普通低碳鋼奧氏體晶粒細化及其對變形強化相變鐵素體晶粒尺寸的影響

1、2001年8月August2001鋼鐵研究第4期(總第121期)()普通低碳鋼奧氏體晶粒細化及其對變形強化相變鐵素體晶粒尺寸的影響王瑞珍楊忠民趙燕車彥民(鋼鐵研究總院)摘要),影響。結果表明:通過在奧氏體區(qū)進行低溫(850至約10m。細小,則鐵素體晶粒細小且均勻。關鍵詞普碳鋼晶粒細化AUSTENITEITSINFLUENCEONFERRITEENHANCEDTRANFORMATIONFORPLAINLOWCARBONSTEELWangRuizhenYangZhongminZhaoYanCheYanmin(CentralIron&SteelResearchInstitute)Synops

2、isAustenitegrainrefinementanditsinfluenceontheferritegrainsizeofstrain-en2hancedtranformationforplainlowcarbonsteelhavebeenstudied.Theresultsshowthataustenitegraincanberefinedto10mbyapplyingheavydeformationattemperature850andsizeofaustenitegrainhasinfluenceontheferritegrainsizeofstrain-enhancedtrans

3、formation.Thesmallertheaustenitegrainsizeis,thesmallerandmorehomogeneoustheferritegrainsizewillbe.Howevertheinfluenceisweakeningwithdownfallofthedeformationtemperature.Keywordsplaincarbonsteelgrainrefinementstrainenhancedtransformationgrainsize1引言多年來,晶粒細化一直是追求的目標,它是唯一同時提高強韌性的強化機制。對于普通碳素鋼而言,目前工業(yè)生產的熱軋

4、線棒材鐵素體晶粒晶粒尺寸在2030m之間,它是通過在奧氏體較高溫度區(qū)域的軋制,使得高溫形變的奧氏體發(fā)生完全再結晶,然后相變來得到的。為了使碳素結構鋼的屈服強度由200MPa提高至400MPa,需要m的途徑。普通探索將鐵素體晶粒細化至45低碳鋼未再結晶區(qū)溫度范圍狹窄,文獻1,2認為,在800以上時,形變奧氏體的再結晶不可避免,低于800,再結晶明顯減慢,往往在再結晶之前已有相變發(fā)生。因而對于普碳鋼探討其奧氏體晶粒的細化比較重要,一方面可以通過探討奧氏體晶粒的細化極限,即再結晶控制軋制,來研究獲得目標鐵素體晶粒尺寸的可能性,另一方面,作為熱連軋過程連接奧氏體形變與鐵素體相變的中間環(huán)節(jié)探討其對不同條

5、件下相變的影響,則可為在實際的連軋過程獲得細小鐵素體晶粒提供工藝依據。2實驗方法試驗材料為首鋼生產的Q235120mm方坯鑄聯(lián)系人:王瑞珍,高級工程師,北京市(100081)鋼鐵研究總院結構材料研究所21坯,主要化學成分(w%)0.18C-0.21Si-0.60Mn-0.02S-0.016P。坯料鍛成20棒料,然后經900×1h正火處理。試驗在Gleebe2000熱模擬試驗機上進行。試樣為8mm×12mm圓柱小試樣。試驗方案如圖1所示。計算表明,該鋼的Ae3為841,因而選擇大于Ae3變形溫度范圍8501100之間來研究奧氏體晶粒的細化。如圖1分別在位置1、2、3取水淬樣研

6、究變形工藝參數(shù)(具體工藝參數(shù)將分節(jié)詳細敘述)對奧氏體晶粒尺寸的影響。在)(過冷位置3,當變形溫度Ae3Ar3(750800奧氏體區(qū))之間時,取樣探討不同奧氏體晶粒對形變強化相變鐵素體晶粒尺寸的影響,不同奧氏體晶粒尺寸的獲得可通過加熱狀態(tài)(位置1)、及不同工藝變形(位置2)來獲得。避免的將發(fā)生回復、再結晶乃至晶粒長大。圖3示出了變形溫度(圖1中位置2)、變形量對奧氏體晶粒尺寸的影響。變形條件為:加熱溫度1100,保溫5min,變形量為30%60%,應變速率為10s-1,1s內水淬。金相觀察表明,當變形量為60%時,各溫度下均為等軸狀的細小奧氏體晶粒組織,即形變奧氏體組織發(fā)生了完全的再結晶,再結晶

