05 X80管线钢动态再结晶数学模型的开发

mathematical model
1 前言
目 前 ， 在 工 业生 产 中 广 泛 应 用 的 控 轧工 艺 是 在 适 当 的 轧 制 工艺 下 ， 促 使 材 料 变 形 ，引 发 动 态 再 结 晶 现 象， 从 而 使 材 料 在 降 低 变形 抗 力 的 同 时 获 得 细 化的 奥 氏 体 晶 粒 ， 以 提 高材 料 的 综 合 力 学 性 能 。 动态 再 结 晶 是 材 料 塑 性 变形 过 程 中 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 相 应 最 优 的 控 轧 工艺 提 供 依 据 ， 对 实 际 生产 中 各 种 轧 制 工 艺 参 数的 选 取 和 优 化 工 艺 的 有直 接 的 指 导 作 用 ， 具 有重 要 的 学 术 意 义 和 工 程价 值
2 X80 热模拟试验
2.1 实验材料
X80 变 形 抗 力 试验 在 Gleeble 3500 热 模 拟 机 上 进 行 ， 实 验 用 钢 规 格 是 邯 钢 2250 热 轧 厂 生产 的 厚 度 为 18.6mm 高 级 别 X80 管 线 钢 ， 由 连 铸 坯 粗 轧 后 加工 成 Φ10mm×15mm 的 圆 柱 试 样 ， 如 图 1 所 示 ，利 用 热模 拟 试 验 机 进 行单 道 次 压 缩 试 验 来 测 定试 验 钢 的 应 变 - 应 力 曲 线 。详 细 化 学 成 分 见 表 1。
[ 1]
。
X80 管 线 钢 是 高强 度 管 线 钢 的 美 国分 类 型 号 ，其 屈 服 强 度 ≥551 MPa ，是 目 前 用 途较 广 的 一 种 管 线 钢 ， 市场 需 求 量 较 大 。 研 究 表明 ： 基 于 动 态 再 结 晶 理论 ， 对 其 开 展 相 关 轧 制工 艺 优 化 ， 可 以 节 省 贵 重合 金 的 加 入 量 ， 降 低 微合 金 化 成 本 ， 具 有 良 好的 经 济 效 益 ， 与 控 轧 工艺 相 结 合 ，
Abstract
In this paper ， the thermal simulation experiment of X80 pipeline is launched used by the Gleeble 3500
thermal simulation testing machine ， and the influence about the temperature ， strain and strain rate to the deformation resistance and dynamic recrystallization are analyzed. And according to the testi ng data ， the mathematical model of dynamic recrystallization of X80 pipeline is built faced to the field process parameters. Thus it provide the theoretical support to optimizing the production crafts on -line. Key words X80 Gleeble rolling process deformation resistance dynamic recrystallization
图1
再结晶试验用试件尺寸图
表1 C ≤ 0.08 Si 0.20~0.40
试 验 用 X80 高 级 别 管 线 钢 化 学 成 分 （ % ） Mn ≤ 2.0 P ≤ 0.012 S ≤ 0.002 Nb+V+Ti ≤ 0.2
2.2
试验方案
将 加 工 好 的试 样 利 用 Gleeble 3500 热 模 拟 机 以 20 ℃ /s 的速 度 加 热 至 1180 ℃，保 温 5min 后 ，
本 文 根 据 热模 拟 试 验 结 果 分 别 对 变形 抗 力 的 影 响 因 素 及 动态 再 结 晶 现 象 进 行 了 分析 。
3.1
不同因素对变形抗力影响的分析
（ 1） 变 形 量 对 变 形 抗 力 的 影 响 图 3 为 变 形 50% 的 条 件 下 ，应 变 速 率 为 0.1S -1 、1S -1 、5S -1 、10S -1 条 件 下 不 同 温 度 对应 的 应
