夏文真，趙憲明，張曉明，吳 迪
（東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽?。保保埃福保梗?/span>
摘 要：為研究超低碳貝氏體鋼的熱加工特性，在實驗室熱模擬試驗機上分別進行了單道次壓縮實驗和雙道次壓縮實驗。研究表明，該鋼進行兩階段軋制時，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)時應(yīng)進行大壓下低速軋制，在奧氏體未再結(jié) 晶 區(qū) 時 應(yīng) 進 行 快 速 軋 制 以 縮 短 軋 制 周 期；其 奧 氏 體 動 態(tài) 再 結(jié) 晶 臨 界 應(yīng) 變 為εｃ ＝０．００３７１２ε０．１２６１１８ｅｘｐ（４８３７８．８６６７／Ｔ），且變形激活能為４０２．２２２ｋＪ／ｍｏｌ；利用經(jīng)過調(diào)整后的周紀華式流變應(yīng)力模型進行非線性擬合，模型具有較高的可靠性；其奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶動力學方程為：ＦＳ＝１－ｅｘｐ［－０．６９３（ｔ／ｔ０．５）０．２３２２９３］，且靜態(tài)再結(jié)晶激活能為３９４．８５２ｋＪ／ｍｏｌ。
關(guān)鍵詞：超低碳貝氏體鋼；動態(tài)再結(jié)晶；流變應(yīng)力模型；靜態(tài)再結(jié)晶
超 低 碳 貝 氏 體 （Ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ?。茫幔颍猓铮睢。拢幔椋睿椋?，ＵＬＣＢ
）鋼是近幾十年來發(fā)展起來的具有高強度、高韌性、焊接性能優(yōu)良的新鋼種系列，被譽為綠色環(huán)保鋼種［１］。這類鋼由于大幅度降低碳含量，使碳的危害、碳化物析出的影響等問題已基本消除，故其鋼材的焊接性能極佳，可以實現(xiàn)焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理。鋼的強度不再依靠碳含量，而主要依靠細晶強化，位錯、亞結(jié)構(gòu)強化，以及沉淀強化等來保證，因此鋼的強韌性匹配極佳［２，３］。
鋼的組織性能和生產(chǎn)成本與其熱加工過程密切相關(guān)。為了盡可能提高產(chǎn)品的力學性能和降低生產(chǎn)成本，需要控制好熱加工過程中的參數(shù)，為后期的在線或者離線熱處理提供很好的初始條件。因此，對超低碳貝氏體鋼的流變行為、動態(tài)及靜態(tài)軟化行為的研究非常必要。
１實驗材料及方法
實驗用高強度超低碳貝氏體鋼的化學成分（質(zhì)量 百 分 數(shù)）為：ｗ（Ｃ）＝ ０．０５％，ｗ（Ｓｉ）＝０．４８３％，ｗ（Ｍｎ）＝１．７１％，ｗ（Ｐ）＝０．００４５％，
ｗ（Ｓ）＝０．００１７％，ｗ（Ｎｂ）＝ ０．０９％，Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｂ適量。
在東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點驗室ＭＭＳ－３００熱變形模擬試驗機上進行了單道次、雙道次壓縮實驗，以研究實驗鋼的熱變形行為，試樣尺寸為Φ８ｍｍ×１５ｍｍ。
單道次壓縮實驗方案：在充滿氮氣的狀態(tài)下，試樣 先 以２０℃／ｓ的 速 率 加 熱 至
１２５０℃，保 溫３ｍｉｎ，使微合金元素充分固溶、奧氏體充分均勻化。然后以１０℃／ｓ的速率冷卻 到 至 變 形 溫 度８００、８５０、９００、９５０、１０００、１０５０、１１５０℃，保溫１０ｓ后壓縮，變形量為８０％，變形速率為０．０１、０．１、１．０、１０．０ｓ－１，記錄變形時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
雙道次壓縮實驗方案：將試樣以２０℃／ｓ的速率加熱到１２５０℃，保溫３ｍｉｎ后，以１０℃／ｓ的速率冷卻至變形溫度８５０、９００、９５０、１０００、１０５０℃，保溫６０ｓ后進行第１次壓縮，變形速率５ｓ－１，變形量２５％；第１次壓縮變形完成后卸載，等溫分別保持１、５、２０、５０、１００、４００ｓ后以同樣的變形速率進行第２次壓縮，變形量３０％，第２次壓縮完成后立即進行水冷、卸載和記錄應(yīng)力應(yīng)變曲線。
２實驗結(jié)果與討論
２．１單道次壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線及分析
圖１為單道次壓縮不同變形溫度和不同變形速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖１可知，應(yīng)變速率越大，變形溫度越小，材料的變形抗力越大；變形速率在１ｓ－１以上時，不同變形溫度下均不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶；變形速率為０．１ｓ－１，變形溫度在９００℃以上時發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶；變形速率為０．０１ｓ－１，不同變形溫度下都發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。這是由于變形速率大，其要求位錯運動速率大，這樣所需的變形抗力增加；變形溫度與原子間結(jié)合力是負相關(guān)關(guān)系，因此變形溫度越小，變形抗力越大［４］；變形溫度和變形速率對動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量有影響，高溫低速時，臨界變形量變小，亦即在高溫低速條件下變形時容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶［５］。由此，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制時應(yīng)采用“大壓下低速軋制”，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制時應(yīng)快速軋制以縮短軋制周期。
由圖１中的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以獲?。眨蹋茫落撛诓煌瑴囟群蛻?yīng)變速率下的峰值應(yīng)力σ
