FH40高強度船板鋼再結(jié)晶行為研究

顧大慶，麻 衡

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟南271104）

1 前言

鋼在奧氏體區(qū)變形過程中的組織變化規(guī)律是控軋理論的基礎(chǔ)［1-3］。奧氏體再結(jié)晶區(qū)反復(fù)的再結(jié)晶過程可使晶粒得到明顯細化；奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的變形可得到形變奧氏體晶粒，不僅增加了奧氏體晶界的面積，還增加了位錯、變形帶、空位以及形變孿晶等缺陷，這些缺陷的存在增加了冷卻過程中奧氏體/鐵素體相變的形核位置，從而有利于鐵素體的晶粒細化［4-6］。因此，奧氏體區(qū)的變形過程對鋼控軋具有重要意義。

FH40高強船板鋼含有Nb、Ti等微合金元素，因此在奧氏體區(qū)變形除再結(jié)晶和未再結(jié)晶兩個基本過程之外，還具有如下特點［7-9］：一是在軋制過程中抑制奧氏體的再結(jié)晶，且奧氏體未再結(jié)晶區(qū)存在的范圍較寬；二是在一定的條件下會發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)相變。因此，針對奧氏體區(qū)變形過程的特點，研究不同變形量及溫度下FH40高強船板鋼奧氏體再結(jié)晶規(guī)律，對于指導(dǎo)試驗鋼的控軋工藝具有重要意義。

2 試驗材料及方法

FH40采用低碳設(shè)計，同時添加Ni、Nb、Ti等合金元素以提高鋼板強度和韌性。試驗鋼熔煉化學(xué)成分如表1所示。

表1 FH40高強度船板鋼的熔煉成分（質(zhì)量分數(shù)）%

試驗鋼熔煉后加工成120 mm×18 mm×（8～18）mm的六階梯型試樣，以保證同一溫度下進行不同變形量的軋制。各階梯軋制的變形量依次為10%、20%、30%、40%、50%、60%，軋后厚度均為7.2 mm，在軋后的階梯型試樣的各個臺階上切取金相試樣時，除變形量外，切下的金相試樣具有一致的加熱及軋制條件。在試樣的端部加工有小圓孔用于焊接測溫熱電偶。試樣如圖1示。

圖1 階梯試樣尺寸簡圖

將試樣端部焊接鎳-鉻電偶并外接數(shù)顯溫度計，測量和控制試樣的加熱溫度及開軋溫度。試樣采用箱式魯聯(lián)HX76型電阻加熱爐，階梯試樣加熱溫度為1200℃，保溫15 min，開軋溫度分別為1150、1100、1050、1000、950、900、850℃。沿軋制方向可獲得10%～60%的不同變形量，試樣軋后立即淬水，具體試驗方案如表2所示。試驗在萊鋼技術(shù)中心Φ750×550 mm二輥可逆式熱軋機上進行。

表2 FH40高強船板鋼奧氏體再結(jié)晶規(guī)律研究試驗方案

7個試樣經(jīng)軋制后均沿臺階中心縱向切割，再切取每一個臺階，取軋制方向面預(yù)磨、拋光后腐蝕原始奧氏體晶界。腐蝕液由過飽和的苦味酸水溶液和少量洗滌劑組成，其中洗滌劑量約為過飽和苦味酸溶液中的水的1/5～1/6。將混合溶液在水浴中加熱到95℃左右，然后將拋光的金相試樣進行腐蝕，以顯示原奧氏體晶界。在光學(xué)顯微鏡下觀察腐蝕后的金相試樣并測定奧氏體晶粒的再結(jié)晶百分數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

鋼在熱軋過程中通過不斷的再結(jié)晶可顯著細化奧氏體晶粒。由于完全再結(jié)晶取決于一定的溫度及變形條件，所以在不同工藝參數(shù)條件下奧氏體再結(jié)晶程度不同，晶粒細化效果也有差異。試驗鋼不同工藝條件下組織及再結(jié)晶百分數(shù)規(guī)律如下。

3.1 金相組織形貌

圖2為1150℃軋制時不同變形率所對應(yīng)的金相組織。

圖2 1150℃軋制時不同變形量對應(yīng)的金相組織

當變形量＜30%時，盡管軋制溫度較高，但再結(jié)晶百分數(shù)較低，奧氏體只能進行部分再結(jié)晶，晶粒較大變形量時粗大且均勻性差，如圖2中a、b、c所示。當變形量為40%時，再結(jié)晶百分數(shù)約90%（圖2d），由于變形量較大，在1150℃軋制時，奧氏體發(fā)生了完全再結(jié)晶，晶粒細小、均勻，可細至20 μm左右，如圖2e與f所示。

