對含鈮鋼粗軋階段再結(jié)晶行為的研究

高 燕，臧振東，李巖杰，劉志衛(wèi)

（河鋼股份有限公司唐山分公司， 河北 唐山 063606）

0 引言

低碳微合金鋼是目前高強度鋼材研究的熱點之一。在低碳微合金鋼生產(chǎn)中常用的微合金元素主要有鈮、釩、鈦等。由于鈮元素具有抑制軋制過程中再結(jié)晶、細化晶粒、沉淀強化以及促進組織轉(zhuǎn)變等作用，因此對于高級別管線鋼而言，鈮元素成為其生產(chǎn)的不可或缺的元素之一。管線鋼要求具有較高的強度和優(yōu)異的低溫沖擊韌性，細化晶粒且均勻以及優(yōu)良的組織，是其達成這種優(yōu)良性能的有效途徑，但是對于含鈮管線鋼，避免高溫軋制時產(chǎn)生再結(jié)晶和非再結(jié)晶的混晶組織，是得到細化且均勻晶粒的前提條件。為了研究鈮含量在粗軋階段對鋼材的再結(jié)晶的影響，本文以兩種含鈮成分不同的低碳微合金鋼作為試驗鋼，首先在Gleeble-3500 熱變形模擬試驗機上進行不同溫度參數(shù)的平面應(yīng)變單道次壓縮試驗，接著通過對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析來研究變形過程中動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶，最后通過奧氏體晶粒度測試分析變形過程后的再結(jié)晶行為，從而為制定合理的低碳鈮微合金鋼的控制軋制工藝提供制定依據(jù)。

1 試驗材料和方法

本試驗采用的試樣是采用多功能真空感應(yīng)爐冶煉的鋼錠，化學成分如表1。

表1 試樣化學成分

加工采用帶鋸+線切割方式，先將料坯鋸成10mm后的料片，在用線切割切成15×20mm的矩形，最終制成10×15×20mm的立方體作為板材模擬軋制的熱模擬樣塊。

試驗方案：對2個不同成分的試樣分別進行試驗，模擬粗軋階段?？紤]到粗軋?zhí)匦?，其有充分的再結(jié)晶和恢復時間，所以僅軋制一道次來模擬粗軋階段，應(yīng)變速率15s-1，壓下量30%,其中平面應(yīng)變按ε=1/A×ln（1-L/L0）計算，軋制模擬溫度（T）分別為1 060 、1 020 、980℃ ，軋制完成后馬上淬火，粗軋熱模擬方案如圖1所示，對淬火后的試樣采用飽和苦味酸+十二烷基丙磺酸鈉加熱60~70℃侵蝕出奧氏體晶粒，測試其晶粒度。

圖1 粗軋熱模擬方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 1號試樣試驗結(jié)果

通過對1號試樣進行3種溫度的試驗結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)1 060℃ 粗軋發(fā)生了充分的動態(tài)再結(jié)晶，晶粒平均尺寸32μm，具體見圖2；1 020℃粗軋完成動態(tài)再結(jié)晶，晶粒平均尺寸26μm，具體見圖3；980℃ 粗軋未完成動態(tài)再結(jié)晶（動態(tài)回復），混晶嚴重，具體見圖4。

圖2 1號試樣1 060℃軋制時奧氏體晶粒

圖3 1號試樣1 020℃軋制時奧氏體晶粒

圖4 1號試樣980℃軋制時奧氏體晶粒

2.2 2號試樣試驗結(jié)果

通過對2號試樣進行3種溫度的試驗結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)1 060℃ 粗軋發(fā)生了充分的動態(tài)再結(jié)晶，晶粒平均尺寸42μm，具體見圖5；1 020℃粗軋完成動態(tài)再結(jié)晶，晶粒平均尺寸29μm，具體見圖6；980℃ 粗軋未完成動態(tài)再結(jié)晶（動態(tài)回復），晶粒平均尺寸26μm，有輕微混晶現(xiàn)象，具體見圖7。

圖5 2號試樣1 060℃軋制時奧氏體晶粒

圖6 2號試樣1 020℃軋制時奧氏體晶粒

圖7 2號試樣980℃軋制時奧氏體晶粒

2.3 軋制模擬應(yīng)力應(yīng)變曲線測試結(jié)果

鋼在加熱變形過程中的動態(tài)回復及再結(jié)晶產(chǎn)生動態(tài)軟化均會影響應(yīng)力—應(yīng)變的變化，因此，通過分析模擬軋制變形的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可研究再結(jié)晶的動態(tài)變化行為，為驗證2.1、2.2的試驗結(jié)果，特進行了軋制模擬應(yīng)力應(yīng)變曲線測試，如圖7、8所示。

