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钒氮微合金钢的动态再结晶数学模型研究
发表时间:[2013-03-05]  作者:赵宝纯,赵坦,李桂艳  编辑录入:admin  点击数:1774

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钒氮微合金钢的动态再结晶数学模型研究

赵宝纯,赵坦,李桂艳

鞍钢股份有限公司技术中心

摘  要利用Gleeble3800热模拟试验机对含钒微合金钢进行了温度范围为900℃~1 050℃,应变速率范围为01 s-11 0s-1。的单道次压缩实验,得到了实验钢的应力一应变曲线。采用回归分析法确定了双曲线本构方程中的材料常数,动态再结晶激活能和临界应变量与Z参数的关系。根据该实验钢发生动态再结晶的条件,建立了其动态再结晶图。

关键词:钒微合金钢;动态再结晶;临界应变量;数学模型

目前,在工业生产中广泛采用的控轧工艺是在适当的轧制温度使材料变形以发生动态再结晶,降低变形抗力的同时获得细化的奥氏体晶粒,得到最终细化的晶粒组织,以提高材料的综合力学性能。基于动态再结晶是材料塑性变形时动态软化及晶粒细化的主要方法之一,对其规律的研究可以为制定最优的控制轧制工艺提供依据。研究表明,通过对V微合金化钢的工艺优化,可以节约贵重合金,降低微合金化成本,具有良好的经济效益[1],与控制轧制工艺相配合,可以生产出高性能产品[2]。为此,本文应用Gleeble-3800热模拟试验机通过恒定应变速率单道次压缩实验,研究了一种含钒微合金钢奥氏体动态再结晶的行为。通过应力-应变曲线的变化规律,分析了温度、应变速率对动态再结晶的亚博体育首页,确定了动态再结晶临界条件、再结晶激活能以及Zener-Hollomon参数,获得了试验钢发生动态再结晶的条件,建立了其动态再结晶图,为该钢在轧制中的性能控制奠定基础。

1实验材料及方法

实验材料为含钒微合金钢,其主要化学成分(质量分数,%)为:C 0102Mn 15Si 037V+Ti+Nb=01S 0037P 0051N 001002Fe余量。

将材料加工成Φ10×15mm的圆柱形试样。在Gleeble-3800热力模拟实验机上进行单道次压缩实验,试样加热前,进行抽真空操作,以防止试样在高温变形过程中氧化,并在试样两端垫上厚01 mm的钽片,防止试样与砧头粘连。将试样加热至1150℃,保温3 min,使钢中的钒充分固溶于奥氏体中,之后以5℃/s的冷却速度冷却到不同变形温度,范围取9001050℃,间隔50℃,待温10 s以消除试样内部的温度梯度,最后以恒定应变速率,最大真应变为11,进行压缩变形,研究的应变速率范围取0110s-1

为了研究动态再结晶时的奥氏体显微组织情况,在变形温度为1050℃,应变速率为0.1 s-1的变形条件下,试样以不同的应变量压缩变形后,立即淬水,其它参数与上述实验相同。

2实验结果及分析

21应力一应变曲线

1为实验钢在应变速率分别为011310s-1,变形温度为9001050℃的变形条件下的应力-应变曲线,图2a给出了1050℃未变形奥氏体晶粒的显微组织。在变形的初期,随着应变的增加,应力基本呈线性增加,在这一阶段变形时位错密度不断增加,金属内部畸变能增加,导致材料的加工硬化。随着变形量的增大,形变储存能增加到一定程度,通过位错滑移、重排以及异号位错对消使应变硬化率降低。在温度较高,应变速率较低的变形条件下,应力出现峰值,属于再结晶型流变曲线,发生再结晶奥氏体晶粒的显微组织如图2b所示。当应变量达到稳态应变时,奥氏体晶粒进一步细化,如图2c。在同一应变和应变速率条件下,随着温度的降低,应力值以及峰值应力所对应的应变均增大,这是由于变形温度低,加工硬化率高,回复软化进行困难。当应变速率足够大,对于该含钒微合金钢大于3s。时,在所研究的温度范围内,奥氏体只发生加工硬化和动态回复过程,且在高温变形时,该实验钢的变形行为呈现出相似性,如图1cd所示。

当加工硬化与软化相平衡时,真应力值对应的应变量为发生动态再结晶的临界应变量εc,在εc增至稳态变形开始时的应变量εs的过程中只发生部分再结晶。由图1中可知,在应变  速率小于3s1,变形温度高于1000℃时,应力一应变曲线都有明显的峰值,即在1000℃以上变形时,该含钒微合金钢发生了动态再结晶。而应变为10s1,变形温度在950℃以下时,应力.应变曲线已没有明显的峰值应力,这表明此变形条件下难于发生动态再结晶。

22动态再结晶激活能的计算

材料发生动态再结晶的过程是受热激活过程所支配的,在高温塑性变形条件下,流变应力、应变速率和变形温度之间的关系可用下述蠕变方程定量描述[3]

A=324×1011

23临界应变与Z参数的关系

Z参数与峰值应力,开始发生动态再结晶的临界变形量,发生完全动态再结晶的临界变形量,动态再结晶百分数,动态再结晶晶粒直径以及真应力一应变曲线等密切相关。对于一种金属材料,当Z参数一定时,随变形量的增大,材料组织发生由加工硬化到动态回复再到部分再结晶直至发生完全动态再结晶的一系列变化。Z参数与动态再结晶临界应变量的关系可用如下公式描述[4]

由回归出的关系式可知εc,εslnZ基本上呈线性关系,且临界应变量εc和εs随着lnZ的增大而增大,随着变形温度的升高或变形速率的减小而减小,促进了动态再结晶的发生。图5直观地表示了动态再结晶临界应变量占。和占,与不同变形温度、应变速率的关系。曲面εc和εs,分别把变形条件空间划分为,未动态再结晶区,部分动态再结晶区和完全动态再结晶区。

3结论

1.通过对实验钢的应力一应变曲线分析,采用回归方法,确定了该钢的再结晶激活能Q=283kJmol以及材料热变形条件的Zener-Hollomon参数表达式

根据此条件,建立了该钒氮钢的动态再结晶图。

参考文献

[1]  瞿小平,刘天模.钒微合金化钢工艺优化探讨[J].材料导报,200721(z2)479-481

[2]  杨雄,金永春,王全礼,张功焰.VN微合金化高强度厚板的研制[J].钢铁钒钛,200526(1)16-19

[3]  McQueen H JYue SFry EHot working characteristics of steels in austenitic state[J]Joumal of Materials ProcessingTechnology1995,53293-310

[4]  程晓茹,李虎兴等.管线钢X65高温变形动态再结晶研究[J].金属学报,199733(12)1275-1281

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