低碳鋼q2-35熱變形超細(xì)晶組織的研究

低碳鋼q2-35熱變形超細(xì)晶組織的研究

1試驗(yàn)研究的領(lǐng)域20世紀(jì)70年代開發(fā)的微合金化理論、控屑和冷卻技術(shù)可以將微鋼板和帶的鐵素體顆粒細(xì)分到5.m，屈服強(qiáng)度可以增加到大約200mpa的范圍。近十幾年來(lái),開展了獲得超細(xì)晶組織的研究,有效地提高鋼的強(qiáng)度和韌性。其中以普通C-Mn鋼獲得超細(xì)晶的工藝機(jī)制為研究工作重點(diǎn),獲得了2~3μm的超細(xì)晶鐵素體,屈服強(qiáng)度大于400MPa。日本住友工業(yè)公司軋制出成分為0.1%C-1.7%Mn-0.03%Nb,晶粒尺寸為5.5μm,直徑為32mm的優(yōu)質(zhì)棒鋼?？刂凭垯C(jī)溫度為725℃,圓棒軋材屈服強(qiáng)度為454MPa。未來(lái)鋼鐵材料研究發(fā)展方向是以高純潔度、高均勻度和超細(xì)晶為主要目標(biāo),以節(jié)省資源、降低成本和可回收利用為研究的基本原則。本文通過(guò)研究普通低碳鋼(Q235類型)長(zhǎng)型材獲得微米級(jí)細(xì)晶組織的工藝技術(shù)和物理冶金原理,采用細(xì)化組織方法將低碳鋼屈服強(qiáng)度提高到400MPa級(jí),以適應(yīng)建筑等行業(yè)對(duì)提高強(qiáng)度降低成本的發(fā)展需求。其首要目標(biāo)是在新的理論研究的基礎(chǔ)上,研究細(xì)化晶粒到4~5μm,控制組織為F+P+(B)的軋鋼控制新工藝。2實(shí)驗(yàn)研究中的問(wèn)題通過(guò)對(duì)普通碳素鋼Q235(鋼的成分見表1)在Gleeble-2000熱變形模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行臨界奧氏體溫區(qū)Ae3-Ar3附近,單道次和多道次變形模擬實(shí)驗(yàn),探討研究得到超細(xì)晶組織物理冶金原理及相應(yīng)的工藝制度。由于試驗(yàn)條件限制,首先將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到工廠的橫列式軋機(jī)上進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn),經(jīng)檢測(cè),利用該工藝方案可以軋出屈服強(qiáng)度400MPa以上的?φ12mm的螺紋鋼筋。實(shí)驗(yàn)測(cè)得碳素鋼Q235的相應(yīng)參數(shù)如下:在10℃/s冷卻條件下Ar3~780℃,PS~700℃(珠光體開始共析點(diǎn)溫度),經(jīng)熱力學(xué)軟件Thermo-calc計(jì)算Ae3~840℃。連鑄坯經(jīng)鍛造和900℃×2h正火后加工成?φ10×12mm試樣,用于變形模擬實(shí)驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1變形溫度和變形量對(duì)顯微尺寸的影響選定850~1150℃區(qū)間,研究形變參數(shù)對(duì)奧氏體的影響。熱變形模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:(1)加熱溫度對(duì)奧氏體晶粒度的影響見圖1。試驗(yàn)用Q235鋼在空氣爐加熱條件下,奧氏體晶粒在850~950℃溫度范圍內(nèi)迅速長(zhǎng)大,且對(duì)均溫時(shí)間比較敏感。當(dāng)溫度從950℃升至1150℃時(shí),晶粒長(zhǎng)大傾向明顯減小,晶粒尺寸趨于均勻。(2)不同變形工藝下,奧氏體晶粒尺寸隨變形溫度下降而減小(圖2)。當(dāng)?shù)来巫冃瘟繛?0%時(shí),4道次變形,變形溫度相同,道次間隔時(shí)間短時(shí),得到的奧氏體晶粒細(xì)小,且相同變形溫度范圍內(nèi),奧氏體晶粒尺寸變化幅度小,即溫度的影響較小。