低溫建筑用高強(qiáng)度低合金鋼的高溫變形行為

劉宏霞 宋 源 秦世宇 楊 魁

（1.吉林工程職業(yè)學(xué)院，吉林 四平 136000；2.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100142；3.北京科技大學(xué)，北京 100083）

近年來(lái)，隨著高層建筑和大跨度建筑的快速發(fā)展，給高強(qiáng)建筑用鋼帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也對(duì)其強(qiáng)塑性、低溫韌性、低屈強(qiáng)比等性能提出了更高的要求［1］。尤其是隨著建筑用鋼在寒冷地區(qū)工業(yè)建筑中的應(yīng)用逐漸增多，如何保證其在低溫環(huán)境下仍具有較好的強(qiáng)韌性和強(qiáng)塑性，避免在受到低溫沖擊載荷作用時(shí)發(fā)生低溫脆斷［2-3］，進(jìn)而影響整體建筑結(jié)構(gòu)的安全性，是科研工作者和生產(chǎn)企業(yè)共同關(guān)注的技術(shù)難題。常用的改善高強(qiáng)建筑用鋼綜合性能的手段包括添加合金元素（Nb、V和Ti等）、控制軋制和控制冷卻等［4-6］，其中對(duì)于建筑用鋼微合金化的研究已經(jīng)較為成熟，但對(duì)微合金化建筑用鋼熱變形行為的研究則相對(duì)較少。實(shí)際生產(chǎn)中的軋制變形通常在高溫和高應(yīng)變速率下進(jìn)行，加熱溫度對(duì)高應(yīng)變速率下低溫建筑用鋼熱變形行為（動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶）的影響及作用機(jī)制尚不清楚［7-9］。本文以低溫建筑用低合金熱軋鋼板為研究對(duì)象，采用熱模擬試驗(yàn)方法研究了變形溫度對(duì)低合金鋼以高應(yīng)變速率熱變形行為的影響，建立了其熱變形本構(gòu)方程，有助于低溫建筑用鋼的工藝優(yōu)化與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為吉林吉鋼鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的低合金熱軋鋼板（厚度16 mm），采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.19%C、0.26%Si、1.48%Mn、0.009%P、0.004%S、0.15%Cr、0.22%Ni、0.11%Cu、0.10%V。采用DIL402PC熱膨脹儀測(cè)得試驗(yàn)鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ac1和結(jié)束溫度Ac3分別為724和810℃。

從熱軋鋼板上切取尺寸φ8 mm×12 mm試樣，在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)［10］。熱壓縮工藝參數(shù)為：預(yù)先將試樣加熱至1 260℃，保溫6 min后冷卻至850～1 200℃，保溫120 s后進(jìn)行單道次壓縮變形，應(yīng)變速率為5 s－1，變形后立即水冷。

金相試樣經(jīng)過(guò)打磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，清洗、吹干后，使用GX51型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察；采用沸騰的飽和苦味酸水溶液腐蝕試樣以顯示奧氏體晶界，采用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件依據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》統(tǒng)計(jì)再結(jié)晶晶粒尺寸；采用線切割方法將熱壓縮試樣加工成薄片后機(jī)械打磨至60 μm厚，再用沖孔機(jī)沖成φ3 mm圓片后進(jìn)行雙噴減薄，電解液采用體積分?jǐn)?shù)為10%的高氯酸酒精溶液，在JEOL-2100型透射電子顯微鏡上進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)觀察，并對(duì)析出相進(jìn)行能譜分析。

2 結(jié)果與分析

圖1為低合金鋼以5 s－1應(yīng)變速率、在850～1 200℃壓縮變形時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線?？梢?jiàn)，變形溫度850～1 200℃范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，隨著應(yīng)變從0增加至0.9，不同變形溫度下低合金鋼的應(yīng)力值在初始階段增長(zhǎng)較快（加工硬化起主導(dǎo)作用所致［11］），而后趨于平穩(wěn)（動(dòng)態(tài)軟化與加工硬化共同作用使流變應(yīng)力趨于平衡），并在應(yīng)變?cè)黾又?.6及以上時(shí)緩慢增加（加工硬化作用產(chǎn)生的流變應(yīng)力增加大于動(dòng)態(tài)軟化作用），整個(gè)應(yīng)變范圍內(nèi)未見(jiàn)流變應(yīng)力峰值，整體呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)特征；應(yīng)變相同，變形溫度越高則相應(yīng)的流變應(yīng)力越小，這主要是在較高變形溫度下低合金鋼的位錯(cuò)滑移阻力更小、原子運(yùn)動(dòng)更快，動(dòng)態(tài)軟化行為更加明顯所致［12］。

圖1 低合金鋼在850～1 200℃壓縮變形時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-true strain curves for the low-alloy steels during compression at deformation temperatures of 850 to 1 200℃

