鑄態(tài)50Cr5MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶行為分析

王耀琨 杜 佳 陳 陽 李釗庫

(中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西711711)

鑄態(tài)50Cr5MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶行為分析

王耀琨 杜 佳 陳 陽 李釗庫

(中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西711711)

采用Gleeble-3800熱模擬實驗機對鑄態(tài)50Cr5MoV鋼進行熱壓縮實驗，研究其在變形溫度為900℃、950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃和應(yīng)變速率為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1條件下的動態(tài)再結(jié)晶行為。結(jié)果表明：鑄態(tài)50Cr5MoV鋼在熱變形過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，且隨著應(yīng)變速率的降低以及變形溫度的升高，動態(tài)再結(jié)晶越容易發(fā)生。

鑄態(tài)50Cr5MoV鋼；動態(tài)再結(jié)晶；本構(gòu)方程；臨界應(yīng)變模型

軋輥是軋機的重要設(shè)備，由于軋機特殊的工作環(huán)境，要求軋輥必須具有良好的耐磨性、高屈服強度和抗剝落性能，輥頸具備高強韌性和抗斷裂性能。50Cr5MoV鋼是繼第一代2%Cr材質(zhì)、第二代3%Cr材質(zhì)之后研發(fā)出的第三代鍛輥用鋼，其淬透性、疲勞強度以及抗事故性能均比第一代、第二代材質(zhì)有明顯提高，已逐漸成為現(xiàn)代化板帶軋機軋輥的主要用鋼，并將在較長一段時間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。

動態(tài)再結(jié)晶是金屬熱加工生產(chǎn)過程中控制組織與性能的有效手段之一[3-4]。動態(tài)再結(jié)晶使得50Cr5MoV鋼在熱鍛成型過程中的微觀組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，通過調(diào)節(jié)熱鍛工藝，可以細化奧氏體組織，優(yōu)化材料的力學(xué)性能，從而提高50Cr5MoV軋輥的使用壽命。本文利用Gleeble-3800熱模擬機對鑄態(tài)50Cr5MoV軋輥鋼進行高溫壓縮試驗，研究其動態(tài)再結(jié)晶行為，并建立了動態(tài)再結(jié)晶模型，為制定合理的鍛造工藝提供理論依據(jù)，從而優(yōu)化鍛鋼軋輥的綜合性能。

1 實驗材料及方法

本實驗所用設(shè)備為Gleeble-3800熱力模擬實驗機，實驗材料為50Cr5MoV軋輥鋼(鑄錠)，其化學(xué)成分如表1。

表1 50Cr5MoV軋輥鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 50Cr5MoV roll steel (mass fraction, %)

從鑄錠上截取樣品，制成?10 mm×15 mm的圓柱型試樣，在Gleeble-3800型熱模擬機上進行壓縮實驗。以10℃/s速度將試樣加熱至1 150℃以便奧氏體化，進行3 min保溫，然后將試樣以10℃/s的冷速分別冷卻至900℃、950℃、1 000℃、1 050℃和1 100℃，為了消除試樣內(nèi)部的溫度差，樣品保溫20 s，進行壓縮變形，變形量按70%控制，變形速率分別按照0.01 s-1、0.1 s-1和1 s-1進行控制。實驗過程中記錄應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，變形后的樣品立即淬火，將奧氏體組織固定到室溫。實驗過程如圖1所示。

2 實驗結(jié)果與分析

通過壓縮變形過程所記錄的數(shù)據(jù)，采用Origin繪圖軟件對數(shù)據(jù)進行處理，可以得到50Cr5MoV軋輥鋼在不同實驗條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖1 實驗鋼熱模擬實驗工藝Figure 1 The thermal simulation process of tested steel

(a)

(b)

(c)圖2 50Cr5MoV軋輥鋼的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 The true stress-strain curve of 50Cr5MoV roll steel

由圖2可知，50Cr5MoV鋼流變應(yīng)力受溫度及應(yīng)變速率的影響顯著。在變形開始階段，隨著形變量的不斷增加，流變應(yīng)力以較快的速度增大。分析認為，在變形開始階段，形變量增加，位錯發(fā)生了滑移等運動，位錯運動引起的軟化作用不足以抵消位錯密度增加所導(dǎo)致的硬化作用，因此，流變應(yīng)力迅速增加，形變強化作用顯著[5]。后續(xù)變形的曲線呈現(xiàn)兩種不同的主導(dǎo)軟化態(tài)勢，即動態(tài)再結(jié)晶(DRX)和動態(tài)回復(fù)(DRV)。

