700MPa級高強(qiáng)鋼氧化鐵皮高溫?zé)嶙冃涡袨?/h1>
2019-11-14 07:15:30曹光明周忠祥高欣宇于聰王皓李志峰劉振宇
中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2019年10期
曹光明，周忠祥，高欣宇，于聰，王皓，李志峰，劉振宇
(東北大學(xué) 軋制與連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽，110819)
鋼鐵材料的熱軋溫度范圍一般是800～1 250°C[1]，由于生產(chǎn)現(xiàn)場有大量的氧化性氣氛存在，鋼鐵材料表面不可避免地會形成氧化鐵皮。氧化鐵皮一般由3層氧化物組成，分別為最外層紅色的Fe2O3、中間層黑色的Fe3O4以及內(nèi)層藍(lán)灰色的FeO[2-4]，其生長和變形受到軋制溫度、軋制速度和壓下量等工藝的影響，軋制工藝設(shè)置不合理將導(dǎo)致氧化鐵皮變硬、變脆[5]，部分氧化鐵皮從鋼板表面脫落或者被壓入鋼板基體，產(chǎn)生麻點(diǎn)、凹坑和折紋等壓入缺陷[6-8]，對鋼板的表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，降低產(chǎn)品檔次。在鋼鐵材料的工業(yè)熱軋過程中，提高產(chǎn)線的效率和產(chǎn)量具有重要意義，同時(shí)，改善產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性能等問題也不容忽視[9]。由于軋件上形成的氧化鐵皮是造成表面質(zhì)量問題的原因之一，因此，有必要研究和建立控制氧化鐵皮的方法[10]。SUN等[11]研究了熱軋條件對氧化皮高溫變形行為的影響，結(jié)果表明，在給定的軋制速度下變形時(shí)，潤滑將提高氧化鐵皮變形性和塑性。OKADA 等[12-13]利用充滿氮?dú)獾睦鋮s室觀察熱軋鋼材上的氧化鐵皮，結(jié)果表明，厚的氧化鐵皮通過不均勻變形降低了摩擦因數(shù)，并減少了從熱軋鋼材到冷軋輥的熱傳遞。EVANS[14]研究應(yīng)力對金屬高溫氧化的影響，發(fā)現(xiàn)在拉伸條件下，若施加的應(yīng)變率相對較低，則可以容易地產(chǎn)生貫穿氧化鐵皮厚度方向的裂縫，但也可以通過生長出新的氧化物愈合。楊奕等[15]利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究了終軋溫度對氧化鐵皮的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高的終軋溫度條件下，由于軋制速度快，軋制時(shí)間短，高溫下的氧化時(shí)間減少，氧化鐵皮厚度比低溫下長時(shí)間形成的氧化鐵皮要薄。在熱軋700 MPa級高強(qiáng)鋼時(shí)，表面氧化鐵皮在復(fù)雜條件下的高溫變形行為研究較少，特別是熱軋條件(包括熱軋溫度和變形量)對氧化鐵皮的形變機(jī)制研究尚未詳盡。鑒于此，本文作者研究不同熱軋溫度和變形量條件下氧化鐵皮形變規(guī)律，為現(xiàn)場生產(chǎn)制定合理的熱軋工藝提供參考。
1 試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)用鋼為700 MPa 級高強(qiáng)鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如表1所示。試樣長×寬×高為300 mm×30 mm×2 mm，利用超聲波清洗機(jī)清洗表面油污，再用砂紙進(jìn)行逐級打磨并清洗，之后吹干備用。圖1所示為試驗(yàn)裝置示意圖。為了觀察軋制溫度對氧化鐵皮的影響，將試樣放在預(yù)設(shè)溫度為800，850，900，950 和1 000 °C 的管式爐內(nèi)保溫2 min，然后迅速采用預(yù)設(shè)單道次軋制壓下量為15%的軋機(jī)進(jìn)行軋制變形。為了分析壓下量對氧化鐵皮的影響，采用溫度為1 050°C管式爐內(nèi)保溫6 min，然后迅速將試樣放入預(yù)設(shè)單道次軋制壓下量分別為10%，20%和30%的軋機(jī)進(jìn)行軋制變形。軋制試驗(yàn)結(jié)束后利用掃描電子顯微鏡(SEM)和場發(fā)射電子探針(EPMA)觀察氧化鐵皮的形貌、厚度和微觀結(jié)構(gòu)。
圖1 熱軋?jiān)囼?yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of hot rolling experiments