圖2為熱軋態(tài)低合金鋼的顯微組織，為鐵素體＋珠光體，鐵素體呈亮白色，珠光體呈灰黑色。圖3為低合金鋼以5 s－1應(yīng)變速率、在850～1 200℃壓縮變形后的顯微組織，為奧氏體＋再結(jié)晶晶粒。結(jié)合圖1應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，低合金鋼在850～1 200℃范圍內(nèi)未出現(xiàn)峰值應(yīng)力，但其組織已經(jīng)發(fā)生了不同程度的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，說(shuō)明達(dá)到峰值應(yīng)力之前就已經(jīng)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在850～1 100℃壓縮變形時(shí)，溫度越高則再結(jié)晶晶粒越細(xì)小、數(shù)量越多，1 100℃變形的平均再結(jié)晶晶粒尺寸已減小至9 μm；而在1 100～1 200℃壓縮變形時(shí)，溫度越高則再結(jié)晶晶粒越粗大、數(shù)量越少，1 200℃變形的平均再結(jié)晶晶粒尺寸增大至55 μm。這主要是因?yàn)樵?50～1 100℃范圍內(nèi)，低合金鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速率隨溫度的升高而增大，并在1 100℃時(shí)形成細(xì)小等軸晶，而當(dāng)溫度升高至1 100℃及以上時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大和粗化。

圖2 熱軋態(tài)低合金鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of the hot-rolled low-alloy steel

圖3 在850～1 200℃壓縮變形的低合金鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of the low-alloy steel compression deformed at temperatures of 850 to 1 200 ℃

圖4為采用九次多項(xiàng)式非線性擬合法［13］得到的低合金鋼在850～1 200℃壓縮變形后的應(yīng)變硬化率θ-真應(yīng)力σ曲線。對(duì)比分析可見(jiàn)：所有的曲線都有拐點(diǎn)（Ⅱ）；在拐點(diǎn)出現(xiàn)前（Ⅰ），變形溫度為850～1 200℃鋼的應(yīng)變硬化率隨著真應(yīng)力的增加而迅速減小，此時(shí)曲線斜率較大；拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)（Ⅱ），應(yīng)變硬化率下降不明顯，曲線斜率減??；拐點(diǎn)出現(xiàn)后（Ⅲ），應(yīng)變硬化率再次隨著真應(yīng)力的增加而迅速減小，曲線斜率增大。拐點(diǎn)Ⅱ的出現(xiàn)主要是低合金鋼在熱變形過(guò)程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生亞晶，減緩了動(dòng)態(tài)回復(fù)所致［14］。

圖4 在850～1 200℃壓縮變形的低合金鋼的應(yīng)變硬化率-真應(yīng)力曲線Fig.4 Strain-hardening rate-true stress curves for the low-alloy steel compression deformed at temperatures of 850 to 1 200℃

為了確定低合金鋼在不同溫度壓縮變形時(shí)的峰值應(yīng)力σp（θ＝0）、臨界應(yīng)力σc（－ dθ/dσ最小值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）、峰值應(yīng)變?chǔ)舙和臨界應(yīng)變?chǔ)與［15］，根據(jù)圖4的應(yīng)變硬化率-真應(yīng)力曲線繪制了低合金鋼的（－dθ/dσ）-σ 曲線，如圖5所示。表1為對(duì)應(yīng)于圖5低合金鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征值。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，變形溫度越高則低合金鋼的σp和σc越小，相應(yīng)地，εp和εc也逐漸減小，εp/εc比值逐漸增大，在850～1 200 ℃變形的低合金鋼的εc/εp比值為0.475 7 ～0.573 3，小于Sellar等［16］研究得出的εp/εc比值（0.60 ～0.85）。這主要與在相對(duì)較低的應(yīng)變速率下，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)軟化有關(guān)［17］。

圖5 在850～1 200℃壓縮變形的低合金鋼的（－dθ/dσ）－ σ 關(guān)系Fig.5 Relation of － dθ/dσ to σ for the low-alloy steel compression deformed at temperatures of 850 to 1 200℃

表1 低合金鋼在850～1 200℃壓縮變形時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征值Table 1 Characteristic values of dynamic recrystallization of the low-alloy steel compression deformed at temperatures of 850 to 1 200℃

式中：Z為補(bǔ)償變形速率因子；Q為熱激活能（342.08 kJ/mol［19］）；R 為氣體常數(shù)（8.314 J/（K·mol））；A和n分別表示結(jié)構(gòu)因子和應(yīng)力指數(shù)。對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)可得：

將表1中σp代入式（2）并進(jìn)行線性擬合，可得低合金鋼在應(yīng)變速率為5 s－1時(shí)lnZ與lnσp的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。計(jì)算得到結(jié)構(gòu)因子A和應(yīng)力指數(shù)n 分別為7.808 4 ×10－3和7.975 1，再將A和n值代入式（1），得到低合金鋼的熱變形本構(gòu)方程為：