在0.01 s-1～0.1 s-1的低應(yīng)變速率條件下，如圖2(b)所示，流變曲線具有明顯的應(yīng)力峰值，說明壓縮變形過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，隨著動態(tài)再結(jié)晶程度的不斷增大直至發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，位錯增值所引起的加工硬化與位錯運動、位錯脫釘?shù)纫鸬膭討B(tài)軟化達到動態(tài)平衡，變形進入了穩(wěn)態(tài)流動階段[5]。

在1 s-1的較高的應(yīng)變速率條件下，如圖2(c)中溫度為900℃的曲線，應(yīng)力到達一定程度后，隨著應(yīng)變量的增加，流變應(yīng)力趨于平穩(wěn)，為動態(tài)回復(fù)型軟化。這是因為加工硬化率不是隨著變形程度的增加而一直增大，在材料發(fā)生加工硬化的同時，變形產(chǎn)生的位錯能夠通過交滑移和攀移等方式運動，使部分位錯消失，部分位錯重排，從而造成金屬材料的回復(fù)軟化。這種情況下，整個軟化過程由動態(tài)回復(fù)控制[6]。

當應(yīng)變速率一定時，動態(tài)再結(jié)晶行為隨著變形溫度的升高越明顯，而最大流變應(yīng)力相應(yīng)降低。因為變形溫度升高增強了變形的熱激活作用，晶界可動性也增強，有利于動態(tài)再結(jié)晶形核和晶粒長大以及位錯湮滅，這將會降低流變應(yīng)力[7]。當變形溫度一定時，再結(jié)晶晶粒形核和長大時間隨著應(yīng)變速率的降低變得更為充分，動態(tài)再結(jié)晶進行得越充分。同樣位錯之間的交互作用導(dǎo)致位錯密度急劇增加，增加了變形儲存能，從而引起再結(jié)晶的臨界溫度的降低，動態(tài)再結(jié)晶程度也相應(yīng)增加。

3 動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型

3.1 熱變形本構(gòu)關(guān)系模型

研究表明，金屬材料的高溫流變應(yīng)力既與成分有關(guān)，又與形變溫度和應(yīng)變速率有關(guān)，在材料的成分不變時，采用Arrhenius雙曲正弦函數(shù)描述50Cr5MoV鋼的本構(gòu)關(guān)系[8]：

C.M.Sellars和W.J.M.Tegart提出并實驗驗證了熱變形條件，通?？梢杂脺囟妊a償?shù)膽?yīng)變速率因子Zener-Hollomon參數(shù)Z來表示，Z參數(shù)可用下式表示[9]：

根據(jù)應(yīng)力條件高低的不同，式(1)可以簡化為以下兩種方式：

其中，系數(shù)α、β及n1之間滿足α=β/n1。

因此，可以通過式(3)和式(4)確定α值。根據(jù)文獻的求解方法[10]，可得α=0.007 7。

當對式(1)進行Tayler級數(shù)展開時發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)力條件下較為接近式(3)，在高應(yīng)力條件下接近式(4)，因而采用式(1)基本能適用于描述整個應(yīng)力范圍的熱變形過程，且眾多研究結(jié)果[11-12]表明，式(1)能夠較好地描述金屬材料的常規(guī)熱變形過程。

對式(1)進行變換處理可得：

對式(5)兩邊取對數(shù)并求偏微分，可得熱變形激活能Qdef的表達式：

經(jīng)過計算，可得50Cr5MoV鋼熱變形激活能Qdef=333.47kJ/mol，b=5 689.33，n=7.05。因此，50Cr5MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型為：

(7)

熱變形過程中，通過對lnZ和ln[sinh(ασp)]進行線性擬合(見圖4)，可求得lnA=28.11。結(jié)合圖4、式(7)，50Cr5MoV鋼的高溫?zé)嶙冃伪緲?gòu)方程可表示為：

(8)

圖4 ln[sinh(ασp)]與lnZ的關(guān)系圖Figure 4 The relationship between ln[sinh(ασp)] and lnZ

3.2 動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型

動態(tài)再結(jié)晶是否發(fā)生，通常用臨界應(yīng)變量(εc)來判斷，只有形變量大于εc時，才會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶[13]。因此，準確地確定臨界應(yīng)變量εc，對研究熱變形工藝參數(shù)尤為重要。在以往的科研工作中，研究人員提出了許多數(shù)學(xué)模型用于預(yù)測動態(tài)再結(jié)晶開始的臨界條件[5,14]。Poliak和Jone等人提出了計算動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變的方法，可由下式表示：