7、晶粒隨變形溫度的下降明顯細化,850變形時再結晶后的晶粒尺寸約為14m。隨著變形量的降低,當變形溫度由高至低變化時,平均晶粒尺寸的變化也出現(xiàn)轉折,表明奧氏體晶,未再結晶。本,也注意到,各變形溫度下,隨,奧氏體平均晶粒尺寸減小。當變形溫度進一步降低至800時,奧氏體呈變形的拉伸狀,在其晶界及晶內有一定量的鐵素體析出。圖1熱模擬試驗示意圖將變形后的試樣沿加載方向切開,磨制成金相試樣,用過飽和苦味酸水溶液侵蝕觀察奧氏體晶粒組織,硝酸酒精溶液侵蝕觀察鐵素體晶粒組織,并用割線法測定平均晶粒尺寸。3結果和分析3.1奧氏體晶粒的細化圖2加熱溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響加熱溫度的影響:加熱工藝:加熱溫度在900

8、1150之間,間隔50,保溫90s后水淬。圖2示出了不同加熱溫度下(圖1中位置1)的奧氏體平均晶粒尺寸的變化。隨加熱溫度升高,奧氏體平均晶粒尺寸增加。當加熱溫度在9001000時,晶粒尺寸細小(<60um)且均勻;溫度在10001100,出現(xiàn)混晶現(xiàn)象,在此溫度范圍內,隨溫度升高,細晶粒分數(shù)逐漸減少,粗晶比例增加,導致平均晶粒尺寸顯著增加,如圖2,分別示出了其粗、細晶粒尺寸。溫度再升高至1150,則全部為粗晶。奧氏體形變再結晶:高溫變形的奧氏體,不可22圖3變形溫度、變形量對奧氏體平均晶粒尺寸的影響圖4為上述變形條件下變形量為60%的應力應變曲線。從圖中可以看出,當溫度較高1000時,應力

9、應變曲線出現(xiàn)峰值,表明變形過程中有動態(tài)再結晶發(fā)生;當溫度950,應力應變曲線為回復型,表明奧氏體晶粒的細化主要為靜態(tài)再結晶機制。與動態(tài)再結晶晶粒尺寸主要受變形速率與溫度控制不同,靜態(tài)再結晶后的晶粒尺寸也受原始奧氏體晶粒尺寸的影響。3.2奧氏體晶粒尺寸對形變強化相變后鐵素體晶粒尺寸的影響奧氏體晶粒尺寸選取再結晶后的晶粒尺寸范圍1560m之間,通過3.1中不同的加熱或變形工藝來得到。迅速冷卻至800、750(過冷奧氏體區(qū))變形,變形條件:變形量50%、應變速率10s-1,10/s冷卻,得到的鐵素體晶粒尺寸如圖5所示。圖4不同溫度變形時的真應力應變曲線表1列出了雙道次變形條件(圖1中位置3)奧氏體平

10、均晶粒尺寸的變化。第一道次變形以使奧氏體晶粒細化,在此基礎上在進行低溫奧氏體的較大變形。結果表明,原始奧氏體晶粒小,再結晶后晶粒也相對較小,化至10m。但若用(D0-0,因再結晶而產生的細化效果逐漸減弱。表1原始奧氏體晶粒尺寸對再結晶奧氏體晶粒尺寸的影響加熱溫原始奧氏體晶第一道次變形第二道次變形度/粒尺寸/m11001000110020555205圖5奧氏體晶粒尺寸對形變強化相變鐵素體晶粒尺寸的影響如圖5所示,在過冷奧氏體溫度區(qū)間內,在相同的變形溫度下,隨著奧氏體晶粒尺寸的減小,鐵素體晶粒尺寸亦減小;相同的奧氏體晶粒尺寸,變形溫度降低,鐵素體晶粒尺寸減小。同時也可看出,兩變形溫度下,在一定的奧

11、氏體晶粒尺寸范圍內,原始奧氏體晶粒尺寸的影響減小,而當變形溫度較低時,這一晶粒尺寸范圍增加。如800變形時,奧氏體晶粒尺寸在3914m之間時,鐵素體晶粒尺寸在4.95.8m范圍內,750變形時,奧氏體晶粒尺寸在5514m之間時,鐵素體晶粒尺寸在4.25.0m范圍內。亦即變形溫度的降低,奧氏體晶粒的影響減小。但值得注意,與較粗大奧氏體晶粒相比較,有細小奧氏體晶粒轉變而來的組織更加均勻,如圖6。細化率(D-D)/D2511.70.531910.50.44-14.70.92從上述試驗可以得出,奧氏體晶粒的細化可通過優(yōu)化工藝參數(shù),如降低加熱溫度、形變溫度、增加變形量使形變奧氏體發(fā)生完全再結晶而使奧氏體