圖3為850℃低溫軋制時不同變形量所對應(yīng)的金相組織。低溫小變形時（變形量＜30%），晶粒處于未再結(jié)晶狀態(tài)（圖3a、b、c）；低溫大變形后，大部分晶粒仍然保持被拉長或壓扁的畸變狀態(tài)，沒有發(fā)生再結(jié)晶，部分晶粒再結(jié)晶為等軸狀，如圖3中d、e、f所示。綜上可知，在軋制溫度低且變形量較小的情況下，試驗鋼組織幾乎沒有發(fā)生再結(jié)晶，晶粒粗大且保持畸變狀態(tài)。

圖3 850℃軋制時不同變形量對應(yīng)的金相組織

3.2 變形量對奧氏體再結(jié)晶的影響

圖4為試驗鋼在不同軋制溫度下奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)（Xr）與變形量（ε）的關(guān)系，由圖可知，在相同的溫度條件下，奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)隨著相對變形量的增加而增加。當變形溫度≤900℃，奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)Xr增加比較緩慢；變形溫度≥950℃且ε≤40%時，Xr增加明顯加快；而當ε≥40%時，Xr增加趨于平緩。呈現(xiàn)這種規(guī)律的主要原因是奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)與晶粒內(nèi)儲存能，當時間一定時，再結(jié)晶百分數(shù)的多少主要取決于再結(jié)晶的形核速率和晶核的長大速率，而形核速率和長大速率均與變形量有關(guān)，變形量增加時，晶粒變形加劇，晶內(nèi)缺陷增多，形核率增加；同時晶?；兪箖Υ婺茉黾?，促進了再結(jié)晶的發(fā)生。

圖4 不同軋制溫度下奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)（X r）與變形量（ε）的關(guān)系

3.3 變形溫度對奧氏體再結(jié)晶的影響

變形溫度對奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)的影響規(guī)律如圖5示。由圖5可知，隨著溫度的升高，奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)增加。變形量為40%、50%、60%的奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)在1000℃之前隨溫度增加急劇增加，1000～1150℃增加較為平緩；當變形量低于30%時，即使在1150℃時軋制也達不到完全再結(jié)晶狀態(tài)，奧氏體只發(fā)生了部分再結(jié)晶。FH40高強船板鋼同普通的C—Mn鋼相比，再結(jié)晶明顯受到抑制，這主要受鋼中Nb、Ti等合金元素影響，這些合金元素的溶質(zhì)及其碳氮化物的析出抑制了奧氏體的再結(jié)晶。

圖5 不同變形量下奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)（X r）與變形溫度（T）的關(guān)系

3.4 再結(jié)晶區(qū)域圖

根據(jù)試驗結(jié)果和以上分析作FH40高強度船板鋼的再結(jié)晶區(qū)域圖（見圖6）。圖6中以形變奧氏體的再結(jié)晶百分數(shù)＜10%和＞90%作為判別未再結(jié)晶區(qū)、部分再結(jié)晶區(qū)和完全再結(jié)晶區(qū)的界限。

圖6 FH40高強度船板的形變奧氏體再結(jié)晶區(qū)域圖

普通C—Mn鋼在1000℃變形量為30%時即可發(fā)生完全再結(jié)晶，而試驗鋼在1000℃、變形量為40%時才發(fā)生完全再結(jié)晶，這主要是因為鋼中的Nb、Ti等微合金元素延遲了再結(jié)晶［10-11］。鋼中加入微合金元素Nb、Ti時，Nb、Ti原子的固溶阻塞及拖曳作用及其碳氮化物的動態(tài)析出，顯著阻滯了形變奧氏體的再結(jié)晶。

隨溫度降低，再結(jié)晶速度減緩，試驗鋼在900℃以下軋制且變形量低于30%時，奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)降至20%以下；當變形量高于30%時，變形促進了再結(jié)晶，降低了析出驅(qū)動力，析出過程在更低的溫度才能下進行，即隨著形變量增大，析出溫度向低溫側(cè)移動。所以變形量大于30%時，奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)增加比較快。850℃以下基本不發(fā)生再結(jié)晶，此時隨著溫度的降低，析出增多，合金元素的析出物較合金元素的溶質(zhì)原子在析出之前延遲熱形變奧氏體的再結(jié)晶作用更加強烈。

4 結(jié) 語

變形溫度及變形量對奧氏體再結(jié)晶數(shù)量以及晶粒大小的影響規(guī)律：

（1）在變形量ε＜20%或ε＞40%的條件下，由于形變奧氏體發(fā)生再結(jié)晶的數(shù)量較少或已經(jīng)大部分發(fā)生了再結(jié)晶，溫度的變化對再結(jié)晶數(shù)量以及晶粒尺寸的影響較小；變形量為20%～40%時，形變奧氏體處于部分再結(jié)晶區(qū)，溫度的變化直接影響再結(jié)晶數(shù)量和晶粒尺寸。

（2）FH40高強船板鋼發(fā)生完全再結(jié)晶所需的變形溫度為1000℃、變形量為40%。在高溫大變形下進行完全再結(jié)晶區(qū)軋制，隨后生成的的析出物抑制晶粒長大，獲得細小、均勻的晶粒。