静态再结晶-2

图 4.24 在不同退火温度下静态再结晶体 积分数与时间的关系 加热温度：1100℃、应变速率：0.306S-1 、 应变量：0.38
图4.25 在不同应变量下静态再结晶体 积分数与时间的关系 加热温度：1100 ℃、变形温度1000 ℃、 应变速率：0.306S-1

文献指出，对于单相合金，完成一定体积分数的静态再结 晶所需要的时间 tx 与退火温度有如下关系： tx = B * exp(Q/RT) 式中Q为静态再结晶激活能，它与变形条件无关，B为反映 静态再结晶驱动力的因子，在原始奥氏体晶粒尺寸相同的 情况下，它是退火前内储能的递减函数，只有在变形条件 z 值相同的条件下才能计算静态再结晶激活能。根据变形 条件 T=1000 ℃、ε =0.306 S-1 和 T= 925 ℃、 ε =0.106 S-1 符合这个条件，由实验结果可计算出静态再结晶的激 活能为 328.6 KJ/mol。 文献指出：变形温度和应变速率对静态再结晶动力学的影 响可用一个表示变形状态参量－温度校正过的静态再结晶 时间 Wx来衡量 Wx = t0.5 * exp(-Q/RT)
t0.5=B ε-1.8
ε<εp
式中B为常数。从图中可以看出， 在 ε < εp 的条件下，㏑t0.5与 ㏑ε 成 线性关系，且 ε 越小， t0.5 越大； 在ε >ε p的情况下， t0.5对ε 的依 赖关系有所减弱；变形进入稳态 的流变状态后，t0.5与ε 无关。
图 4.28 t0.5与ε之间的关系 加热温度：1100℃ 应变速率：0.306S-1

经上述分析，45V非调质钢完成50%体积分数的静态再结晶所需时间 t0.5与预应变ε 、变形条件Z值及退火温度T之间存在下列关系：
t0.5=A Z-0.454 ε
-1.8
exp(Q/RT)
式中A为常数，Q为静态再结晶激活能。把T0.5与 Z-0.454 ε -1.8 exp(Q/RT)的关系绘图4.29，可见其线性关系很好，且公式中所计算 的各数值与文献给出的碳钢、低合金钢数值基本上吻合。


图4.26给出了W0.5与变形条件中z 值的关系。
㏑W0.5
在变形温度大于900℃的条件 下, ㏑W0.5 与㏑Z呈线性关 系，经计算可得下列关系式：
W0.5 = A Z-0.454
式中A为常数。
图4.26 变形条件z 值对W0.5的影响 加热温度：1100℃ 应变量：0.38

如果静态再结晶体积分数为 10% 的时间定义为静态再结晶的开始时间， 再结晶体积分数为80%的时间定义为再结晶结束时间，那么就可作出 变形温度即退火时间T与时间 t 的关系曲线即静态再结晶动力学曲线， 如图4.27。
图 4.33 变形和再结晶后的晶粒粗化行为 Tr：1100 ℃ ε ：0.306S-1 ε ：1.15

从曲线可以求出再结晶奥氏体晶粒长大的速率，如表4.4。 表4.4 晶粒粗化速率（ ε=0.306S-1 ε=1.15） 再结晶后的平均晶粒粗化速率RGC（μ m/s） 变形温度 （℃） 1100 钢种 第一个 10 s 1.65 1.70 1.20 第二个 10 s 0.15 0.15 0.21 20～40 s 40 s后
T ℃


碳氮化钒在奥氏体中沉淀时主要在晶界或位错亚结构上形核，这是因 为在晶界上形核VCN的界面积只是部分的重建，界面能阻力比较小， 且消耗了奥氏体的界面能；在位错线上形核使位错的应变能减小。根 据晶界及位错的成核理论可知，临界形核功△G*和临界形核尺寸r0*将 减小，特别是在低温、高应变的变形条件下，在位错线上形核将占主 导地位，此时任何尺寸的晶核都可能生长。 VCN的形核速率与以下各因素有关： （1）波尔兹曼因子 exp(- △G*/RT)，它表示在T温度出现涨落振幅为 △G*几率； （2）单位体积中可供形核地点的数目N0； （3）单位时间中与临界晶核相碰撞的原子数β k。 在过冷度不变的情况下，形核率Ns为：
30(min)
90(min) 170(min) 79
36.3
47.0 32.5 39.6

在预应变相同的情况下，静态再结晶晶粒尺寸是温度校正过的应变速 率Z的函数，Z值越大，静态再结晶的晶粒尺寸越小，静态再结晶的晶 粒尺寸drex与Z值的关系如图4.30。
这种关系可用下式表示：
㏑d
drex=C Z-0.164
图4.29 ε 、Z、T对t0.5的影响
4.3.2 静态再结晶的晶粒尺寸 在完全静态再结晶或发生晶粒长大时测定的晶粒尺寸如表4.3。 表4.3 静态再结晶及晶粒长大尺寸
变形及退火 T(℃)
1100
应变速率 ε (/s)
0.306
真应变量 ε
0.38
退火时间(s) 晶粒的平均尺 寸(μ m)
73 55.4
Ns=Z β k N0 exp (△G*/RT)……………….(1)
比例常数Z称为Zeldovich因子，与形核条件无关。 β k 与扩散系数成 正比。