速 率 等 工 艺 参 数 对 其 变 形 抗 力 及 动 态 再 结 晶 过 程 的 影 响 ， 并 根 据 试 验 数 据 建 立 了 面 向 现 场 工 艺 参 数 的 X80 管 线钢动态再结晶数学模型，从而为优化其在线生产工艺提供了理论支持。 关键词 X80 Gleeble 轧制过程 变形抗力 动态再结晶 数学模型
a- 变 形 温 度 为 950 ℃
b- 变 形 温 度 为 1100 ℃
图4
变 形 50% 相 同 温 度 、 不 同 应 变 速 率 下 应 力 - 应 变 曲 线
（ 3） 变 形 温 度 对 变 形 抗 力 的 影 响 图 5 为 X80 不 同 应 变 速 率 下，温 度 和 应 力 的 关 系 图。由 该 图 可 知 ，温 度 作 为 影 响变 形 抗 力 诸 因 素 之 一 ，对 其 影 响 非 常 大 。如 在 变 形 量 为 0.5 ，应 变 速 率 为 10s -1 的 条 件 下 ，850 ℃时 的 变 形 抗 力 为 242MPa ； 而 在 相 同 条 件 下， 1100 ℃时 的 变 形 抗 力 为 137MPa ， 只 占 850 ℃时 的 57% 。 这 表 明 ，随 着 温度 的 提 高 ，对 应 X80 的 变 形 抗 力 在 不 断 减 小 ；而 在 温 度 相 同 时 ，若 应变 速 率 提 高， 变 形 抗 力 的减 小 的 趋 势 将 趋 于 缓 和。
图5
变 形 50% 不 同 应 变 速 率 下 温 度 和 应 力 的 关 系 图
3.2
动态再结晶现象分析
由 图 3 还 可知 ，在 应 变 速 率 不 变 的前 提 下 ，随 着 变 形 温 度的 提 高 ，峰 值 应 力（ m ）的 降 低
趋 势 明 显 ，同 时 峰 值 应 变（ m ）的 降 低也 减 小 ，说 明 越 容 易发 生 动 态 再 结 晶 。随 着变 形 温 度 的 降 低 ， 应 力 峰值 向 应 变 增 大 方 向 移 动， 表 明 变 形 温 度 对 动 态再 结 晶 发 生 时 的 临 界 变形 量 的 影 响 趋 势 ， 即 ： 峰值 应 力 越 大 ， 临 界 变 形量 越 大 ， 再 结 晶 越 难 以发 生 。 变 形 温 度 升 高 时， 空 位 原 子 扩 散 和 位 错 进行 攀 移 、 交 滑 移 的 驱 动力 越 大 ， 容 易 发 生 奥 氏体 的 动 态 回 复 和 动 态 再结 晶 ， 即 所 谓 软 化 作 用， 可 消 除 和 部 分 消 除 加工 硬 化 现 象 ， 从 而 导 致 X80 热 变 形 过 程 中 的 峰值 应 力 降 低 。 同 时 ， 由 于 变形 温 度 升 高 ， 原 子 的 热运 动 加 剧 ， 动 能 增 大 ，原 子 间 的 结 合 力 减 弱 ，临 界 切 应 力 降 低 ， 则 流 变应 力 必 然 降 低 。 变 形 温度 较 低 时 ， 加 工 硬 化 速率 较 高 ， 回 复 及 软 化 的进 行 比 较 困 难。 此 外，当 变 形 温 度 一 定 ，不 同 应 变 速 率 下 的 应 力 - 应 变 曲 线 表 明 ：在 其 它 条 件 相 同时 ，随着 应 变 速 率 的增 大 ，峰 值 应 力（ m ）则 逐 渐 增大 。这 是 由 于 位错 运 动 速 率 加 快 ，必 然 需要 更 大 的 切 应 力 ， 则 流变 应 力 必 然 要 提 高 。 应变 速 率 增 大 ， 再 结 晶 的驱 动 力 也 增 大 ； 但 是 大的 应 变 速 率 导 致 X80 塑 性 变 形 过 程 中 的 软 化 过程 来 不 及 迅 速 完 成 ， 加 工 硬 化将 占 主 导 地 位 ， 变 形 抗力 增 加。 因 此 随 着 应变 速 率 的 增 加 ， 动 态 再结 晶 启 动 将 越 来 越 困 难。
以 10 ℃ /s 的 速 度 分 别 冷 却 到 1150 ℃、 1100 ℃、 1050 ℃、 1000 ℃、 950 ℃、 900 ℃、 850 ℃并 保 温 30S（ 消 除 试 样 内 部 温 度 梯 度 ）后 按 照 变 形 量 为 50% ，应 变 速率 分 别 为 0.1S -1 、1S -1 、5S -1 、10S -1 进 行 单 道 次压 缩 ， 变 行 完 成 后 即 淬火 冷 却 试 样 。 试 验 过 程如 图 2 所 示 。 变 形 条 件 ： =50% （ 真 应 变 ）
