Nb微合金化高強耐候角鋼的變形抗力行為研究

賈陽光，呂若玢，韓方丁，韓 迪，陳 曦，侯 蔚，劉麗敏

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

變形抗力不僅是衡量材料可變形性優(yōu)劣的重要標志，還是設(shè)備選擇、軋輥安全校核、軋制工藝規(guī)程制定的依據(jù)[1-2]。耐候角鋼具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和焊接性能，且環(huán)境友好，全壽命成本低，是輸電鐵塔建設(shè)的理想材料。隨著電壓等級提高，要求鐵塔承載能力不斷增強，又要盡量降低塔重和走廊占地，對高強耐候角鋼需求迫切。近年來，國內(nèi)軋鋼廠對加熱裝置、精煉和軋制設(shè)備等進行了改造升級，完全具備使Nb發(fā)揮最佳強韌化的能力，因此，研究加工時的變形抗力規(guī)律，對Nb微合金化高強耐候角鋼實際生產(chǎn)中軋制工藝參數(shù)的選取和優(yōu)化工藝具有重要意義[3]。本文利用Gleeble -1500熱模擬試驗機和光學(xué)顯微鏡，分析軋制過程的變形溫度、變形速率和變形程度對變形抗力的影響。

1 試驗材料

試驗鋼所取材料為80 mm×80 mm×80 mm的鍛后方坯，采用真空感應(yīng)熔煉爐熔煉，單道次壓縮試驗壓縮試樣為φ8 mm×15 mm，實測成分見表1。

表1 試驗鋼的實測成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

通過激光共聚焦顯微鏡觀察軋后試驗鋼的縱截面顯微組織(見圖1)，室溫組織為帶狀的鐵素體和珠光體， 為典型的軋制后組織。其中， 黑色為珠光體，白色為鐵素體，兩者交替呈條帶分布。應(yīng)用Image-pro軟件來測量晶粒，進一步進行帶狀組織的評級，試制鋼的晶粒尺寸為7.3 μm。

圖1 軋后試驗鋼的縱截面顯微組織

2 試驗鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律

鋼的動態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)可以反映在不同冷卻速度下，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物、轉(zhuǎn)變量和硬度的變化。在新鋼種的研制開發(fā)和新工藝的研究中，特別是在控制軋制和控制冷卻工藝的研究過程中，CCT曲線得到了越來越廣泛的應(yīng)用[4-7]。

為了制定合理的變形溫度和變形速率，利用Gleeble -1500熱模擬試驗機和光學(xué)顯微鏡等分析了試驗鋼在不同冷速下的室溫組織特征，研究了試驗鋼的連續(xù)冷卻相變組織的演變規(guī)律，試驗鋼的CCT曲線如圖2所示。結(jié)合軋后室溫組織，以及不同冷速下的室溫組織特征，優(yōu)選5 ℃/s。

圖2 試驗鋼的CCT曲線

3 試驗鋼的再結(jié)晶規(guī)律

結(jié)合實際生產(chǎn)和CCT曲線，利用Gleeble -1500熱模擬試驗機測得在不同變形溫度下變形后保溫一段時間后的軟化率Xs，研究試驗鋼奧氏體變形后軋制間歇時間內(nèi)的靜態(tài)再結(jié)晶行為。通常情況下靜態(tài)軟化分數(shù)Xs=10%～15%時即可認定為開始發(fā)生再結(jié)晶，靜態(tài)軟化分數(shù)Xs≥90%時就可以認為已完成再結(jié)晶[8-10]。

試驗鋼的靜態(tài)軟化動力學(xué)曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在1 100 ℃變形時，間隙時間達到2 s時，就可以認為靜態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)進行完全，隨著溫度的降低，完成靜態(tài)再結(jié)晶所需要的時間逐漸增加，1 050和1 000 ℃在10 s的間隙時間內(nèi)完成靜態(tài)再結(jié)晶。當溫度降低到950 ℃、間隙時間為90 s時，仍然沒有完成靜態(tài)再結(jié)晶。

圖3 試驗鋼的靜態(tài)軟化動力學(xué)曲線

4 壓縮試驗結(jié)果分析

試驗鋼的單道次壓縮試驗工藝圖如圖4所示。單道次壓縮試驗主要包括如下步驟：第1步為參數(shù)設(shè)置階段，保溫溫度為1 200 ℃，加熱/冷卻速度為5 ℃/s，保溫5 min，應(yīng)變量為0.7，測試溫度即變形溫度分別為1 100、1 050、1 000、950、900和850 ℃，變形速率分別為0.1、1和10 s-1；第2步為壓縮試驗階段，先進行抽真空處理，然后依次加熱、保溫、冷卻至測試溫度保溫1 min后進行壓縮試驗，變形結(jié)束后立即水淬。

圖4 試驗鋼的單道次壓縮試驗工藝圖

4.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

b) T=1 000 ℃

4.2 變形溫度對變形抗力的影響

應(yīng)用Origin軟件對真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)進行非線性回歸，耐候角鋼在不同變形速率下，變形抗力與變形溫度之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，在相同變形速率下，變形抗力σ隨變形溫度T的升高呈指數(shù)降低統(tǒng)計規(guī)律，即lnσ隨著變形溫度的升高呈直線降低的趨勢，變形速率越低，統(tǒng)計規(guī)律越明顯。

圖6 試驗鋼的變形抗力與變形溫度之間的關(guān)系圖

4.3 變形速率對變形抗力的影響

圖7 試驗鋼的變形抗力與變形速率之間的關(guān)系圖

4.4 變形程度對變形抗力的影響

整體來看，當應(yīng)變量<0.2時，應(yīng)力隨應(yīng)變量增加而增加，變形溫度越低和變形速率越慢，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線處于加工硬化主導(dǎo)階段。當0.2<應(yīng)變量<0.35時，應(yīng)力隨應(yīng)變量增加而增加，變形溫度越高，效果越顯著，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線處于由加工硬化向動態(tài)再結(jié)晶型轉(zhuǎn)變階段。當應(yīng)變量>0.35時，應(yīng)力隨應(yīng)變量增加而趨于穩(wěn)定甚至降低，變形溫度越高和變形速率越慢，效果越顯著，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線處于動態(tài)再結(jié)晶型主導(dǎo)階段。當變形速率≤1 s-1、變形溫度≥950 ℃時，變形抗力首先隨著變形程度的增加而快速增大，直至出現(xiàn)峰值，變形抗力隨變形程度增加而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。當變形速率>1 s-1、變形溫度<950 ℃時，變形抗力隨著變形程度的增加而不斷增大，變形抗力的增加速率與變形程度的大小成反比[11]。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)在低的變形速率和高的變形溫度下，Nb微合金化高強耐候角鋼才發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

2)在變形溫度和變形程度一定時，變形抗力隨著變形速率的增加而增大。在高變形溫度和低變形速率下，Nb微合金化高強耐候角鋼才發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，變形抗力隨著變形程度的增加而增大，出現(xiàn)峰值后，變形抗力則逐漸減小。在低變形溫度和高變形速率下，變形抗力則隨著變形程度的增加不斷增大。在低變形溫度和低變形速率下或者高變形溫度和高變形速率下，變形抗力與變形程度關(guān)系較為復(fù)雜。