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 不同熱軋溫度對氧化鐵皮的影響
2.1.1 不同熱軋溫度對氧化鐵皮表面形貌的影響
圖2所示為不同熱軋溫度條件下氧化鐵皮微觀形貌。從圖2可以看出：經(jīng)不同軋制溫度變形后，氧化鐵皮剝離破碎情況不同。在800°C 下氧化鐵皮呈現(xiàn)塊狀或條狀剝離脫落；在850°C 下表面平整度較差，且有大量凹坑出現(xiàn)；在900°C 下氧化鐵皮表面出現(xiàn)垂直于軋制方向的波浪狀裂紋，同時(shí)有起皮現(xiàn)象；在950°C 下表面垂直于軋制方向的波浪狀裂紋減少；在1 000°C下氧化鐵皮出現(xiàn)無規(guī)則波浪狀褶皺情況，但波浪狀線條的方向不明顯。
2.1.2 不同熱軋溫度對氧化鐵皮斷面形貌的影響
不同熱軋溫度試驗(yàn)結(jié)束后，氧化鐵皮的斷面形貌如圖3所示。從圖3可以看出：在不同軋制溫度下，氧化鐵皮相組成均為內(nèi)層的FeO 和外層的Fe3O4。在熱軋過程中，氧化鐵皮不可避免地產(chǎn)生裂紋及破碎。在不同軋制溫度下，氧化鐵皮變形程度不同：當(dāng)軋制溫度為800°C 時(shí)，氧化鐵皮斷面破碎成網(wǎng)狀，出現(xiàn)大量裂紋，裂紋貫穿氧化鐵皮，且裂紋密度和寬度最大，同時(shí)基體與氧化鐵皮之間界面粗糙，有較大的界面裂紋；隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮破碎情況減弱，裂紋密度和間距逐漸減?。划?dāng)軋制溫度為1 000°C 時(shí)，氧化鐵皮與基體之間界面光滑，氧化鐵皮層只有少量沿厚度方向的裂紋，且裂紋密度和寬度最小。同時(shí)，在同一軋制變形量下，從圖3可以看出，氧化鐵皮破碎由內(nèi)向外逐漸加劇，外層的Fe3O4變形破碎均比內(nèi)側(cè)的FeO嚴(yán)重。
當(dāng)軋制溫度為800°C時(shí)，氧化鐵皮厚度為7.8 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為3.67:1；當(dāng)軋制溫度為850 °C 時(shí)，氧化鐵皮厚度為9.6 μm，內(nèi)側(cè)FeO和外層Fe3O4體積比約為5.60:1；當(dāng)軋制溫度為900°C 時(shí)，氧化鐵皮厚度為20.4 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為6.75:1；當(dāng)軋制溫度為950°C時(shí)，氧化鐵皮厚度為27.1 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為7.50:1；當(dāng)軋制溫度為1 000 °C時(shí)，氧化鐵皮厚度為45.7 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為16.00:1。在不同軋制溫度條件下，氧化鐵皮厚度和各層氧化物體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。從圖4可知：隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮厚度增加，F(xiàn)eO體積分?jǐn)?shù)增大。
按軋制溫度由低到高，基體界面長度L0和氧化鐵皮與基體界面長度L統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表2可知：隨著軋制溫度的升高，L/L0逐漸減小，可見較高的溫度軋制下氧化鐵皮與基體界面會更加平整。
從圖3可以看出：隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮塑性越好。一方面，F(xiàn)eO的塑性很大程度上取決于變形溫度[15]。隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮中的FeO層體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，同時(shí)FeO是P型金屬陽離子缺乏的半導(dǎo)體，由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)以及存在的大量金屬陽離子空位和電子空穴，可以保留較多的塑性變形能，有利于氧化鐵皮與基體一起進(jìn)行塑性變形。
