高强度钢的动态再结晶行为研究

・试验研究・高强度钢的动态再结晶行为研究关奎英１，唐荻１，武会宾１，谢勇１，孙全社２（１北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京１０００８３；２宝山钢铁股份有限公司技术中心，上海２０１９００）摘要：采用Ｇｌｅｅｂｌｅ１５００热模拟实验机研究了高强度钢在不同条件下热变形时的动态再结晶行为以及晶粒尺寸的变化规律，确定了该钢的动态再结晶激活能为２９４０９６Ｊ／ｍｏｌ，建立了动态再结晶行为的数学模型，分析了变形工艺参数对再结晶行为以及晶粒尺寸的影响。

变形温度和变形速率是影响动态再结晶的主要因素，一般在高的变形温度和小的变形速率下，动态再结晶才能发生。

关键词：高强度钢；动态再结晶；变形温度；变形速率；热模拟实验机中图分类号：ＴＧ１１１．７文献标识码：Ａ文章编号：１００４－４６２０（２００７）０２－００４２－０３收稿日期：２００６－１２－１２作者简介：关奎英（１９８１–），男，陕西西安人，北京科技大学高效轧制国家工程研究中心２００４级材料加工专业硕士研究生。

研究方向：金属加工工艺。

１前言高强度钢在工程机械大型钢结构等领域有着广泛的应用，因此在国民经济中发挥着重要的作用。

近几年，上海宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢）开发了一系列高强度和超高强度钢，供应市场，满足机械和航空航天等行业的需求。

本研究主要探讨高强度钢热变形后冷却过程中奥氏体的转变规律。

一般金属在热变形过程中，位错增殖产生的加工硬化逐渐被动态回复或动态再结晶软化所平衡，最终达到稳态流变。

应变速率越大，再结晶的驱动力也越大，然而，加工硬化作用也随着应变速率的增大而增大，因此，再结晶软化与加工硬化二者的作用相互平衡时的峰值应力及峰值应变均增大［１，２］。

微合金钢热变形过程中的动态再结晶以及变形后的静态再结晶行为是影响变形抗力的主要因素，同时也对随后的奥氏体相变行为产生影响。

因此，通过建立奥氏体再结晶行为的预测模型，由钢材的化学成分及工艺参数可预测并控制钢材最终的机械性能，完成钢材的化学成分及轧制工艺参数的设计优化［３］。

利用单道次压缩的实验方法，研究了实验钢热变形过程中的动态再结晶行为。

同时，利用双道次压缩的实验方法，研究了实验钢变形间隔时间内奥氏体的静态再结晶行为，为研究相变行为和制定轧制工艺提供理论依据。

２实验材料和方法实验用材料为宝钢生产的热轧高强度钢，从锻造坯料上截取并加工成直径为８ｍｍ，长度为１５ｍｍ的试样。

通过单道次压缩实验研究其动态再结晶规律，建立动态再结晶模型并比较模型计算和实验测得的结果，热压缩变形实验工艺如图１所示，采用５个变形温度，分别为８５０、９００、９５０、１０００和１０５０℃，３个不同的变形量，真应变ε分别为０．２、０．４、０．８，变形速率为１．０ｓ－１。

图１单道次压缩变形工艺３实验结果及分析图２为不同变形速率下的应力－应变曲线。

可以看出，当变形速率为５．０ｓ－１时，应力一应变曲线没有出现峰值，随着应变的增加，变形抗力（即应力）同步增加，所以并没有发生动态再结晶。

分析可知，因变形速率较快，且高强度钢中含有Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ合金比较多，对动态再结晶的形核和晶粒长大有明显阻碍作用，推迟动态再结晶的效果十分明显，不易发生和完成动态再结晶。

图２不同变形速率下的应力－应变曲线即使在１０５０℃温度、变形速率为１ｓ－１时，也没有出现动态再结晶。

当变形速率为１．０、０．５ｓ－１时，变形抗力在到达峰值后基本保持稳定，此时动态软化基本和加工硬化程度相等。

当变形速率为０．１、０．０５ｓ－１时变形抗力出现峰值，并随之下降，表明此两种变形条件下其动态软化超过了加工硬化，发生了明显的动态再结晶。

第２９卷第２期２００７年４月山东冶金ＳｈａｎｄｏｎｇＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＶｏｌ．２９，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ２００７４２图３为不同变形温度下的应力－应变曲线，可知温度小于９５０℃时，应力一应变曲线没有出现峰值，即没有发生动态再结晶。

而当温度大于９５０℃时，实验钢发生了动态再结晶。

图３不同变形温度下的应力－应变曲线３．１动态再结晶变形激活能的计算及分析一般Ｃ－Ｍｎ钢很容易发生动态再结晶，其临界应变量非常小，真应变只在０．０５左右，而一般的含Ｎｂ钢的临界真应变都在０．３以上，达到稳定状态所需的应变量相差更大。

