大型風(fēng)電法蘭用Q345E鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為研究

張秀芝　楊仁杰　李　佳　劉建生

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

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大型風(fēng)電法蘭用Q345E鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為研究

張秀芝楊仁杰李佳劉建生

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

摘要：在不同溫度、不同應(yīng)變速率條件下進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn)，并對(duì)各種條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了分析，研究表明當(dāng)溫度高于1 000℃時(shí)材料均發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶。通過對(duì)不同變形條件下材料的晶粒尺寸分析，建立了Q345E鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)模型、晶粒尺寸模型以及力學(xué)模型，為熱加工工藝的制定提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Q345E；風(fēng)電法蘭；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

Q345E鋼具有較高的強(qiáng)度，良好的冷變形能力，較好的塑性與韌性，能抵抗過載能力，廣泛應(yīng)用于大型風(fēng)電法蘭的生產(chǎn)及其它行業(yè)中。劉海英和王從道等人對(duì)Q345E鋼的熱塑性方面進(jìn)行了研究[1，2]。本課題組前期提出了Q345E鋼的本構(gòu)方程，并得出了材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶圖[3]。但動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后晶粒尺寸與工藝參數(shù)的關(guān)系尚不明確，因此在前期工作的基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了Q345E鋼熱變形過程中的力學(xué)模型、再結(jié)晶分?jǐn)?shù)模型、晶粒尺寸模型，為后期風(fēng)電法蘭輾擴(kuò)過程模擬提供理論依據(jù)，并為制定風(fēng)電法蘭熱加工工藝提供理論基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

所用材料為Q345E鋼，其主要化學(xué)成分見表1。試樣尺寸為?8 mm×12 mm的圓柱體。熱變形試驗(yàn)采用熱壓縮法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)溫度為900℃、950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃。應(yīng)變速率為0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1。形變量為50%(真應(yīng)變?yōu)?.7)。熱壓縮試驗(yàn)完成后將試樣沿軸向切開，經(jīng)拋光、腐蝕后觀察組織，并在ZEISS Imager.A1m金相顯微鏡上測(cè)定晶粒的平均尺寸。

表 1　試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1不同形變參數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

材料在不同溫度、不同應(yīng)變速率下壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1可以看出，溫度、應(yīng)變速率對(duì)材料高溫變形行為有明顯影響。溫度高于1 000℃時(shí)，試樣都發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。950℃與1 000℃條件下，當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，但在900℃時(shí)沒有再結(jié)晶發(fā)生。

圖 1　不同溫度、不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2動(dòng)態(tài)再結(jié)晶峰值應(yīng)變及穩(wěn)態(tài)應(yīng)變模型的建立

金屬材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，峰值應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變[4、5]分別可采用以下公式表示：

(1)

(2)

上式中峰值應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變通常采用加工硬化率與應(yīng)變曲線確定。加工硬化率與應(yīng)變的曲線[6、7]關(guān)系如圖2所示。

圖 2　加工硬化率-應(yīng)變曲線

分別對(duì)式(1)與式(2)取自然對(duì)數(shù)，得到：

(3)

(4)

將式(3)、式(4)對(duì)lnZ微分，利用線性擬合可獲得lnεp-lnZ的關(guān)系曲線和lnεs-lnZ的關(guān)系曲線，如圖3示。通過線性擬合，可求得：n1=0.182，n2=0.202，A1=2.501×10-4，A2=2.508×10-4。

(a) lnεp與lnZ的關(guān)系曲線

(b) lnεs與lnZ的關(guān)系曲線

同理，將式(3)、式(4)對(duì)lnd0微分，利用線性擬合可求得lnεp-lnd0的關(guān)系曲線和lnεs-lnd0的關(guān)系曲線，如圖4所示。求得m1、m2分別為0.240與0.110。因此峰值應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變模型分別為：

(5)

(6)

2.3動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)模型的建立

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)模型采用Avrami方程[8、9]的普遍形式：

(7)

整理式(7)，得到：

(8)

(a) lnεp與lnd0的關(guān)系曲線

(b) lnεs與lnd0的關(guān)系曲線

式中，k1、k2為材料常數(shù)，εc為材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變；ε0.5為材料變形過程中發(fā)生50%再結(jié)晶時(shí)的變形量，其表達(dá)式為：

(9)

式中，α1、α2、α3為材料常數(shù)，Qdyn為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能。

由于金相測(cè)量存在人為誤差，因此本文采用式(10)[10]確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)，即當(dāng)εcεεs時(shí)：

(10)

圖 5　熱塑變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線示意圖

圖6　加工硬化率-應(yīng)力曲線

(11)

將式(8)變形，得到：

(12)

根據(jù)文獻(xiàn)[11、12]取α=0.83，依據(jù)上述得到的各材料參數(shù)，從而得出動(dòng)態(tài)結(jié)晶百分?jǐn)?shù)模型：

(13)

2.4動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型的建立

圖 7　lnε0.5-lnd0的關(guān)系曲線

圖 8　lnε0.5-10 000/T的關(guān)系曲線

的關(guān)系曲線

圖 10　ln[-ln(1-Xd)]與

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸主要取決于變形速率，原始奧氏體晶粒尺寸和變形量對(duì)其影響很小，可以忽略。因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸采用Sellars模型[13]表示為：

(14)

式中，A和n是與金屬材料自身相關(guān)的的常數(shù)。

對(duì)式(14)兩邊取自然對(duì)數(shù)，得到：

(15)

測(cè)量不同變形條件下金相的晶粒尺寸，將其代入式(15)，并進(jìn)行線性回歸處理，如圖11所示。得到：A為 1.61×104,n為 -0.156 7。則動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型為：

圖 11　lndDrex與lnZ的關(guān)系曲線

(16)

將參數(shù)表達(dá)式Z代入式(16)，得到完整的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型：

(17)

3結(jié)論

通過分析、回歸得到材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的峰值應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變模型、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)模型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型。

參考文獻(xiàn)

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編輯杜青泉

Research on Dynamic Recrystallization Behavior of

Q345E Steel for Heavy Wind Power Flange

Zhang Xiuzhi, Yang Renjie, Li Jia, Liu Jiansheng

Abstract：The hot compression test has been performed under various conditions of different temperature and different strain rate. Meanwhile, the stress-strain curves under various conditions have been analyzed. It turned out that when the temperature was higher than 1000℃, the materials all occurred recrystallization with different degree. By analyzing the grain size of materials under different deformation condition, the fraction model, the grain size model and the mechanical model of dynamic recrystallization for Q345 steel have been built up, so as to provide the theoretical basis for preparing the hot working processes.

Key words：Q345E; wind power flange; dynamic recrystallization

基金項(xiàng)目：太原市科技資助項(xiàng)目(120224)。

收稿日期：2015—05—12

中圖分類號(hào)：TG142.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B