表2 不同軋制溫度下界面長度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of interface length at differentrolling temperatures
圖2 試樣氧化鐵皮的表面微觀形貌Fig.2 Surface micro-morphology of oxide scale of specimens
圖3 試樣氧化鐵皮的斷面微觀形貌Fig.3 Cross-section micro-morphology of oxide scale of specimens
圖4 不同軋制溫度條件下氧化鐵皮厚度和各層氧化物體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Thickness of scale and volume fractions of oxides in each layer at different rolling temperatures
另一方面，UTSUNOMIYA 等[9]研究了熱軋過程中表面氧化皮缺陷的形成機(jī)理，這里采用文獻(xiàn)[9]中的方法分析700 MPa 級高強(qiáng)鋼氧化鐵皮在高溫下的變形行為。假定熱軋時(shí)工作輥的表面溫度tr=27 °C，工作輥與氧化鐵皮界面之間的熱傳導(dǎo)率hr-s=30 kW/(m-2?K-1)，氧化鐵皮的熱傳導(dǎo)率λscale=4.0 W/(m?K)，假定氧化鐵皮底部的溫度等于加熱溫度ti(ti=800，850，900，950 和1 000 °C)，同時(shí)假定熱傳導(dǎo)是一維穩(wěn)定的，則基體向工作輥的熱流量q可用下式表示：
圖5所示為氧化鐵皮在軋輥咬入?yún)^(qū)的溫度分布圖。假定熱傳導(dǎo)是一維穩(wěn)定的，則氧化鐵皮內(nèi)部的溫度梯度是連接ts(氧化鐵皮表面溫度)與ti的直線。根據(jù)式(1)，氧化鐵皮的表面溫度ts可視為氧化鐵皮厚度d的函數(shù)，即：
圖5 氧化鐵皮在軋輥咬入?yún)^(qū)的溫度分布圖Fig.5 Illustration of temperature distribution in scale at entry of roll biting zone
由式(2)可知：在加熱溫度ti一定的條件下，隨著氧化鐵皮厚度的增加，氧化鐵皮溫度由內(nèi)向外逐漸降低。圖6所示為當(dāng)d≤46 μm 時(shí)計(jì)算值ts與d的關(guān)系曲線。從圖6可以看出：當(dāng)軋制溫度為800°C時(shí)，氧化鐵皮厚度為7.8 μm，氧化鐵皮表層溫度降至約757.3°C，由于氧化鐵皮厚度較薄，溫降較少；隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮厚度增加，當(dāng)軋制溫度為1 000 °C 時(shí)，氧化鐵皮厚度為45.7 μm，氧化鐵皮表層溫度降至約765.2°C，氧化鐵皮內(nèi)層和外部溫差較大，由于基體與氧化鐵皮的線膨脹系數(shù)不同，這種大溫差造成氧化鐵皮內(nèi)部存在壓應(yīng)力，機(jī)體內(nèi)部存在平衡的張應(yīng)力，導(dǎo)致氧化鐵皮開裂和剝離。
圖6 氧化鐵皮表面溫度ts與氧化鐵皮厚度d函數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Scale temperature at outermost surfacets as a function of scale thicknessd
氧化鐵皮斷面在熱軋后可以分為韌性區(qū)、韌-脆轉(zhuǎn)變區(qū)和脆性區(qū)，根據(jù)HIDAKA等[16]研究表明，氧化鐵皮的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度為847°C，當(dāng)?shù)陀诖藴囟葧r(shí)，氧化鐵皮處于脆性區(qū)，在熱軋過程中容易形成裂紋。當(dāng)軋制溫度為850°C 時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)沿著氧化鐵皮厚度方向，溫度逐漸降低，且整體低于韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，此時(shí)氧化鐵皮處于脆性區(qū)，在熱軋過程中氧化鐵皮容易破壞，造成裂紋和破碎現(xiàn)象；當(dāng)軋制溫度為950°C 時(shí)，由圖6可以看出：氧化鐵皮大部分處于韌性區(qū)，在熱軋過程中，高于韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的部分具有高溫塑性，氧化鐵皮均勻變形，這與圖3中觀察結(jié)果一致。