因此，临界变形量和稳定形变量的确定是非常关键的，如果修正了这两个参数，也就修正了模型，而影响二者的主要参数为动态再结晶激活能［４］。

高强度钢高温变形的特性以及变形应力应变曲线可以判断动态软化的开始和结束时所对应的应变，从而得到两者的变形特征参数，并建立动态再结晶动力学、晶粒尺寸数学模型。

在热变形过程中，高温屈服应力决定于变形温度和变形速率，并可用如下的蠕变方程表示：Ｚ＝ε・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）＝ｆ（σ）（１）式中Ｚ———Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎ参数，其物理意义是有温度补偿的应变速率因子；Ｑ———变形激活能，反映了材料热变形的难易程度，是材料热塑性变形的重要力学性能参数；Ｒ———气体常数；ｆ（σ）———应力的函数。

分析表明，不仅峰值应力σｐ和稳态应力σｓ，而且任意应变时对应的应力都符合式（１）。

ｆ（σ）有两种表示形式：ｆ１（σ）＝Ａσｎ（２）ｆ２（σ）＝Ｂｅｘｐ（βσ）（３）式中Ａ、Ｂ、β是常数，ｎ是应力指数。

一般认为，式（２）适用于应力较低时的热变形，而式（３）则适用于应力较高的热变形。

通过对多组实验数据的分析，选定合适的热变形工艺状况，用式（２）或式（３）计算高强度钢的变形激活能［５］。

式（２）和式（３）中的σ一般认为是稳态应力σｓ，但由于σｓ的测量精度受仪器测量精度的影响较大，故一般用峰值应变σｐ代替σｓ，如图４所示，ｌｎε・和σｐ之间具有很好的线性关系，即：ｌｎε・＝βσｐ，所以ε・＝ｅｘｐ（βσｐ），从而得到：Ｚ＝ｅｘｐ（βσｐ）ｅｘｐ［Ｑ／（ＲＴ）］对于一定的温度，ｅｘｐ［Ｑ／（ＲＴ）］为常数，得到如下关系式：Ｚ＝Ｂｅｘ（βσｐ）（４）联立式（１）和（４）可得：Ｂｅｘｐ（βσｐ）＝ε・ｅｘｐ［Ｑ／（ＲＴ）］（５）在温度恒定的情况下，对上式两边取自然对数，再对σｐ求偏微分，则系数β可表示为：β＝［!（ｌｎε・）／!σｐ／］Ｔ＝１／［!σｐ／!（ｌｎε・）］Ｔ（６）以ｌｎε・和σｐ为坐标，通过线性回归得到β值为０．０５９２。

假定应变速率恒定，对式（６）两边取对数，并对１／Ｔ求导，得到形变激活能：Ｑ＝Ｒβ［!σｐ／!（１／Ｔ）］ε・＝Ｒ（!ｌｎε・／!σｐ）Ｔ［!σｐ／!（１／Ｔ）］ε・（７）设Ｋ＝［!σｐ／!（１／Ｔ）］ε・，以σｐ和１／Ｔ为坐标拟合，即求得平均斜率Ｋ为５９７４９０，而Ｑ＝ＲβＫ，气体常数Ｒ值一般取８．３１４５，计算得到其形变激活能为２９４０９６Ｊ／ｍｏｌ。

１０００和９５０℃时σｐ－ｌｎε・关系见图４。

图４１０００和９５０℃时σｐ－ｌｎε・关系３．２Ｚ与变形参数的关系临界应变εｃ和峰值应变εｐ都是与形变温度和应变速率有关的，也就是说这些参数与Ｚ参数有关，将变形激活能计算结果代入式（１）可知，Ｚ是由变形温度、变形速率和变形激活能决定的。

对实验数据进行回归，可以得到以下表达式：εｃ＝０．８３εｐ＝１．２８７Ｚ０．２２７在一定的变形条件下能否发生再结晶取决于其变形量能否达到由Ｚ参数决定的临界变形量，高强度钢热轧时道次变形量约在０．３（２６％）左右，由变形温度、速率和再结晶激活能所决定的临界变形在热轧范围内应在０．４５～０．６（３６％～４５％）之间，高强度钢经多道次轧制时两道次累积变形基本达到或超过临界变形量，所以在第二道次以后会发生动态再结晶［６］。

对于峰值应力σｐ，可以对式（４）两边求导得到：σｐ＝ｌｎＺ／β－ｌｎＢ／β（８）可以看出ｌｎＺ和σｐ呈线性关系，以ｌｎＺ和σｐ为坐标作图（见图５），经线性回归后可得σｐ和Ｚ关系为：σｐ＝１６．８９ｌｎＺ－２８０．６８５４（９）高强度钢的动态再结晶行为研究关奎英等２００７年第２期４３εｌｎＺ３．３再结晶状态和Ｚ的关系图６为根据实验结果给出的高强度钢的动态再结晶状态图，图中Ａ、Ｂ、Ｃ三个区分别表示未发生动态再结晶区、部分动态再结晶区和完全动态再结晶区。