根据（1）式，在某个温度下随时间的延长，由于VCN的析出和位错 亚结构的减少，因而△G*增大；VCN形核地点的数目N0减少；扩散通 道减少，扩散系数降低，所以形核速率Ns将随时间的延长而减小。 VCN一经析出就开始长大，长大的速率与扩散系数有关，位错越多， 扩散系数越大，因而VCN的长大速率越大。 由以上分析知在某个温度下等温时随时间的增加，临界形核功△G*、 临界形核尺寸r0*增加，形核速率Ns和长大速率减小，因而等温到某个 时间时的平均晶粒尺寸和析出的VCN数量将增加。 变形温度也影响VCN的沉淀过程，随变形温度的降低，驱动力△G增 大；临界形核功和临界形核尺寸减小；形核率增大，因而平均的颗粒 尺寸减小，开始析出时的数量增加。析出的化合物结构也受温度影响， 在874～995℃析出VN，在Ar3 ～874 ℃析出VCxN1-x 。
图4.30 变形条件z值时静态再 结晶晶粒尺寸的影响 加热温度：1000℃ 应变量：0.38

在变形条件Z值一定的情况下，静态再结晶晶粒尺寸drex 是预应变ε 的函数，ε 越小，drex越大，它们之间的关系曲线如图4.31。
经计算drex与ε 之间的有如下关系：
drex=Dε
㏑drex
-3.8
式中D为常数。如同讨论应变 量对t0.5的影响一样，当ε >ε p时， drex对 ε 的依赖关系有所减弱；当 ε >ε s时，drex为一定值，不随ε 发生变化。
图4.31 预应变量对静态再结晶晶 粒尺寸的影响 加热温度：1100℃ 变形温度：1000℃ 应变速率：0.306S-1

经上述分析，静态再结晶晶粒尺寸drex与预应变量ε 和变形条件Z值之 间存在如下关系：
drex=A’Z-0.164 ε
-0.38
ε <ε
p
如把 drex 与 Z-0.164ε -0.38 的关系绘于图4.32，可见其线性关系 很好，根据此图就可预测任何条件下的静态再结晶晶粒尺寸。


从图中可以看出，V%是t 和T的函数，在退火温度一定的 情况下，经过一段时间的孕育期就开始析出碳氮化钒，析 出碳氮化钒沉淀物中钒含量随时间t 的变化规律可近似用 Avrami方程表示。 碳氮化钒沉淀物中钒含量也与退火温度有关，随退火温度 降低，析出碳氮化钒的孕育期将减小；开始析出碳氮化钒 的数量增加，如图4.34中 a 所指的数，在850℃为0.0030%， 900 ℃为0.0022%，950 ℃为0.0016%；单位时间析出碳氮化 钒的数量增加。如果把析出物中含有0.0030%V的时间定义 为碳氮化钒开始析出的时间，那么就可以得到碳氮化钒开 始析出的沉淀动力学曲线（如图4.35）。


4.3.4 碳氮化钒的沉淀动力学 用定量化学相分析的方法测定了45V非调质钢在热扭转变形后不同 退火温度（850℃、900 ℃ 、950 ℃ ）和不同退火时间碳氮碳氮化钒沉 淀物中的钒含量。图4.34为在不同退火温度下碳氮化钒沉淀物中钒含 量V%与退火时间 t 的关系曲线。
图 4.34 在不同退火温度下碳氮化钒析出物中钒含量与时间的关系 加热温度：1100℃、应变速率：0.306S-1、应变量：0.38

根据静态再结晶的晶粒比变形的晶粒尺寸小且晶界光滑， 可以确定静态再结晶晶粒（如图 4.23）。

由查点法确定静态再结晶的体积分数。图4.24、图4.25分别为不同变形 温度和应变量条件下的静态再结晶体积分数与时间的关系曲线。可以 看出，变形温度和应变量对静态再结晶动力学有明显的影响，变形温 度越低，应变量越小，完成一定静态再结晶的体积分3.5 微合金元素钒对静态再结晶的抑制作用 在热加工后钢中加入的微合金元素钒以固溶和应变诱发析出的碳 氮化钒两种形式存在。固溶钒对静态再结晶起着固溶阻塞作用，但作 用比较小；而应变诱发析出的VCN对静态再结晶起钉扎作用，剧烈的 抑制静态再结晶。静态再结晶只有随退火时间的增加，析出相以温度 相应的速率长大，钉扎作用消失，静态再结晶才得以进行。 图4.36是45V钢的 RPTT 图。在碳氮化钒的固溶温度 T0以下被分成三个 区： （1）990～930℃，静态再结晶在沉淀析出之前就已完成，因而析出物 对静态再结晶无影响。 （2）930～860℃，在静态再结晶进行的过程中开始析出VN，此时由 于热加工时储存的能量已部分释放，应变诱发碳氮化钒析出的作用比 较小，且开始析出的VN数量也很少，因而析出物对静态再结晶的抑制 作用也很小。 （3）860～Ar3℃，热加工储存的能量大，应变诱发VCN析出的作用大， 且VCN析出的驱动力大，因而在再结晶开始以前析出大量的尺寸细小 的VCN，这些析出物剧烈的抑制再结晶，使再结晶开始和终了曲线推 迟。
drex(um)
图4.32 Z、ε 对drex的影响 加热温度：1100℃
4.3.4 再结晶奥氏体的晶粒长大 热扭转试样在1100℃*30‘奥氏体化后冷却到变形温度，然后以 0.306S-1的应变速率变形到ε =1.15。在这种条件下所有试样都处于稳 定的流变状态。试样卸载后在变形温度下保温不同的时间再淬火，测 定再结晶奥氏体的晶粒尺寸，得出再结晶奥氏体的晶粒尺寸与保温时 间的关系曲线，如图4.33。