2.2 不同變形量對氧化鐵皮的影響
圖7所示為1 050°C下經(jīng)不同變形量后氧化鐵皮的斷面形貌。通過對變形前后氧化鐵皮厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出1 050°C時(shí)單道次實(shí)際壓下率分別為10.0%，21.8%和31.3%。從圖7可以看出：經(jīng)不同軋制變形量后，氧化鐵皮變形存在差異，在未發(fā)生變形時(shí)，氧化鐵皮各處裂紋少且短，氧化鐵皮分層明顯；當(dāng)變形量為10%時(shí)，氧化鐵皮內(nèi)部出現(xiàn)大量晶間裂紋與晶內(nèi)裂紋，且裂紋密度增加；隨著軋制變形量的進(jìn)一步增大，氧化鐵皮裂紋間距和密度急劇增加，出現(xiàn)貫穿氧化鐵皮厚度方向的裂紋，靠近基體處氧化鐵皮開始破碎，氧化鐵皮層以FeO為主；當(dāng)變形量為31.3%時(shí)，氧化鐵皮內(nèi)部出現(xiàn)大塊空洞，界面處氧化鐵皮出現(xiàn)破碎和剝落現(xiàn)象。
圖7 1 050°C時(shí)在不同變形量下氧化鐵皮斷面形貌Fig.7 Cross-sectional morphologies of oxide scale with different pressing at 1 050°C
圖8 1 050°C不同變形量下氧化鐵皮厚度相關(guān)曲線Fig.8 Correlation curves of oxide scale thickness after thermal deformation at 1 050°C
圖8所示為1 050°C不同變形量條件下氧化鐵皮的變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖8(a)可以看出：在未發(fā)生變形時(shí)，氧化鐵皮的厚度為169.1～172.2 μm；當(dāng)變形量為10%時(shí)，氧化鐵皮的厚度為151.5～155.6 μm；當(dāng)變形量為21.8%時(shí)，氧化鐵皮的厚度減薄到134.2～138.8 μm；當(dāng)變形量為31.3%時(shí)，氧化鐵皮的厚度降低到120.6～123.4 μm。隨著基體變形量的增加，氧化鐵皮厚度逐漸減薄。從圖8(b)可以看出：隨著壓下量的增大，氧化鐵皮的變形量逐漸增大。當(dāng)基體的變形量低于10%時(shí)，氧化鐵皮與基體變形基本呈等比例關(guān)系，對比氧化鐵皮的變形情況，說明在小變形時(shí)氧化鐵皮的應(yīng)變能能夠滿足變形的需要，變形相對均勻，不易發(fā)生氧化鐵皮破碎；當(dāng)基體的變形量大于20%時(shí)，氧化鐵皮的變形量低于基體變形量，此時(shí)由于氧化鐵皮存在內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于其塑性變形抗力，導(dǎo)致氧化鐵皮破碎。
3 氧化鐵皮高溫?zé)嶙冃螜C(jī)理
圖9所示為實(shí)驗(yàn)鋼在800°C 下保溫2 min 后利用電子背散射衍射儀(EBSD)表征的氧化鐵皮晶體結(jié)構(gòu)，外層為排列緊密的晶粒細(xì)小的Fe3O4等軸晶，內(nèi)層為相對疏松的粗大FeO 柱狀晶。眾所周知，每種氧化物都具有一定的晶體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)eO晶體是類似NaCl 型的面心立方結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3O4晶體是2 種價(jià)態(tài)的鐵離子按照不同的排列方式構(gòu)成的反尖晶石結(jié)構(gòu)[17-20]，具有多晶體的氧化鐵皮發(fā)生塑性變形時(shí)受到晶界的阻礙和不同位向的晶粒的影響。
圖9 實(shí)驗(yàn)鋼在800°C保溫2 min的氧化鐵皮斷面結(jié)構(gòu)Fig.9 Cross-sectional structure of oxide scale of specimen after 2 min oxidation at 800°C