從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出變形過程中材料是否發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶[1]，因為當真應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增加而單調(diào)增加時，材料僅發(fā)生了加工硬化；當曲線有最大極值點，如果其后沒有出現(xiàn)穩(wěn)定應(yīng)力段，則材料在發(fā)生加工硬化后又發(fā)生部分動態(tài)再結(jié)晶；如果其后出現(xiàn)穩(wěn)定應(yīng)力段，則材料在發(fā)生加工硬化后又發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶。

從圖7、8曲線上可以明顯看出，2種試驗材料在1 020℃和1 060℃時，材料出現(xiàn)極值后明顯出現(xiàn)穩(wěn)定應(yīng)力段，說明發(fā)生了完全再結(jié)晶，與2.1和2.2的晶粒檢測結(jié)果一致。

圖8 1號試樣應(yīng)變速率15s-1下變形30%真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.4 結(jié)果分析

從試驗結(jié)果可以得出：1 060℃軋制和1 020℃對于含鈮量為0.049%和0.077%的試驗1號和2號鋼種都是一個比較安全的粗軋終軋溫度，不會產(chǎn)生再結(jié)晶區(qū)和非在結(jié)晶區(qū)的混晶現(xiàn)象，得到的成品不會由于粗軋階段因為溫度控制過低造成晶粒的均勻度差的問題，但是1 060℃軋制時，晶粒尺寸過大，而粗軋階段的晶粒粗大會遺傳至精軋階段，也不能消除影響，從而造成最終產(chǎn)品的晶粒粗大，所以相對來說1 020℃作為粗軋的終軋溫度相對較好。

從980℃模擬軋制結(jié)果看，2號試樣較1號試樣的尺寸均勻性稍好一些，且晶粒細化程度較1號試樣大，晶粒有已經(jīng)有輕微的拉長，從而說明進入非再結(jié)晶區(qū)程度更深，再結(jié)晶長大的晶粒比較少，從而晶粒細化。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表，各元素對于再結(jié)晶的影響如下圖9[2]，可知，Nb元素對于再結(jié)晶的終止溫度有提高的作用，這是因為Nb(CN)容易形變誘導析出，釘扎形變奧氏體晶界，因而能有效阻止或推遲再結(jié)晶。

圖9 2號試樣應(yīng)變速率15s-1下變形30%真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖10表明：在相同條件下，鈮含量較高鋼中應(yīng)變誘導析出的數(shù)量應(yīng)大于鈮含量較低的鋼，即在較高鈮鋼中Nb(CN)析出的作用效果強于鈮含量低的鋼。同時形變可以大大加速鋼中鈮的析出過程，形變過程中會產(chǎn)生的大量位錯，為析出相提供形核點，但位錯上析出的Nb(CN)也會對回復以及再結(jié)晶過程產(chǎn)生阻礙。

圖10 奧氏體再結(jié)晶終止溫度與固溶Nb含量(原子百分比)的關(guān)系

從980℃模擬軋制結(jié)果看，2號試樣晶粒細化程度較1號試樣大，部分晶粒有輕微的拉長，從而說明2號試樣析出效果強于1號試樣，2號較多的析出物不但對奧氏體晶粒長大的阻礙作用更強，而且對回復也起到了一定的抑制作用。同時2號試樣晶粒均勻程度好于1號試樣，說明在980℃相同變形條件下，2號試樣的動態(tài)再結(jié)晶完成程度高于1號試樣。因此為避免混晶且保持較細的晶粒尺寸，應(yīng)在980℃變形基礎(chǔ)上適當提高變形溫度，2號試樣的提溫幅度應(yīng)小于1號試樣。

3 結(jié)論

1） 對于試驗樣品，粗軋階段在1 020℃及以上溫度進行終軋均不會產(chǎn)生混晶，但溫度越低，晶粒越細。

2） 對于1號樣品粗軋終止溫度在980℃有嚴重混晶，應(yīng)避免該溫度進行軋制。

3) 為避免精軋后混晶且保持較細的晶粒尺寸，粗軋終軋溫度應(yīng)高于980℃，2號試樣的粗軋終軋溫度應(yīng)小于1號試樣。