X80 管线钢动态再结晶工艺数学模型的开发
范 佳 靳芳芳 李建文
（ 河 北 钢 铁 集 团 邯 钢 公 司 ， 河 北 邯 郸 056015 ）
摘要
本 文 利 用 Gleeble3500 热 模 拟 试 验 机 开 展 针 对 X80 管 线 钢 的 热 模 拟 试 验 ， 分 析 了 温 度 、 应 变 量 、 应 变
T 850 ℃ 、 900 ℃ 、 950 ℃ 、 1000 ℃ 、 1050 ℃ 、 1100 ℃ 、 1150 ℃ 0.1S - 1 、 1S -1 、 5S - 1 、 10S -1 水 淬
图2
Gleeble 热 模 拟 试 验 方 案 示 意 图
3 X80 热模拟试验结果分析
Development of Process Mathematical Model of Dynamic Recrystallization of X80 Pipeline
Fan Jia Jin Fangfang Li Jianwen
（ Handan Iron and Steel Co. ， Ltd. Corporation ， Hebei steel and iron group ， Handan 056015 ， Hebei ）
力 -应 变 曲 线 图 。
a- 应 变 速 率 为 0.1sห้องสมุดไป่ตู้- 1
b- 应 变 速 率 为 1s - 1
c- 应 变 速 率 为 5s -1
d- 应 变 速 率 为 10s - 1
图3
变 形 50% 不 同 温 度 、 不 同 应 变 速 率 下 应 力 - 应 变 曲 线
由 该 图 可 以 看出 ， 不 管 在 哪 种 变 形 速率 和 变 形 温 度 下 ， 随 变形 程 度 的 增 加 都 会 发 生加 工 硬 化 现 象，而 且 在 低 变 形 温 度 和 高 应变 速 率 条 件 下，变 形 抗 力 增 加 显 著 。如 在 850 ℃、 0.1s -1 的条 件 下 ， 当 应变 量 为 0.4 时 ， 变 形 抗力 约 为 200MPa ； 而 在 10s -1 的 条 件 下 ， 当 变 形温 度 及 应 变量 相 同 时 变 形抗 力 约 为 240MPa 。 由 图 3 还 可以 看 出 ，当 变 形 量 小 于 0.3 时 ，变 形 抗 力 增 加比 较 显 著 ；当 变 形 量 继续 增 大 时 ， 随 着 变 形 量 的增 加 ， 变 形 抗 力 的 增 加变 的 缓 和 ， 变 形 抗 力 随变 形 程 度 增 加 而 增 加 的速 率 降 低 。 这 是 因 为 随 变形 程 度 的 进 一 步 增 加 ，位 错 密 度 等 结 构 缺 陷 增多 ， 储 能 增 加 ， 促 进 了动 态 回 复 及 再 结 晶 而 引起 。 试 样 温 度 越 高， 其 变 形 抗 力 越 低 ， 这是 因 为 温 度 越 高 ， 越 有利 于 变 形 组 织 动 态 回 复与 再 结 晶 的 发 生 ，减 缓 了 加 工 硬 化 ， 降 低了 变 形 抗 力 。 （ 2） 应 变 速 率 对 变 形 抗 力 的 影 响 图 4 为 相 同温 度 、不 同 应 变 速 率 时的 应 变 - 应 力 曲 线 。由该 图 可 以 看 出 ，应 变 速率 对 变 形 抗 力 的 影 响 较大 。在 变 形 初 期 ，随 着 应 变 速 率 的 提 高 ，变 形 抗 力 急 剧 增 加 ；当 真 应 变 大 于 0.3 时， X80 发 生 范 性 形变 的 功 也 增 大 ，此 功 的 大部 分 转 化 为 热 ，该 热 使 X80 的 温 度 升 高 ，使 得变 形 抗 力 趋 于 稳 定， 甚 至 开 始 降 低 。
可 以 确 保 产品 的 高 性 能 。 本 文 利 用 Gleeble3500 热 力 模 拟 试验 机 ， 针 对 X80 试 验 用钢 开 展 了 单 道 次 压 缩 试验 ， 研 究 了 X80 管 线 钢 的 奥 氏 体 动 态 再 结晶 行 为 。 通 过 应 力 - 应 变 曲 线 的 变 化 规 律 ， 建 立了 轧 制 过 程 变 形 抗 力 数 学 模型 ， 并 分 析 了 温 度 、 应变 量 、 应 变 速 率 对 其 动态 再 结 晶 的 影 响 ， 确 定了 动 态 再 结 晶 的 临 界 条件 ，再 结 晶 激 活 能 与 Z 参 数 的 关 系 ，为 X80 管 线钢 在 轧 制 过 程 中 的 性能 控 制 奠 定 了 基础。