Q550高強度低碳微合金鋼熱變形行為研究

(安陽鋼鐵集團有限責(zé)任公司 冷軋指揮部，河南 安陽 455004)

一 研究現(xiàn)狀

目前，我國在Q550的“控制冷卻、控制軋制”這項工藝生產(chǎn)的領(lǐng)域研究實踐中積累了有關(guān)于組織生產(chǎn)軋制，以及獲取了各項工藝參數(shù)數(shù)據(jù)。重鋼股份公鋼研究所的陳文滿、李利、肖亞等分析了研制CGQ550D 鋼板的工藝和技術(shù)難點，研制出了采用低碳貝氏體鋼成分設(shè)計，利用控軋控冷配合熱處理技術(shù)來生產(chǎn)550MPa級別的工藝;太鋼集團臨汾鋼鐵有限公司的段雙霞運用了金相檢驗、金相顯微硬度、力學(xué)性能測試等手段研究了Q550D 鋼板延伸率不合格的原因并得出Q550D 鋼中由于成分偏析而引起帶狀組織、MnS 鋼中硫化物夾雜多級別高還有內(nèi)部疏松缺陷是鋼板軋制后延伸率不合格的主要原因，提出可以用熱處理技術(shù)來解決;呂斌、宋波通過對Q550 成分設(shè)計、生產(chǎn)以及軋制情況進行分析，找出了合理成分組成，提出在冶煉工序中利用不銹半鋼增加鎳、鉻的含量以滿足鋼板成分需要的途徑;楊道和針對Q550D 在焊接過程中出現(xiàn)的常見問題提出了相應(yīng)的解決辦法;林鵬、嚴(yán)慧成等研究了Q550D 在不同裝爐溫度下的組織演變過程，并探討了加熱制度，最終得到了在不同加熱制度下淬火之后的金相組織得出Q550D 鋼理想的熱裝區(qū)間是共析線溫度下的低溫區(qū);蔣慶磊、李亞江等在不預(yù)熱條件下采用不同合金成分焊絲焊接Q550鋼，研究了焊絲中的合金對焊縫組織、接頭抗拉強度及沖擊韌性的影響;馮路路采用中碳高Mn的微合金化設(shè)計，采用TMCP工藝在兩階段軋制并加速冷卻最終生產(chǎn)出了符合性能要求的Q550 鋼板;董現(xiàn)春、張熹等采用斜Y 裂紋敏感性實驗、焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗研究了Q550D 鋼板的冷裂紋敏感性;張武斌研究了軋制和冷卻工藝對550MPa 汽車鋼板組織性能的影響，分別試驗和調(diào)整了加熱溫度、終軋溫度、軋制壓下率等軋制工藝參數(shù)和卷取溫度、卷取模式等冷卻工藝參數(shù)對550MPa級別汽車鋼板組織金額性能的影響。

二 熱變形理論基礎(chǔ)

熱變形是金屬變形的一種，金屬在再結(jié)晶溫度以上發(fā)生的塑性變形。為了更加深入地研究Q550高強度低碳微合金的熱變形特征，本文會對對熱變形過程中產(chǎn)生的動態(tài)軟化行為和會出現(xiàn)的流變應(yīng)力的曲線特征進行分析。

1.流變應(yīng)力曲線特征分析

由于合金變形條件的不同，熱變形過程中的流變應(yīng)力曲線會出現(xiàn)如下不同的幾種類型

(1)只發(fā)生加工硬化

(2)只發(fā)生加工硬化與動態(tài)回復(fù)

(3)發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶

(4)發(fā)生不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶

在熱變形過程中，由于材料各部分受力不均勻，使不同部位的再結(jié)晶過程進行的先后不同，因此產(chǎn)生了連續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶和不連續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶兩種情況，現(xiàn)就以上兩種情況進一步討論如下:

連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶:εD是奧氏體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量，要想使奧氏體全部發(fā)生再結(jié)晶就需要繼續(xù)變形。如果由動態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生核心到奧氏體全部完成動態(tài)再結(jié)晶所需要的變形量為εr，則εr可能大于εD，也可能小于εD，見圖2-3[3]。

當(dāng)εD＜εr(如圖2，b)時會發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)再結(jié)晶核心發(fā)生后，將會隨著變形的繼續(xù)，使動態(tài)再結(jié)晶繼續(xù)發(fā)展，或者動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒又承受變形，從而出現(xiàn)這兩個過程同時進行著。由于εD＜εr，在奧氏體晶粒整個進行完再結(jié)晶之前，部分晶粒在完成動態(tài)再結(jié)晶后又進行變形，而其變形量達(dá)到εD，則產(chǎn)生第二輪動態(tài)再結(jié)晶。以此進行分析比較，即在奧氏體內(nèi)幾輪的動態(tài)再結(jié)晶會同時發(fā)生。每一輪的動態(tài)再結(jié)晶又同時處于變形的不同階段，即有剛開始的，又有接近結(jié)束的;奧氏體內(nèi)部各個晶粒的變形量也有不同，有的是零，有的接近εD。其結(jié)果反映出一個平均不變的應(yīng)力值。在這種情況下奧氏體是連續(xù)不斷地進行動態(tài)再結(jié)晶。

