冷變形對(duì)熱軋Q345R鋼板再結(jié)晶溫度的影響

何小明，敬仕煜，曾 輝，楊華春

(1.東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001；2.機(jī)械工業(yè)高溫高壓材料與焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢 643001)

0 引言

Q345R是我國(guó)目前用途最廣、用量最大的鍋爐及壓力容器專用鋼板之一，通常以熱軋、控軋與正火等三種狀態(tài)交貨。由于熱軋鋼板具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，若無特殊要求，常作為首選材料[1]。

在鋼板生產(chǎn)端，再結(jié)晶溫度對(duì)于合理制定鋼板軋制工藝具有重要意義[2]。對(duì)于冷軋鋼板，其冷軋產(chǎn)生的變形量大，需要通過再結(jié)晶退火消除內(nèi)應(yīng)力、改善微觀組織[3-4]，以保證鋼板的強(qiáng)度和韌性，因此，再結(jié)晶溫度研究較多。對(duì)于熱軋鋼板，在軋制過程中經(jīng)歷動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，準(zhǔn)確估算鋼的再結(jié)晶溫度也至關(guān)重要。

在鋼板應(yīng)用端，GB/T 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、驗(yàn)收和檢驗(yàn)》及GB/T 16507.5—2013《水管鍋爐 第5部分：制造》均以“再結(jié)晶溫度”作為冷(含溫成形)、熱成形的溫度界限，但標(biāo)準(zhǔn)未給出材料的再結(jié)晶溫度，也沒有明確再結(jié)晶溫度的獲取方法。采用熱軋Q345R鋼板制造封頭、筒體等承壓部件時(shí)，特別是冷、溫成形條件下，成形產(chǎn)生的變形疊加鋼板自身存在的變形，奧氏體轉(zhuǎn)變組織以及變形鐵素體亞結(jié)構(gòu)組織可能對(duì)材料的再結(jié)晶行為產(chǎn)生重要影響，甚至引發(fā)靜態(tài)再結(jié)晶，并影響產(chǎn)品性能。

為研究熱軋Q345R鋼板在工程應(yīng)用中的再結(jié)晶行為，本文參照常見的鋼制封頭的成形變形率[5-6]，以及成形加熱溫度或產(chǎn)品最終消除應(yīng)力熱處理溫度，選取某鋼廠熱軋Q345R鋼板，進(jìn)行15%以下小變形量和31%，53%大變形量的冷變形，經(jīng)不同溫度熱處理后，進(jìn)行硬度檢測(cè)，確定不同冷變形量下的再結(jié)晶溫度。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為某鋼廠熱軋Q345R鋼板，其厚度16 mm，化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，金相組織見圖1。

表1 Q345R鋼板化學(xué)成分

表2 Q345R鋼板力學(xué)性能

圖1 Q345R鋼板顯微組織

1.2 試樣處理

1.2.1 鋼板變形

原始鋼板變形量計(jì)為0；采用拉伸方法獲得5%,10%,15%均勻變形鋼板；為獲得更大變形量，采用室溫一次沖壓方法壓縮鋼板，變形量分別為31%和53%。

1.2.2 試樣制備

采用線切割方法將不同變形量鋼板加工為15 mm×10 mm的試樣，在KSL-1100箱式電阻爐中，從450～700 ℃范圍內(nèi)，間隔50 ℃、保溫1 h試驗(yàn)，空冷；不同溫度熱處理后的試樣鑲嵌、研磨并拋光，經(jīng)2%硝酸酒精溶液腐蝕后，觀察其金相組織，隨后進(jìn)行硬度檢測(cè)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.3.1 金相檢測(cè)

利用Nikon EPIPHOT 300光學(xué)顯微鏡(OM)觀察試樣截面顯微組織。

1.3.2 硬度檢測(cè)

利用401MVD顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量試樣截面上鐵素體區(qū)域硬度，每個(gè)試樣均勻檢測(cè)10點(diǎn)，試驗(yàn)載荷4.903 N(500 gf)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 維氏硬度

各變形量試樣的硬度與熱處理溫度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 各變形量試樣硬度與熱處理溫度的關(guān)系曲線

從圖2可知，變形量0,5%,10%,15%試樣在450～700 ℃區(qū)間,經(jīng)相同溫度熱處理后，隨變形量增加、硬度明顯提高；變形量31%,53%試樣在550 ℃以下，相同溫度熱處理后，硬度隨變形量增加而增加。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，變形量31%,53%試樣硬度增長(zhǎng)幅度相比15%以下變形試樣小。其中，變形量0,5%,10%,15%試樣經(jīng)450～700 ℃熱處理后，硬度變化趨勢(shì)基本一致，即保持不變或略有降低；變形量31%試樣在600 ℃以下，硬度變化不大，600～650 ℃硬度急劇下降，相對(duì)于未熱處理試樣硬度(HV0.5)由258下降到153，下降41%；同樣，變形量53%試樣在550～600 ℃硬度大幅下降。