道次間隔時(shí)間短有利于奧氏體晶粒細(xì)化。變形量對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響:相同溫度下,變形量大,奧氏體晶粒尺寸減小。連續(xù)變形條件下,奧氏體的最小晶粒尺寸可達(dá)10μm。3.2單道次變形誘導(dǎo)鐵素體的制備試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于普通碳素鋼采用傳統(tǒng)的控軋控冷工藝很難細(xì)化奧氏體晶粒,以達(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒為4~5μm的目的,需要研究全新軋制工藝。為此對(duì)不同的變形溫度、變形量、變形速率、以及變形后的冷卻速率進(jìn)行了大范圍的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果如下:(1)形變溫度區(qū)間:B.Mintz等人提出Ae3~Ar3-20℃范圍內(nèi)均可誘導(dǎo)析出鐵素體。Yada等認(rèn)為Ae3~Ar3溫度區(qū)間內(nèi)通過(guò)大變形可以獲得等軸均勻的超細(xì)晶鐵素體。本試驗(yàn)選擇變形溫度為Ae3溫度區(qū)、Ae3~Ar3溫度區(qū)間、Ar3~PS(珠光體共析點(diǎn)起始溫度)溫度區(qū)間、PS四個(gè)溫度區(qū)間,在Gleebl-2000上進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)為:900℃保溫2min,10℃/s冷卻到變形溫度,一道次80%變形和兩道次50%+50%變形,變形速率30s-1,變形結(jié)束后立即水淬。結(jié)果表明:在Ae3+30℃~Ar3-30℃區(qū)間內(nèi)大變形均可以獲得等軸均勻誘導(dǎo)析出鐵素體(圖3(a)),可以推論誘導(dǎo)析出的鐵素體溫度比Ae3+30℃還高。低于共析溫度形變,會(huì)出現(xiàn)變形的鐵素體和變形珠光體的特征組織,并且會(huì)導(dǎo)致微觀組織具有條帶狀(圖3(c)),在PS~PS+50℃變形,部分鐵素體具有形變帶,形變誘導(dǎo)鐵素體會(huì)出現(xiàn)變形奧氏體的遺傳特征,呈現(xiàn)胞狀組織(圖3(b))。一道次和兩道次變形具有共同的規(guī)律。變形量達(dá)80%時(shí),在870~760℃獲得尺寸數(shù)量相同的超細(xì)鐵素體(約2μm),因此大變形條件下鐵素體晶粒尺寸和數(shù)量受溫度的影響小(圖4(a))。(2)變形速率的影響:形變速率提高,將會(huì)提高誘導(dǎo)鐵素體所需的形變量。試驗(yàn)選擇形變速率范圍30~350s-1,一道次,80%變形量,變形溫度870℃(圖4(b))。結(jié)果表明:隨著變形速率的提高鐵素體的含量(體積百分比)下降,鐵素體的形貌由均勻等軸變?yōu)獒槧?、塊型、非等軸形貌等復(fù)合形貌,表明誘導(dǎo)析出鐵素體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過(guò)程逐漸減弱,表現(xiàn)出了誘導(dǎo)鐵素體和其再結(jié)晶的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。同時(shí)表明,形變速率的提高,相當(dāng)于相對(duì)減小變形量,不利于鐵素體的誘導(dǎo)析出量和晶粒的均勻化。(3)變形量和應(yīng)力:試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)形變誘導(dǎo)鐵素體獲得超細(xì)晶組織隨變形量的變化而發(fā)生變化。因此,獲得等軸均勻的鐵素體細(xì)晶組織必須要大于相應(yīng)的臨界變形量。圖5為830℃單道次不同變形量的應(yīng)力應(yīng)變曲線。