圖10所示為氧化鐵皮中沿晶斷裂過程中裂紋形成示意圖。在熱軋變形過程中，由于多晶體中各晶粒的位向、各滑移系的取向不同，在受到外力時(shí)，位向有利的晶粒、取向因子最大的滑移系滑移方向上的分切應(yīng)力最先達(dá)到臨界切應(yīng)力，開始塑性變形，而其他晶粒仍處于彈性變形狀態(tài)。位向最有利的晶粒發(fā)生塑性變形，其滑移面上的位錯(cuò)源已經(jīng)開動，但由于周圍晶粒的位向和滑移系都不同，晶內(nèi)運(yùn)動的位錯(cuò)受阻于晶界，滑移不能進(jìn)行到另一個(gè)晶界中，位錯(cuò)在晶界處形成平面塞積群。位錯(cuò)平面塞積群在其周圍造成較大的應(yīng)力集中，隨著軋制過程中壓下量的增大，軋制壓力增加，應(yīng)力集中隨之增大，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到晶界強(qiáng)度時(shí)，晶界被擠裂，裂紋萌生。因裂紋擴(kuò)展總是沿著阻力最小的方向路徑發(fā)展，因此氧化鐵皮發(fā)生沿晶界方向上的斷裂。
圖10 裂紋形成示意圖Fig.10 Schematic diagram of crack formation
4 結(jié)論
1)對于700 MPa級高強(qiáng)鋼而言，在800～1 000°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱軋時(shí)，氧化鐵皮主要由內(nèi)側(cè)的FeO和外層的Fe3O4組成。
2)氧化鐵皮厚度、結(jié)構(gòu)與軋制溫度有關(guān)，隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮厚度逐漸增加，氧化鐵皮中FeO 體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。氧化鐵皮在高溫下具有一定的塑性，在同一變形量下，溫度越高，塑性越好。由于FeO 可以保留較多的塑性變形能，同時(shí)沿著氧化鐵皮厚度方向，氧化鐵皮溫度逐漸降低，氧化鐵皮在變形過程中表現(xiàn)為由內(nèi)向外破碎逐漸加劇，外層Fe3O4的變形破碎均比內(nèi)側(cè)FeO的嚴(yán)重。
3) 在同一軋制溫度下，隨著壓下量的增加，氧化鐵皮厚度逐漸減薄。當(dāng)基體的變形量低于10%時(shí)，氧化鐵皮與基體變形基本呈等比例關(guān)系；當(dāng)基體的變形量大于20%時(shí)，氧化鐵皮的變形量低于基體變形量，氧化鐵皮破碎嚴(yán)重。
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圖1 熱軋?jiān)囼?yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of hot rolling experiments
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 不同熱軋溫度對氧化鐵皮的影響
2.1.1 不同熱軋溫度對氧化鐵皮表面形貌的影響
圖2所示為不同熱軋溫度條件下氧化鐵皮微觀形貌。從圖2可以看出：經(jīng)不同軋制溫度變形后，氧化鐵皮剝離破碎情況不同。在800°C 下氧化鐵皮呈現(xiàn)塊狀或條狀剝離脫落；在850°C 下表面平整度較差，且有大量凹坑出現(xiàn)；在900°C 下氧化鐵皮表面出現(xiàn)垂直于軋制方向的波浪狀裂紋，同時(shí)有起皮現(xiàn)象；在950°C 下表面垂直于軋制方向的波浪狀裂紋減少；在1 000°C下氧化鐵皮出現(xiàn)無規(guī)則波浪狀褶皺情況，但波浪狀線條的方向不明顯。
2.1.2 不同熱軋溫度對氧化鐵皮斷面形貌的影響
不同熱軋溫度試驗(yàn)結(jié)束后，氧化鐵皮的斷面形貌如圖3所示。從圖3可以看出：在不同軋制溫度下，氧化鐵皮相組成均為內(nèi)層的FeO 和外層的Fe3O4。在熱軋過程中，氧化鐵皮不可避免地產(chǎn)生裂紋及破碎。在不同軋制溫度下，氧化鐵皮變形程度不同：當(dāng)軋制溫度為800°C 時(shí)，氧化鐵皮斷面破碎成網(wǎng)狀，出現(xiàn)大量裂紋，裂紋貫穿氧化鐵皮，且裂紋密度和寬度最大，同時(shí)基體與氧化鐵皮之間界面粗糙，有較大的界面裂紋；隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮破碎情況減弱，裂紋密度和間距逐漸減?。划?dāng)軋制溫度為1 000°C 時(shí)，氧化鐵皮與基體之間界面光滑，氧化鐵皮層只有少量沿厚度方向的裂紋，且裂紋密度和寬度最小。同時(shí)，在同一軋制變形量下，從圖3可以看出，氧化鐵皮破碎由內(nèi)向外逐漸加劇，外層的Fe3O4變形破碎均比內(nèi)側(cè)的FeO嚴(yán)重。