式中，θ表示加工硬化率，θ=dσ/dε。

動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生時的臨界應(yīng)變點由(-dθ/dε)-ε關(guān)系曲線確定。而Najafizadeh-Jonas對以上方法做了簡化，通過lnθ-ε曲線分析法確定臨界應(yīng)變。在本研究工作中，采用類似Najafizadeh-Jonas的方法，通過對lnθ-ε曲線的三次多項式擬合來確定拐點的方法來確定動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變(εc)[15]。該多項式如下：

式中，A1、A2、A3、A4為相應(yīng)變形條件下的常數(shù)。

在動態(tài)再結(jié)晶開始時的臨界應(yīng)變處，有下式成立：

可得：

由于實驗鋼的實際流變應(yīng)力曲線并不是數(shù)學(xué)意義上的光滑曲線，很難直接測量或計算出加工硬化率θ，因此，先將應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行九次多項式函數(shù)進行擬合，再進行微分運算。變形溫度1 000℃，變形速率分別為0.01s-1、0.1s-1、1s-1時的lnθ-ε曲線及其三次多項式擬合值如圖5，圖中箭頭所指拐點為開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界點(εc)。從圖中能夠看出，實驗值和計算值吻合度較高，說明三次多項式擬合可以描述加工硬化率與應(yīng)變之間的關(guān)系。

通過式(12)可以計算變形條件為1 000℃、應(yīng)變速率0.01s-1、0.1s-1、1s-1時的εc分別為0.095、0.119和0.164。根據(jù)峰值應(yīng)變，可求得對應(yīng)的εc/εp值分別為0.511、0.511和0.524。通過以上方法，統(tǒng)計不同應(yīng)變條件時的εc和εp(表2)?？汕蟮忙與/εp的平均值如下：

根據(jù)臨界應(yīng)變、峰值應(yīng)變數(shù)據(jù)及Z參數(shù)的計算結(jié)果，繪制50Cr5MoV鋼動態(tài)再結(jié)晶lnεp-lnZ和lnεc-lnZ的關(guān)系曲線圖(圖6)。可以觀察到，Z參數(shù)可以反映臨界應(yīng)變與變形條件之間的規(guī)律，且lnε與lnZ呈現(xiàn)較好的線性吻合。通過線性擬合得到動態(tài)再結(jié)晶臨界模型如下：

圖5 加工硬化率與應(yīng)變關(guān)系曲線及其三次多項式擬合結(jié)果Figure 5 The relation curve between work hardening ratesand strains and its three times polynomial fitting results

溫度℃0.01s-10.1s-11s-1εcεpεc/εpεcεpεc/εpεcεpεc/εp9009501000105011000.1070.0980.0950.0820.0760.2050.1910.1860.1550.1510.5220.5130.5110.5290.5030.1350.1260.1190.1080.0950.2650.2450.2330.2120.1910.5090.5140.5110.5090.4970.2110.1720.1640.1420.1280.4250.3430.3130.2770.2550.4960.5010.5240.5130.502

圖6 lnεp-lnZ和lnεc-lnZ的關(guān)系Figure 6 The relationship between lnεp-lnZ and lnεc-lnZ

3.3 動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型

動態(tài)再結(jié)晶過程中，變形工藝對再結(jié)晶晶粒尺寸影響很大。當溫度升高時，位錯的運動比低溫時更容易發(fā)生，這有利于動態(tài)再結(jié)晶的形核與晶粒長大[16]。動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸Ddrex正比于Z參數(shù)的指函數(shù)[17]，其表達式為：

其中，C、a為與材料有關(guān)的常數(shù)。

利用Image tool軟件，統(tǒng)計了完全動態(tài)再結(jié)晶時的晶粒尺寸，計算其平均值(表3)，將不同變形條件下測得的晶粒尺寸d代入式(16)，進行回歸處理(圖7)，得到不同變形參數(shù)下再結(jié)晶晶粒尺寸lnDdrex與lnZ呈線性關(guān)系，從而求得C=2.64×103，a=-0.159。得出再結(jié)晶晶粒尺寸與變形參數(shù)之間的模型為：

Ddrex=2.64×103Z-0.159 (17)

圖7 lnDdrex與lnZ的關(guān)系Figure 7 The relationshop between lnDdrex and lnZ

4 結(jié)論

(1)通過熱模擬壓縮變形實驗，可知50Cr5MoV鋼存在動態(tài)再結(jié)晶，并且隨著應(yīng)變速率的降低，形變溫度的升高，動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變量越小，峰值應(yīng)力越大，再結(jié)晶造成的軟化越明顯。