隨變形量增加，硬度提高是形變強(qiáng)化的結(jié)果，塑性變形量增加，位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互交割現(xiàn)象加劇，產(chǎn)生固定的位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，從而增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力增強(qiáng)材料的變形抗力[7]，變形量繼續(xù)增大將出現(xiàn)大量交滑移[8]，使得位錯(cuò)繞過障礙前行，這是變形量31%,53%試樣強(qiáng)化效應(yīng)不如15%以下試樣明顯的內(nèi)在原因。隨著溫度的升高，變形晶粒首先會(huì)發(fā)生回復(fù)，能量足夠時(shí)，原先被拉長(zhǎng)的、細(xì)碎的晶粒等軸化，位錯(cuò)等缺陷大大減少，硬度會(huì)發(fā)生明顯變化，稱之為再結(jié)晶。變形量0,5%,10%,15%試樣熱處理后，硬度基本不變或略有下降，應(yīng)是回復(fù)作用的結(jié)果。變形量31%和53%試樣分別在600～650 ℃和550～600 ℃時(shí)，硬度急劇下降，根據(jù)硬度的顯著變化，可以確定試驗(yàn)材料在這一溫度范圍內(nèi)發(fā)生了再結(jié)晶。

為相對(duì)準(zhǔn)確地判斷材料的再結(jié)晶溫度范圍，對(duì)變形量31%試樣補(bǔ)充615,630 ℃熱處理，對(duì)53%變形試樣補(bǔ)充565,580 ℃熱處理，保溫時(shí)間仍為1 h。圖3示出了變形量為31%,53%試樣的硬度與熱處理溫度關(guān)系曲線?？梢钥闯觯冃瘟?1%,53%試樣的再結(jié)晶溫度范圍分別為615～650 ℃和565～600 ℃；還可以看出，變形量越大，硬度下降的保溫溫度越低，材料的再結(jié)晶溫度越低，這是由于變形量增大，形變儲(chǔ)能提高，向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)越大，需要的加熱溫度越低[9]。

圖3 變形量31%,53%試樣補(bǔ)充試驗(yàn)結(jié)果

2.2 顯微組織

典型變形量試樣部分熱處理溫度下的顯微組織如圖4所示?？梢钥闯觯何礋崽幚頃r(shí)，與變形量15%試樣(a)相比，變形量31%試樣(d)晶粒變形明顯，沿變形方向晶粒被壓扁，而變形量為53%試樣(g)晶粒變形程度更嚴(yán)重、變形晶粒更加細(xì)長(zhǎng)；變形量為15%試樣經(jīng)650 ℃(b)和700 ℃(c)熱處理后，沒有明顯的晶粒形核，結(jié)合硬度略微下降，可以判斷發(fā)生了回復(fù)；變形量為31%試樣在615 ℃熱處理后(e)，顯微組織中出現(xiàn)了少量再結(jié)晶晶粒(圖中箭頭所指)，且原始扁平狀晶粒趨于不規(guī)則形狀，可判斷發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象；至650 ℃(f)變形晶?；窘咏容S晶，說明在這一溫度下，晶粒大量形核并長(zhǎng)大，再結(jié)晶過程基本完成；同樣，變形量53%試樣在565 ℃出現(xiàn)再結(jié)晶，至600 ℃再結(jié)晶基本完成。

從顯微組織還可以看出，變形量15%，31%和53%試樣顯微組織珠光體老化的開始溫度分別從700，650，565 ℃依次下降，這是形變儲(chǔ)能導(dǎo)致，也進(jìn)一步印證了從硬度法判斷的再結(jié)晶溫度隨著變形量的增加而降低的結(jié)論。

2.3 再結(jié)晶溫度

實(shí)際上，不同材料的再結(jié)晶溫度不同。同一材料的再結(jié)晶溫度也不是一個(gè)確定的值，它不僅與原材料狀態(tài)有關(guān)，也與冷變形量關(guān)系很大，還與變形速度、變形溫度、晶粒大小、固溶強(qiáng)化效應(yīng)、第二相等有關(guān)[10-11]。工程上，有關(guān)再結(jié)晶溫度的定義也較多，如以材料軟化50%的溫度作為再結(jié)晶溫度或大變形量下再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)大于95%的最低溫度等[12-14]。

就本次熱軋Q345R鋼板的試驗(yàn)而言，變形量31%試樣在615 ℃即出現(xiàn)再結(jié)晶、變形量53%試樣在565 ℃出現(xiàn)再結(jié)晶，之所以與前面的定義[10]有所不同，是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)是為了給制定溫成形工藝提供依據(jù)，以不出現(xiàn)再結(jié)晶為目的，因而兩者的再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)或硬(強(qiáng))度軟化程度不同。

3 結(jié)論

對(duì)熱軋Q345R鋼板，冷變形量控制在15%及以下，不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶；變形量31%時(shí)，再結(jié)晶溫度范圍為615～650 ℃；變形量53%時(shí)，再結(jié)晶溫度范圍為565～600 ℃。