間斷動態(tài)再結(jié)晶:如圖2，a所示，εD＞εr時，由于εr較小，一旦動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生后不需要太大的變形量奧氏體就全部完成動態(tài)再結(jié)晶。由于εD＞εr，當(dāng)?shù)谝惠喸俳Y(jié)晶全部完成前，已再結(jié)晶的晶粒內(nèi)新承受的變形量還達(dá)不到εD，不能立即發(fā)生第二輪的動態(tài)再結(jié)晶，還必須繼續(xù)變形才能達(dá)到εD，此時才能發(fā)生第二輪動態(tài)再結(jié)晶。因此，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)波浪形式。這種情況下，動態(tài)再結(jié)晶是間斷進行的。

圖2 發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的兩種應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.熱變形過程的軟化行為

動態(tài)再結(jié)晶是通過形核與核長大，最終形成無畸變的新晶粒的過程，可以完全消除加工硬化，其形核機制主要有:(a)對于層錯能較高的金屬，變形量較大時主要通過亞晶合并形成大角度晶界，再由于晶界的遷移，掃除了位錯而形成再結(jié)晶晶粒核心;(b)對于高層錯能金屬，當(dāng)變形量較小時，由于相鄰晶粒間位錯密度差較大，迫使晶界移動，晶界掃過的區(qū)域，位錯密度得以降低而形成再結(jié)晶晶粒核心;(c)對于層錯能較低的金屬，由于位錯密度較高，易于形成位錯胞，同時由于位錯間的位相差較大，胞壁易于轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Я２⑶蚁蛲膺w移，因而形成再結(jié)晶核心。

三 物理模擬和數(shù)值模擬

在金屬材料學(xué)的研究中，為了加強評價工藝方案而對整個金屬材料性能可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的影響，將現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)和物理模擬技術(shù)相結(jié)合起來，這會很大改善金屬材料加工工藝提高優(yōu)化手段。本文也正是使用這兩種方法來研究來Q550的高溫變形特征。

1.物理模擬技術(shù)在材料加工變形研究中的應(yīng)用

物理模擬技術(shù)是將工業(yè)生產(chǎn)實際出現(xiàn)的過程再現(xiàn)在試驗設(shè)備上，物理模擬技術(shù)是非常重要的科學(xué)分析方法。物理模擬技術(shù)則通常指利用生產(chǎn)中的小試樣，借助試驗設(shè)備將金屬材料在軋制或加工過程中受到的各種情況例如受力、受熱出現(xiàn)的變化，暴露揭示金屬材料構(gòu)件在加工過程中出現(xiàn)的變化規(guī)律，來預(yù)測金屬材料制造或者在生產(chǎn)加工中可能會導(dǎo)致的各種問題，來制定合理的金屬材料加工工藝及為各種新材料的研制提供理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù)。

2.數(shù)值模擬技術(shù)在材料加工變形研究中的應(yīng)用

數(shù)值模擬則是利用合適的數(shù)值分析方法，以數(shù)值的形式再現(xiàn)實際加工過程，將出現(xiàn)在物理模擬中各種實驗數(shù)值、實驗結(jié)果相結(jié)合。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及數(shù)學(xué)算法上的改進，三維模擬技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，并且開始在工業(yè)界得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

四 動態(tài)再結(jié)晶

再結(jié)晶組織的演變:形變過程中隨應(yīng)變量增大微觀組織發(fā)生變化的過程為:變形初期的加工硬化→部分再結(jié)晶階段→全部再結(jié)晶階段

動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生要有溫度補償因子Z 和變形量(之間的關(guān)系來局等。動態(tài)再結(jié)晶是一個混晶組織，其平均晶粒尺寸D 只由加工條件Z 來決定，Z 和D的關(guān)系符合Z =AD-m，Z愈大(即變形溫度低，變形速率大)則D 愈小。并且與初始晶粒的尺寸D0無關(guān)。

從生產(chǎn)上控制奧氏體晶粒度的角度來說，奧氏體動態(tài)再結(jié)晶的晶粒大小僅由Z 參數(shù)來控制，Z值有變形溫度和變形速度確定。

五 研究結(jié)果

1.在熱力模擬試驗機上將金屬材料進行高溫等溫壓縮試驗，從而獲得了Q550 低碳合微合金鋼的流變應(yīng)力曲線，探明其在高溫等壓縮變形條件下出現(xiàn)的變化規(guī)律。

2.分析流變應(yīng)力與熱變形條件之間的關(guān)系，以及變形過程中的加工硬化、回復(fù)和再結(jié)晶行為等，得出了試驗鋼的形變激活能Q，并建立了試驗鋼的熱加工方程和流變應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，從而為高強結(jié)構(gòu)鋼組織生產(chǎn)加工和對其性能控制，軋制設(shè)備選型、生產(chǎn)軋制工藝制定提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。

[1]梁益龍，向嵩，梁宇，譚起兵編.熱處理新技術(shù)講義.貴州:貴州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2011

[2]伍玉嬌主編.金屬材料學(xué).北京:北京大學(xué)出版社，2011.8

[3]張曉燕主編.材料科學(xué)基礎(chǔ).北京:大學(xué)出版社，2009.8

[4]黃新民，解挺編.材料分析測試方法.北京:國防工業(yè)出版社，2011.1 重印

[5]王順興主編.金屬熱處理原理與工藝.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.9