當(dāng)軋制溫度為800°C時(shí)，氧化鐵皮厚度為7.8 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為3.67:1；當(dāng)軋制溫度為850 °C 時(shí)，氧化鐵皮厚度為9.6 μm，內(nèi)側(cè)FeO和外層Fe3O4體積比約為5.60:1；當(dāng)軋制溫度為900°C 時(shí)，氧化鐵皮厚度為20.4 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為6.75:1；當(dāng)軋制溫度為950°C時(shí)，氧化鐵皮厚度為27.1 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為7.50:1；當(dāng)軋制溫度為1 000 °C時(shí)，氧化鐵皮厚度為45.7 μm，內(nèi)側(cè)FeO 和外層Fe3O4體積比約為16.00:1。在不同軋制溫度條件下，氧化鐵皮厚度和各層氧化物體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。從圖4可知：隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮厚度增加，F(xiàn)eO體積分?jǐn)?shù)增大。
按軋制溫度由低到高，基體界面長度L0和氧化鐵皮與基體界面長度L統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表2可知：隨著軋制溫度的升高，L/L0逐漸減小，可見較高的溫度軋制下氧化鐵皮與基體界面會更加平整。
從圖3可以看出：隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮塑性越好。一方面，F(xiàn)eO的塑性很大程度上取決于變形溫度[15]。隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮中的FeO層體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，同時(shí)FeO是P型金屬陽離子缺乏的半導(dǎo)體，由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)以及存在的大量金屬陽離子空位和電子空穴，可以保留較多的塑性變形能，有利于氧化鐵皮與基體一起進(jìn)行塑性變形。
表2 不同軋制溫度下界面長度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of interface length at differentrolling temperatures
圖2 試樣氧化鐵皮的表面微觀形貌Fig.2 Surface micro-morphology of oxide scale of specimens
圖3 試樣氧化鐵皮的斷面微觀形貌Fig.3 Cross-section micro-morphology of oxide scale of specimens
圖4 不同軋制溫度條件下氧化鐵皮厚度和各層氧化物體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Thickness of scale and volume fractions of oxides in each layer at different rolling temperatures
另一方面，UTSUNOMIYA 等[9]研究了熱軋過程中表面氧化皮缺陷的形成機(jī)理，這里采用文獻(xiàn)[9]中的方法分析700 MPa 級高強(qiáng)鋼氧化鐵皮在高溫下的變形行為。假定熱軋時(shí)工作輥的表面溫度tr=27 °C，工作輥與氧化鐵皮界面之間的熱傳導(dǎo)率hr-s=30 kW/(m-2?K-1)，氧化鐵皮的熱傳導(dǎo)率λscale=4.0 W/(m?K)，假定氧化鐵皮底部的溫度等于加熱溫度ti(ti=800，850，900，950 和1 000 °C)，同時(shí)假定熱傳導(dǎo)是一維穩(wěn)定的，則基體向工作輥的熱流量q可用下式表示：
圖5所示為氧化鐵皮在軋輥咬入?yún)^(qū)的溫度分布圖。假定熱傳導(dǎo)是一維穩(wěn)定的，則氧化鐵皮內(nèi)部的溫度梯度是連接ts(氧化鐵皮表面溫度)與ti的直線。根據(jù)式(1)，氧化鐵皮的表面溫度ts可視為氧化鐵皮厚度d的函數(shù)，即：
圖5 氧化鐵皮在軋輥咬入?yún)^(qū)的溫度分布圖Fig.5 Illustration of temperature distribution in scale at entry of roll biting zone