(2)對熱壓縮實驗數(shù)據(jù)進行分析，得到50Cr5MoV軋輥鋼的動態(tài)再結(jié)晶激活能為333.47 kJ/mol。

(3)通過對鑄態(tài)50Cr5MoV鋼的動態(tài)再結(jié)晶行為研究，建立了動態(tài)再結(jié)晶本構(gòu)方程、動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變模型以及動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型，為大型鍛鋼軋輥的成型工藝奠定理論基礎(chǔ)。

[1] 俞誓達,陳菡.我圍軋輥業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展中應(yīng)注意的問題[J]. 鋼鐵.2007,42(7):1.

[2] 武建平,賈建平,王自東.V-N微合金化含鎢改進型50Cr5MoVW冷軋工作輥用鋼[J].特殊鋼,2007,28(5):40.

[3] Alexander T, Piotr W, Mihaela A. Modelling the dynamic recrystallization in C-Mn micro-alloyed steel during thermo-mechanical treatment using cellular automata[J] .Computational Materials Science,2014,94:85-94.

[4] 向嵩,譚智林. Q690低碳微合金鋼熱變形微觀組織演變及加工圖[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013, 40(4):80-86.

[5] Cao Yu,Di Hong-shuang,Zhang Jin-qi. Research on hot deformation behavior and hot work ability of alloy 800H[J].Acta Metallurgica Sinica, 2013, 7 (49):811-821.

[6] 易嘯. 2Cr13鋼熱變形行為研究[D]. 沈陽: 東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院, 2012 :21-23.

[7] Mcqueen H J,Ryan N D.Constitutive analysis in hot working[J]. Materials Science and Engineering A, 2002, 322:43-46.

[8] Naderi M, Durrenberger L, Bleck W. Constitutive relationships for 22MnB5 boron steel deformed isothermally at high temperatures[J].Materials Science and Engineering, 2008; A478:130.

[9] Zener C, Hollomon J H. Effect of strain-rate upon the plastic flow of steel[J]. J Appl Phys, 1944, 15(1): 22-27.

[10] Mahmoud R, Ghandehari F, Davood N. Modeling the high temperature flow behavior and dynamic recrystallization kinetics of a medium carbon microalloyed steel[J]. ASM International, 2014, 23:1077-1087.

[11] 馬博, 彭艷,劉云飛. 低合金鋼Q345B動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型[J].材料熱處理學(xué)報, 2010, 31(4): 141-147.

[12] Imbert C A C, Mcqueen H J. Peak strength strain hardening and dynamic restoration of A2 and M2 tool steels in hot deformation[J]. Materials Science and Engineering A, 2001, 313:88-103.

[13] Quan Guo-zheng, Zhao Lei, Shi Yu. An identification and characterization for the dynamic recrystallization critical conditions of Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V alloy[J]. Journal of Functional Materials, 2012, 43(2):222-226.

[14] Fen Di,Zhang Xin-ming,Liu Sheng-dan. Rate controlling mechanisms in hot deformation of 7A55 aluminum alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24:28-35.

[15] Jonas J J,Qujelennec X,Jiang L. Theavrami kinetics of dynamic recrystallization[J]. Acta Materialia,2009,57( 9) : 2748-2756.

[16] 余永寧.金屬學(xué)原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[17] Wahabi M E,Cabrera J M,Prado J M.Hot working of two AISI 304 steels: a comparative study[J]. Materials Science and Engineering A,2003,343: 116-125.

編輯 杜青泉

Analysis of Dynamic Recrystallization Behaviour of As-cast 50Cr5MoV Steel

Wang Yaokun, Du Jia, Chen Yang, Li Zhaoku

By using Gleeble-3800 thermomechanical simulator, the hot compression test for as-cast 50Cr5MoV steel has been carried out. Under conditions of the deformation temperature of 900℃, 950℃, 1 000℃, 1 050℃ and 1 100℃ and the strain rate of 0.01 s-1, 0.1 s-1, 1 s-1, the dynamic recrystallization behaviour of steel has been studied. The results show that the dynamic recrystallization appears during the hot deformation process of as-cast 50Cr5MoV steel. And the dynamic recrystallization is more likely to appear along with the reducing of the strain rate and the increasing of the deformation temperature.

as-cast 50Cr5MoV steel; dynamic recrystallization; constitutive equation; critical strain model

2016—09—01

王耀琨(1964—)男，本科，高級工程師。

TG111.7

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