當(dāng)應(yīng)變值在0.4附近,應(yīng)力達(dá)到峰值,而小于0.4的應(yīng)變量變形時(shí),曲線一直沒(méi)有峰值出現(xiàn)。在870~760℃,單道次80%變形和兩道次50%+50%變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有以上共同規(guī)律。對(duì)于長(zhǎng)型材孔型軋制,研究多道次累積變形對(duì)形變誘導(dǎo)鐵素體的影響尤為重要。MatsumuraY.的實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)變形道次間隔時(shí)間小于2s時(shí),多道次的累積變形和一道次變形獲得超細(xì)晶鐵素體的效果相同。本研究結(jié)果表明:不同的道次間隔時(shí)間,影響材料組織成分,晶粒尺寸也不盡相同。變形量的不同,誘導(dǎo)鐵素體的含量和晶粒尺寸將會(huì)不同(圖4(a)),變形量的增加,會(huì)增加鐵素體的含量和減小尺寸,同時(shí)誘導(dǎo)鐵素體的形貌也會(huì)發(fā)生變化,小于0.4變形量時(shí)將不發(fā)生鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。圖6為80%和40%變形的微觀組織的對(duì)比,80%變形可獲得等軸均勻的微觀組織,而40%變形出現(xiàn)的組織是非均勻的。Hodgson的研究結(jié)果表明形變誘導(dǎo)鐵素體不易控制均勻組織成分和鐵素體含量。因此,利用形變誘導(dǎo)鐵素體機(jī)制獲得超細(xì)晶組織,將需要嚴(yán)格的工藝制度。3.3試驗(yàn)控冷和冷卻速度對(duì)晶粒尺寸的影響由于碳素鋼Q235沒(méi)有微合金元素的合金析出粒子的晶界釘扎作用,誘導(dǎo)出的超細(xì)晶鐵素體非常容易長(zhǎng)大。軋后的控冷成為控制晶粒尺寸的有效方法。試驗(yàn)參數(shù):以10℃/s冷到變形溫度,壓縮變形ε=34%,形變速率10s-1,變形后以不同冷速冷卻。結(jié)果見表2,選擇適當(dāng)冷卻速度可以控制晶粒尺寸(約5μm)和組織成分,獲得良好強(qiáng)度性能。表中σs、σb、ψ分別為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率。3.4工藝路線及效果基于實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果,提出了臨界奧氏體控軋的工藝方案,即在Ae3~Ar3奧氏體亞穩(wěn)溫區(qū)附近進(jìn)行控軋的工藝方案,并且在唐山鋼鐵公司橫列式軋機(jī)上進(jìn)行了400MPa級(jí)碳素鋼鋼筋軋制試驗(yàn)。通過(guò)降低開軋溫度方法實(shí)現(xiàn)低溫軋制和控制終軋溫度的方案,并且采取軋后水冷+空冷的方法控制晶粒度,實(shí)現(xiàn)了既定的工藝路線。采取遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫儀多點(diǎn)測(cè)試方法對(duì)溫度測(cè)試和對(duì)溫度的控制。結(jié)果獲得了400MPa級(jí)性能良好的?φ12mm碳素鋼螺紋鋼筋,鋼筋的前段、中間段、后段性能一致。圖7表明了不同工藝條件下軋制鋼筋的不同晶粒尺寸與屈服強(qiáng)度的關(guān)系,表明利用該工藝,通過(guò)細(xì)晶的獲得,可以提高鋼筋強(qiáng)度。同樣工藝在兩相區(qū)軋制,也可以獲得超細(xì)晶組織,但是對(duì)溫度區(qū)間需嚴(yán)格控制。用該工藝方案軋制20MnSi,可使其屈服強(qiáng)度提高到700MPa以上。圖8為軋制的400MPa碳素鋼筋外表及其微觀組織照片。目前正著手在連續(xù)式棒線材軋機(jī)上利用該工藝技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。4ae3ar3周邊的大變形反應(yīng)(1)在孔型軋制條件下,在Ae3~Ar3附近,大的