由式(2)可知：在加熱溫度ti一定的條件下，隨著氧化鐵皮厚度的增加，氧化鐵皮溫度由內(nèi)向外逐漸降低。圖6所示為當(dāng)d≤46 μm 時(shí)計(jì)算值ts與d的關(guān)系曲線。從圖6可以看出：當(dāng)軋制溫度為800°C時(shí)，氧化鐵皮厚度為7.8 μm，氧化鐵皮表層溫度降至約757.3°C，由于氧化鐵皮厚度較薄，溫降較少；隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮厚度增加，當(dāng)軋制溫度為1 000 °C 時(shí)，氧化鐵皮厚度為45.7 μm，氧化鐵皮表層溫度降至約765.2°C，氧化鐵皮內(nèi)層和外部溫差較大，由于基體與氧化鐵皮的線膨脹系數(shù)不同，這種大溫差造成氧化鐵皮內(nèi)部存在壓應(yīng)力，機(jī)體內(nèi)部存在平衡的張應(yīng)力，導(dǎo)致氧化鐵皮開裂和剝離。
圖6 氧化鐵皮表面溫度ts與氧化鐵皮厚度d函數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Scale temperature at outermost surfacets as a function of scale thicknessd
氧化鐵皮斷面在熱軋后可以分為韌性區(qū)、韌-脆轉(zhuǎn)變區(qū)和脆性區(qū)，根據(jù)HIDAKA等[16]研究表明，氧化鐵皮的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度為847°C，當(dāng)?shù)陀诖藴囟葧r(shí)，氧化鐵皮處于脆性區(qū)，在熱軋過程中容易形成裂紋。當(dāng)軋制溫度為850°C 時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)沿著氧化鐵皮厚度方向，溫度逐漸降低，且整體低于韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，此時(shí)氧化鐵皮處于脆性區(qū)，在熱軋過程中氧化鐵皮容易破壞，造成裂紋和破碎現(xiàn)象；當(dāng)軋制溫度為950°C 時(shí)，由圖6可以看出：氧化鐵皮大部分處于韌性區(qū)，在熱軋過程中，高于韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的部分具有高溫塑性，氧化鐵皮均勻變形，這與圖3中觀察結(jié)果一致。
2.2 不同變形量對氧化鐵皮的影響
圖7所示為1 050°C下經(jīng)不同變形量后氧化鐵皮的斷面形貌。通過對變形前后氧化鐵皮厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出1 050°C時(shí)單道次實(shí)際壓下率分別為10.0%，21.8%和31.3%。從圖7可以看出：經(jīng)不同軋制變形量后，氧化鐵皮變形存在差異，在未發(fā)生變形時(shí)，氧化鐵皮各處裂紋少且短，氧化鐵皮分層明顯；當(dāng)變形量為10%時(shí)，氧化鐵皮內(nèi)部出現(xiàn)大量晶間裂紋與晶內(nèi)裂紋，且裂紋密度增加；隨著軋制變形量的進(jìn)一步增大，氧化鐵皮裂紋間距和密度急劇增加，出現(xiàn)貫穿氧化鐵皮厚度方向的裂紋，靠近基體處氧化鐵皮開始破碎，氧化鐵皮層以FeO為主；當(dāng)變形量為31.3%時(shí)，氧化鐵皮內(nèi)部出現(xiàn)大塊空洞，界面處氧化鐵皮出現(xiàn)破碎和剝落現(xiàn)象。
圖7 1 050°C時(shí)在不同變形量下氧化鐵皮斷面形貌Fig.7 Cross-sectional morphologies of oxide scale with different pressing at 1 050°C
圖8 1 050°C不同變形量下氧化鐵皮厚度相關(guān)曲線Fig.8 Correlation curves of oxide scale thickness after thermal deformation at 1 050°C
