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變量的情況下，材料會(huì)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，以優(yōu)化工件內(nèi)部的微觀組織狀態(tài)［2～3］。因此，研究材料在成形過程中的再結(jié)晶的規(guī)律對(duì)于控制熱加工時(shí)的組織與性能具有重要意義。

本文主要研究Q345E鋼在鍛態(tài)條件下奧氏體區(qū)的靜態(tài)再結(jié)晶軟化行為，確定Q345E鋼的靜態(tài)再結(jié)晶的激活能，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程和晶粒尺寸模型，為制定合理的熱加工工藝提供了試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所用材料取自Q345E鋼鍛坯，試樣為?8 mm×12 mm圓柱形試樣，材料的主要化學(xué)成分見表1。實(shí)驗(yàn)在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用雙道次壓縮試驗(yàn)，測(cè)試真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。試驗(yàn)時(shí)將試樣以10℃/s的速度加熱到1 200℃，保溫180 s后以5℃/s的冷卻速度降低到各形變溫度(分別為950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃)，保溫60 s以保證試樣內(nèi)部溫度的均勻，然后進(jìn)行雙道次壓縮變形，變形過程中溫度保持恒溫。應(yīng)變速率分別為0.01s-1、0.1s-1、0.5s-1、1s-1，兩道次的變形量均為20%。壓縮過程在真空氣氛下，試樣兩端加放鉭片，以減少摩擦對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的影響。雙道次壓縮熱模擬工藝如圖1所示。

表1 試樣主要的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 M ain chem ical compositions of the samp le (mass fraction，%)

圖1 雙道次壓縮試驗(yàn)過程示意圖Figure 1 Diagram of double-pass hot compression test process

圖2 靜態(tài)再結(jié)晶雙道次壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 The diagram of static recrystallization stress-strain in double-pass compression experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2 (a)可知，在相等的間隔時(shí)間內(nèi)，變形溫度越高，材料的流變應(yīng)力越低，這說明靜態(tài)再結(jié)晶軟化百分?jǐn)?shù)隨溫度升高而增加。由圖2(b)可知，在相同變形條件下，隨著道次間隔時(shí)間的增加，流變應(yīng)力相應(yīng)有所降低。在間隔時(shí)間為5 s時(shí)降幅較大，大于5 s時(shí)流變應(yīng)力變化很小，這說明在1 000℃和間隔時(shí)間5 s內(nèi)材料發(fā)生了比較充分的靜態(tài)再結(jié)晶軟化。

2.2 靜態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)

靜態(tài)再結(jié)晶的研究方法一般是采用雙道次壓縮試驗(yàn)，主要是通過兩道次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算獲得的靜態(tài)再結(jié)晶軟化率來判斷材料的靜態(tài)再結(jié)晶軟化行為。軟化率的計(jì)算方法主要有:屈服應(yīng)力的0.2%補(bǔ)償法、2%補(bǔ)償法，總應(yīng)力的5%補(bǔ)償法、后插法、平均應(yīng)力法及面積法等方法［4～8］。由于0.2%補(bǔ)償法所得到的數(shù)據(jù)誤差比其他幾種方法小，因此本文采用屈服應(yīng)力的0.2%補(bǔ)償法處理。0.2%補(bǔ)償法的軟化率Fs由下式測(cè)定:

式中，σm為第一次加載結(jié)束時(shí)的應(yīng)力;σ1、σ2分別為第一次、第二次加載時(shí)的屈服應(yīng)力。由于靜態(tài)軟化包括靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶，所以通常定義靜態(tài)再結(jié)晶在Fs=0.2時(shí)開始［9］。靜態(tài)再結(jié)晶體積百分?jǐn)?shù)為:

2.3 靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)

對(duì)于鋼中奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型的研究，一般采用方程來描述:

式中，n為常數(shù);t0.5為靜態(tài)再結(jié)晶率達(dá)到50%的時(shí)間;C=-0.693。對(duì)式(3)兩邊取自然對(duì)數(shù)，得到:

XSrex-ln t關(guān)系見圖3。

圖3 XSrex-ln t關(guān)系Figure 3 The relationship between XSrexand ln t

對(duì)于某種具體的材料或者變形參數(shù)，t0.5和n是定值，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性回歸，做出ln( l n() )-ln t的關(guān)系圖(圖4)，可得到n的平均值:=0.335。

圖4 ln( l n())-ln t的關(guān)系Figure 4 The relationship between ln( l n() )and ln t

圖5 ln t0.5-1000/T關(guān)系Figure 5 The relationship between ln t0.5and 1000/T

2.4 靜態(tài)再結(jié)晶激活能QSrex的確定

靜態(tài)再結(jié)晶量達(dá)到50%所用時(shí)間可以用以下公式描述:

當(dāng)ε＜εc時(shí)，

其中，A、a1、a2、a3為材料常數(shù);ε為真應(yīng)變;ε·為應(yīng)變速率(s-1)，R為氣體常數(shù)(J/mol·K);T為絕對(duì)溫度(K);QSrex為靜態(tài)再結(jié)晶激活能(J/ mol);d0為材料的初始晶粒尺寸(μm)。

對(duì)式(5)兩邊取自然對(duì)數(shù)，得到:

由式(6)可知，ln t0.5與1000/T呈線性關(guān)系。利用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，可以得到ln t0.5與1/T之間的關(guān)系，如圖5所示。得出靜態(tài)再結(jié)晶激活能QSrex=185.330kJ/mol。

2.5 靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型［10～11］

靜態(tài)再結(jié)晶過程中，由于道次間間隔時(shí)間對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶的影響較小，因此靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型可由下式描述:

對(duì)式(7)兩邊取自然對(duì)數(shù)，得到:

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)系數(shù)進(jìn)行線性回歸，得到:

A1=327.72，a4=0.489 2，a5=-0.664 6，a6=-0.076 1，Q=-59 701.14 J/mol。

得到的靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型為:

3 結(jié)論

(1)在同等的間隔時(shí)間內(nèi)，材料的變形溫度越高，其流變應(yīng)力越低，即靜態(tài)再結(jié)晶軟化百分?jǐn)?shù)隨溫度升高而增加。在相同變形條件下，隨著道次間隔時(shí)間的增加，流變應(yīng)力相應(yīng)有所降低，間隔時(shí)間15 s內(nèi)材料發(fā)生了比較充分的靜態(tài)再結(jié)晶軟化。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了Q345E鋼的靜態(tài)再結(jié)晶激活能，建立了靜態(tài)再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)方程和靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型。

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編輯 杜青泉

Static Recrystallization Models of Low-alloy Q345E Steel

Li jia，Zhang Xiuzhi，Liu Jiansheng

High-temperature double-pass compression was conducted on Q345E high strength low alloy(HSLA) steel by using Gleeble-1500D thermal stimulator，in order to analyze the softening behaviour of deformed austenite of Q345E steel under different parameters and the influence of these parameters on the static softening process.By adopting 0.2%stress compensationmethod，the recrystallized percentage was defined，the static recrystallization activation energy of Q345E was also determined，the kineticsmodel of static recrystallization aswell as themodel of grain size evolution were established.

Q345E steel;static recrystallization;kineticsmodel;grain sizemodel

TG111.7

A

2013—04—07

太原市科技項(xiàng)目(編號(hào):120224)。

李佳(1986—)，男，碩士研究生，主要研究方向是大型鍛造理論與新技術(shù)。劉建生，男，教授，博士生導(dǎo)師。