由图６可见，随Ｚ参数减小，发生动态再结晶所需的临界变形程度变小。

３．４再结晶组织及影响因素分析应变速率为０．０５和０．１ｓ－１以下时，由于变形速率很慢，所以再结晶进行的比较充分，大部分为等轴的再结晶晶粒，部分晶粒有所长大。

图７、图８分别为原始奥氏体晶粒和组织基本完成动态再结晶晶粒，可以看出，动态再结晶晶粒比原始组织有明显的细化，晶粒直径由５０μｍ左右细化到２０μｍ以下，说明次变形条件下动态再结晶的晶粒细化作用比较明显。

３．５变形温度和变形速率组织和性能的影响图９为高强度钢在相同的奥氏体化温度保温冷却到不同的变形温度并以不同的变形速率变形后淬火得到的室温显微组织。

（ａ）０．０５ｓ－１，１０５０℃（ｂ）１ｓ－１，１０００℃图９变形温度和变形速率对组织的影响图９（ａ）为基本完成再结晶奥氏体晶粒，可以看出，晶粒比原始组织有明显的细化。

晶粒直径由５０μｍ左右细化到２０μｍ以下。

图９（ｂ）为当变形速率增加到１ｓ－１时，在实验给定的应变范围内没有发生动态再结晶，奥氏体晶粒被压扁，变成长条状，晶界由比较平滑变成锯齿状，这种带有锯齿状的晶界在随后的变形等温保持过程中是静态再结晶的主要形核位置［７］。

由图中可以看出，在不同的变形温度变形，对高强度钢的组织影响不是太大，在１０００℃和１０５０℃变形，其组织都是马氏体、针状铁素体和少量贝氏体，而且其变形前的奥氏体晶界很清晰。

变形速率对组织的影响比较显著，速率为０．０５ｓ－１的晶粒明显比１ｓ－１的细小，主要是因为变形速率小时，再结晶组织有充分的时间长大。

４结论４．１高强度钢在低温（９５０℃以下）、应变速率较大（大于０．５ｓ－１）时不能发生动态再结晶。

在高温、应变速率较小的条件下经历了动态硬化、动态再结晶的过程。

４．２高强度钢的变形参数与Ｚ的关系为，峰值应力和Ｚ的关系为：Ｚ＝ε・ｅｘｐ（２９４／ＲＴ），峰值应力和Ｚ的关系为：σｐ＝１６．８９ｌｎＺ－２８０．６８５４。

４．３通过建立的高强度钢动态再结晶模型和动态再结晶状态图，可以判断一定的变形条件能否发生动态再结晶。

参考文献：［１］李曼云，孙本荣．钢的控制轧制和控制冷却技术手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９０．［２］毛卫民，赵新兵．金属的再结晶与晶粒长大［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９４．［３］王瑞．高合金超高强度钢的微观组织及强韧化机制的研究［Ｄ］．东北大学硕士学位论文，２００２．［４］钟云龙，刘国权，刘胜新，张艳．新型油井管钢３３Ｍｎ２Ｖ的动态再结晶规律研究［Ｊ］．钢铁，２００３，３８（２）：４３－４５．［５］张鸿冰，张斌．两种结构钢的热变形行为及其数学模型［Ｊ］．钢铁研究学报，２００６，１８（２）：４４－４５．［６］Ｊ．Ｍｒｅｏｗｅｎ，ＣｏｂａｌｔＣｏｎｔａｉｎｉｎｇＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｅｅｌｓ［Ｊ］．ＭｅｔａｌＰｒｏｇｒｅｓｓ，１９７５，１０７：５２．［７］Ｆ．Ｂ．Ｐｉｃｋｉｎｇ．ＰｈｖｓｉｃａｌＭｅｔａｌｌｕｒｇｙａｎｄｔｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＳｔｅｅｌｓ［Ｍ］．ＥｎｇｌａｎｄＬｏｎｄｏｎ：ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９７８．５０μｍＳｔｕｄｙｏｎＤｙｎａｍｉｃＲｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎＢｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｅｅｌＧＵＡＮＫｕｉ－ｙｉｎｇ１，ＴＡＮＧＤｉ１，ＷＵＨｕｉ－ｂｉｎ１，ＸＩＥＹｏｎｇ１，ＳＵＮＱｕａｎ－ｓｈｅ２（１ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒＦｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＲｏｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＴｈｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒｏｆＢａｏｓｈａｎＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１９００）Ａｂｓｔｒａｃｔｓ：ＤｙｎａｍｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｈｅａｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｎｇｅｒｕｌｅｓｏｆｔｈｅｇｒａｉｎｓｉｚｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇＧｌｅｅｂｌｅ１５００ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄａｓ２９４０９６Ｊ／ｍｏｌ．Ｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｉｎｆｅｃｔｉｏｎｓｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒａｔｅａｒｅｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅ－ｃｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｃｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｃｃｕｒｒｅｓｗｈｅｎｄｅｆｏｒｍｅｄｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｌｏｗｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒａｔｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ；ｄｙｎａｍｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒａｔｅ；ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｏｒ图５σｐ和ｌｎＺ的关系图６高强度钢动态再结晶状态山东冶金２００７年４月第２９卷图７原始奥氏体晶粒图８０．０５ｓ－１、１０００℃再结晶晶粒４４。