圖8所示為1 050°C不同變形量條件下氧化鐵皮的變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖8(a)可以看出：在未發(fā)生變形時(shí)，氧化鐵皮的厚度為169.1～172.2 μm；當(dāng)變形量為10%時(shí)，氧化鐵皮的厚度為151.5～155.6 μm；當(dāng)變形量為21.8%時(shí)，氧化鐵皮的厚度減薄到134.2～138.8 μm；當(dāng)變形量為31.3%時(shí)，氧化鐵皮的厚度降低到120.6～123.4 μm。隨著基體變形量的增加，氧化鐵皮厚度逐漸減薄。從圖8(b)可以看出：隨著壓下量的增大，氧化鐵皮的變形量逐漸增大。當(dāng)基體的變形量低于10%時(shí)，氧化鐵皮與基體變形基本呈等比例關(guān)系，對比氧化鐵皮的變形情況，說明在小變形時(shí)氧化鐵皮的應(yīng)變能能夠滿足變形的需要，變形相對均勻，不易發(fā)生氧化鐵皮破碎；當(dāng)基體的變形量大于20%時(shí)，氧化鐵皮的變形量低于基體變形量，此時(shí)由于氧化鐵皮存在內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于其塑性變形抗力，導(dǎo)致氧化鐵皮破碎。
3 氧化鐵皮高溫?zé)嶙冃螜C(jī)理
圖9所示為實(shí)驗(yàn)鋼在800°C 下保溫2 min 后利用電子背散射衍射儀(EBSD)表征的氧化鐵皮晶體結(jié)構(gòu)，外層為排列緊密的晶粒細(xì)小的Fe3O4等軸晶，內(nèi)層為相對疏松的粗大FeO 柱狀晶。眾所周知，每種氧化物都具有一定的晶體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)eO晶體是類似NaCl 型的面心立方結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3O4晶體是2 種價(jià)態(tài)的鐵離子按照不同的排列方式構(gòu)成的反尖晶石結(jié)構(gòu)[17-20]，具有多晶體的氧化鐵皮發(fā)生塑性變形時(shí)受到晶界的阻礙和不同位向的晶粒的影響。
圖9 實(shí)驗(yàn)鋼在800°C保溫2 min的氧化鐵皮斷面結(jié)構(gòu)Fig.9 Cross-sectional structure of oxide scale of specimen after 2 min oxidation at 800°C
圖10所示為氧化鐵皮中沿晶斷裂過程中裂紋形成示意圖。在熱軋變形過程中，由于多晶體中各晶粒的位向、各滑移系的取向不同，在受到外力時(shí)，位向有利的晶粒、取向因子最大的滑移系滑移方向上的分切應(yīng)力最先達(dá)到臨界切應(yīng)力，開始塑性變形，而其他晶粒仍處于彈性變形狀態(tài)。位向最有利的晶粒發(fā)生塑性變形，其滑移面上的位錯(cuò)源已經(jīng)開動，但由于周圍晶粒的位向和滑移系都不同，晶內(nèi)運(yùn)動的位錯(cuò)受阻于晶界，滑移不能進(jìn)行到另一個(gè)晶界中，位錯(cuò)在晶界處形成平面塞積群。位錯(cuò)平面塞積群在其周圍造成較大的應(yīng)力集中，隨著軋制過程中壓下量的增大，軋制壓力增加，應(yīng)力集中隨之增大，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到晶界強(qiáng)度時(shí)，晶界被擠裂，裂紋萌生。因裂紋擴(kuò)展總是沿著阻力最小的方向路徑發(fā)展，因此氧化鐵皮發(fā)生沿晶界方向上的斷裂。
圖10 裂紋形成示意圖Fig.10 Schematic diagram of crack formation
4 結(jié)論
1)對于700 MPa級高強(qiáng)鋼而言，在800～1 000°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱軋時(shí)，氧化鐵皮主要由內(nèi)側(cè)的FeO和外層的Fe3O4組成。
2)氧化鐵皮厚度、結(jié)構(gòu)與軋制溫度有關(guān)，隨著軋制溫度的升高，氧化鐵皮厚度逐漸增加，氧化鐵皮中FeO 體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。氧化鐵皮在高溫下具有一定的塑性，在同一變形量下，溫度越高，塑性越好。由于FeO 可以保留較多的塑性變形能，同時(shí)沿著氧化鐵皮厚度方向，氧化鐵皮溫度逐漸降低，氧化鐵皮在變形過程中表現(xiàn)為由內(nèi)向外破碎逐漸加劇，外層Fe3O4的變形破碎均比內(nèi)側(cè)FeO的嚴(yán)重。
3) 在同一軋制溫度下，隨著壓下量的增加，氧化鐵皮厚度逐漸減薄。當(dāng)基體的變形量低于10%時(shí)，氧化鐵皮與基體變形基本呈等比例關(guān)系；當(dāng)基體的變形量大于20%時(shí)，氧化鐵皮的變形量低于基體變形量，氧化鐵皮破碎嚴(yán)重。
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