圖6 低合金鋼的lnZ-lnσp關(guān)系Fig.6 Relation of lnZ to lnσpfor the low-alloy steel

圖7 低合金鋼的lnZ-lnε關(guān)系Fig.7 Relation of lnZ to lnε for the low-alloy steel

3 分析與討論

低合金鋼中析出相的透射電鏡觀察結(jié)果如圖8所示。在變形溫度為850℃時(shí)，鋼中有較多的納米級(jí)析出相，尺寸為5～20 nm；當(dāng)變形溫度升高至900℃及以上時(shí)，隨著變形溫度的升高，納米級(jí)析出相數(shù)量減少、尺寸增大，在1 000℃變形時(shí)部分析出相尺寸增大至約40 nm；能譜分析表明該析出相主要含有V、C和N元素，為V（C，N）相［21］。低合金鋼在熱壓縮變形過(guò)程中，位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)等晶體缺陷可以為V（C，N）相形核創(chuàng)造有利條件［22-23］，且在較高變形溫度下析出相的粗化與長(zhǎng)大更加顯著。

圖8 在不同溫度壓縮變形的低合金鋼中析出相的透射電鏡形貌Fig.8 TEM images of the precipitated phase in the low-alloy steel compression deformed at different temperatures

圖9為在800～1 000℃變形的低合金鋼中V（C，N）相的尺寸分布，圖中Np、Dave、Dmax和Dmin分別為V（C，N）相的數(shù)量、平均直徑、最大直徑和最小直徑。再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力FR、位錯(cuò)密度和流變應(yīng)力σ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［24］為：

圖9 在不同溫度壓縮變形的低合金鋼中V（C，N）相的尺寸分布Fig.9 Size distributions of V（C，N）phase in the low alloy steel compression deformed at different temperatures

式中：剪切模量μ為4×104MN/m2；伯氏矢量b為2.5×10－10m；σ和σ0分別表示峰值應(yīng)力和應(yīng)變0.02處的應(yīng)力；M為泰勒因子（面心立方結(jié)構(gòu)取值3.1）；α為應(yīng)力水平因子（面心立方結(jié)構(gòu)取值0.15）；fρ為位錯(cuò)密度因子（取值1）。計(jì)算得到不同溫度變形的低合金鋼的Δρ和FR。如變形溫度850℃時(shí)的Δρ和FR分別為6.98×1014m－2和0.86 MN/m2，900 ℃ 時(shí)的Δρ和FR分別為5.79 ×1014m－2和0.71 MN/m2，950 ℃時(shí)的Δρ和FR分別為4.89 × 1014m－2和0.60 MN/m2，1 000℃時(shí)的Δρ和FR分別為3.99×1014m－2和0.49 MN/m2。

不同溫度變形的低合金鋼中V（C，N）相對(duì)晶界/亞晶界和位錯(cuò)的釘扎力Fp可用如下公式計(jì)算［25-26］：

式中：γ為單位晶界面積的界面能（取值0.79 J/m2）；s和r分別為平均直徑標(biāo)準(zhǔn)差和析出相半徑。由式（8）計(jì)算可得850、900、950和1 000℃時(shí)Fp分別為0.59、0.35、0.34 和0.30 MN/m2。對(duì)比FR和Fp可知，不同變形溫度下FR都大于V（C，N）相的釘扎力Fp，這也說(shuō)明V（C，N）相可以有效延緩低合金鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，與圖3的顯微組織觀察結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

（1）低合金鋼熱軋態(tài)的組織為鐵素體＋珠光體，熱變形后轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體＋再結(jié)晶晶粒。在變形溫度為850～1 100℃時(shí)，溫度越高，再結(jié)晶晶粒越細(xì)小、數(shù)量越多，1 100℃變形的鋼平均再結(jié)晶晶粒減小至9 μm；而1 100～1 200℃變形的鋼，變形溫度越高，再結(jié)晶晶粒越粗大、數(shù)量越少，1 200℃變形的鋼平均再結(jié)晶晶粒增大至55 μm。

（2）在850～1 200℃變形的低合金鋼的εp/εc比值為0.475 7 ～0.573 3，熱變形本構(gòu)方程為εp、εc與Z 之間關(guān)系為εc＝ 3.705 5 ×10－2Z0.0404，εp＝ 3.193 9 × 10－2Z0.0643。

（3）850 ℃變形的低合金鋼中V（C，N）相尺寸為5～20 nm；當(dāng)溫度升高至900℃及以上時(shí)，隨著變形溫度的升高，納米級(jí)析出相數(shù)量減少、尺寸增大，1 000℃時(shí)部分析出相尺寸增加至約40 nm。不同溫度變形的低合金鋼中V（C，N）相的FR都大于Fp，表明V（C，N）相能有效延緩低合金鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。