12、晶粒細化,奧氏體晶?？杉毣?0.5m。圖6750變形后奧氏體晶粒尺寸對鐵素體晶粒均勻性的影響23我們知道,在未變形的奧氏體中,奧氏體晶界是鐵素體的主要形核位置,細小奧氏體晶粒明顯細化相變后鐵素體晶粒。在形變試樣中,鐵素體形核不僅發(fā)生在奧氏體的晶界,同時也發(fā)生在晶內,如位錯密度較高的退火孿晶界和形變帶上,因而,引用了有效晶界面積的概念。文獻4給出了有效晶界面積、原始奧氏體晶粒尺寸與應變量的關系,計算表明,隨著變形量的增加,不同奧氏體晶粒尺寸之間的有效晶界面積之比在減小,當變形量很大時,不同的奧氏體晶粒尺寸的有效晶界面積也將趨于一致。因而在此形變條件下,原始奧氏體晶粒尺寸對相變后鐵素體晶粒的影響

13、減弱。如試驗所表明,某一變形溫度下,在一定的奧氏體晶粒尺寸范圍內,原始奧氏體晶粒尺寸的影響減小?？梢酝茰y,隨著變形量的進一步增加,內形核位置顯著增加,。,在變形,即總的相變驅動力增加的條件下,原始奧氏體晶粒尺寸的影響就更加減弱了。4討論則要靠更低溫度下的變形形變強化(誘導)相變機制來實現(xiàn)。在此條件下,鐵素體有效形核位置的顯著增加需要大變形量。對于一個連軋過程,在總變形量一定的條件下,如何分配變形量來盡可能地細化鐵素體組織值得重視。從本試驗結果來看,原始奧氏體晶粒的減小有利于細化再結晶奧氏體晶粒,同時也注意到,隨著奧氏體晶粒的減小,晶粒細化效果減弱。它表明對應于一個連軋過程,在經過一定道次變形后

14、,在奧氏體再結晶區(qū)進一步變形其細化效果將減弱。從其對鐵素體晶粒的影響來看,在變形和過冷同時提供相變驅動力的條件下,?？梢酝茰y)相變變形量對細。結論(1)普通低碳鋼奧氏體晶粒尺寸隨著變形溫度的降低、變形量的增加、原始奧氏體晶粒尺寸的減小而明顯細化,經反復再結晶后,其奧氏體晶粒尺寸可細化至10.5m。(2)奧氏體晶粒尺寸對形變相變后的鐵素體晶粒尺寸產生影響。奧氏體晶粒細小,則鐵素體晶粒細小且均勻。但其影響隨著變形溫度的降低而逐漸減弱。(3)連軋過程中,適當控制奧氏體再結晶細化量,增加奧氏體形變強化相變變形量對細化鐵素體晶粒會有顯著效果。參考文獻一個熱連軋過程包括板坯的重新奧氏體化、高溫奧氏體形變與

15、再結晶、相變過程乃至鐵素體的回復、再結晶。而最終組織的細化往往是最重要的,組織細化可以提高材料的綜合力學性能。普通低碳鋼Q235,若使其屈服強度由235MPa增至400MPa則需將鐵素體晶粒尺寸細化至45m。圍繞鐵素體晶粒的細化,對上述的相互聯(lián)系的各個物理冶金過程需要控制。由試驗結果可m,知,普碳鋼奧氏體再結晶晶粒細化可至約10由此奧氏體晶粒尺寸欲獲得45m。圍繞鐵素體晶粒的細化,對上述的相互聯(lián)系的各個物理冶金過程需要控制。由試驗結果可知,普碳鋼奧氏體再結晶晶粒細化可至約10m,由此奧氏體晶粒尺寸欲獲得45m的鐵素體晶粒尺寸,根據文獻5提供的公式,則需冷卻速度>40/s,如此快的冷速在現(xiàn)

16、場條件下難以實現(xiàn)。而且,連軋過程為多道次軋制,與單道次、大變形量相比,由于道次間隔時間內的回復軟化及晶粒長大,會使奧氏體晶粒細化效果減弱。因此進一步的晶粒細化241L.J.Cuddy.Theeffectofmicroalloyconcentrationontherecrystal2lizationofausteniteduringhotdeformation.Conf.Proc.,Thermome2chanicalprocessingofmicroalloyedaustenite.EditedbyDeArdoetal.,ThemetallurgicalsocietyofAIME,1981:1291392K.J.Irvineetal.,Controlledrolingofstructuralsteels,JournaloftheIronandSteelInstitute,1970,208:7177263李曼云,孫本榮