ｐ及對應(yīng)的峰值應(yīng)變εｐ，見圖２。由圖２可知，ＵＬＣＢ鋼的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線上的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變都隨著變形溫度的升高而降低，且隨著變形速率的增大而增大。
２．２變形激活能和動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變
在文獻［６－８］中，通過Ｚ（Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎ）參數(shù)和雙曲正弦函數(shù)來確定流變應(yīng)力，即：
式中，Ｚ參數(shù)為補償溫度后的變形速率；Ｑ為變形激活能；Ａ、ｎ為與材料有關(guān)的系數(shù)；α
為用于調(diào)節(jié)
使之與
線性相關(guān)的系數(shù)。
實驗得到的數(shù)據(jù)只能擬合出３個參數(shù)，上式中有４個參數(shù)，由于α是調(diào)節(jié)系數(shù)，不妨令
α為０．００１、０．００５、０．０１、０．０１５、０．０２０時分別擬合出Ａ，ｎ和
Ｑ的值，并計算其相對誤差值，再根據(jù)數(shù)據(jù)點擬合其相對誤差值的平方和ｙｃ與α的關(guān)系，
?。阕钚r的α值。這樣，４個參數(shù)均可擬合出。Ａ、ｎ和Ｑ相對誤差值的平方和ｙｃ與
α的關(guān)系見圖３，誤差的平方和的最小值所對應(yīng)的α值為α＝０．０１００２。這與文獻［９
］中α對于碳鋼、低合金鋼一般取值０．０１２的結(jié)論相符合。
當變形溫度一定時，
對ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασｐ）］求偏導(dǎo)，可 得 ＝５．０７３０；當 變 形 速 率 一 定 時，ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασｐ）］對１／Ｔ求 偏 導(dǎo)，可 推 得Ｑ ＝４０２．２２１９ｋＪ／ｍｏｌ。再通過ｎ和Ｑ值，推導(dǎo)出Ａ＝３．０２２５×１０１６。
ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασｐ）］與１／Ｔ之間的關(guān)系曲線如圖４所示，ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασｐ）］與
之間的關(guān)系曲線如圖５所示。
由圖４、圖５可知，ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασｐ）］與１／Ｔ、ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασｐ）］與
的線性相關(guān)系數(shù)很高，這也說明ＵＬＣＢ鋼在熱加工變形時的流變應(yīng)力與變形速率和溫度之間是滿足雙曲正弦形式的雙曲正弦關(guān)系的。動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變是研究動態(tài)再結(jié)晶時的重要參數(shù)。由文獻［９，１０］可知：
和
的關(guān)系見圖６。
這樣，動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變?yōu)椋?/span>
（１０）２．３ 流變應(yīng)力模型
根據(jù)真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線的數(shù)據(jù)，選用經(jīng)過調(diào)整后的周紀華式流變應(yīng)力模型［９，１１］進行非線性擬合，其具體形式如下：
（１１）
式中，Ｔ為變形溫度，Ｋ；Ｐ１～Ｐ９分別為與材料有關(guān)的參數(shù)。
對所有真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線回歸后得到的參數(shù)為：Ｐ１＝－２０６７３２、Ｐ２＝ ６７４１５０．８、Ｐ３＝－８２２４０３、Ｐ４
＝ ４４５６２１．７、Ｐ５＝－９０４６５．６、Ｐ６＝０．４６５８２、Ｐ７＝－０．４６１３、Ｐ８＝ １．６１０７６、Ｐ９＝０．３８５４９。
該模型進行非線性擬合的決定系數(shù)Ｒ２＝０．９７６６６，說明該模型具有較高的擬合精度。
２．４靜態(tài)軟化行為及分析
通過實驗數(shù)據(jù)可得實驗鋼的靜態(tài)軟化率曲線，見圖７。一般可以認為靜態(tài)軟化率Ｘｓ＝１５％～２０％時，開始發(fā)生再結(jié)晶，靜態(tài)軟化率Ｘｓ＝９０％時，再結(jié)晶完成。從圖７可知，靜態(tài)軟化率隨著溫度的升高而明顯升高。在８５０℃時，保溫１～１００ｓ，軟化率從
２０％緩慢升到３０％，到４００ｓ僅為５０％左右，而在１０５０℃時，保溫１～５ｓ，軟化率從６０％迅速升到９０％左右，保溫１０～４００ｓ，軟化率都在９０％以上?？梢姡浕孰S著保溫時間的增加而增大；此外可看出，在不同變形溫度下都有一個明顯的軟化階段，８５０、９００、９５０、１００、１０５０℃所對應(yīng)的迅速軟化階段分別為１００～４００ｓ、２０～５０ｓ、５～２０ｓ、１～２０ｓ、１～５ｓ，可以看出，隨溫度的升高迅速軟化提前發(fā)生。
２．５靜態(tài)再結(jié)晶模型計算
靜態(tài)再結(jié)晶動力學方程［１２］：
Ｑｒｅｘ＝３９４８５２．１
ｌｎｔ０．５與１／Ｔ的線性關(guān)系見圖８，擬合后的決定系數(shù)Ｒ２＝０．９９６５９。
故得到實驗鋼奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶動力學方程：ＦＳ＝１－ｅｘｐ［－０．６９３（ｔ／ｔ０．５）０．２３２２９３］ （１６）
３結(jié)論
（１）ＵＬＣＢ鋼的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線上的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變都隨著變形溫度的升高而降低，隨著變形速率的增大而增大。
（２）該鋼的變形激活能Ｑ ＝４０２．２２２ｋＪ／ｍｏｌ；動 態(tài) 再 結(jié) 晶 臨 界 變 形 量 為εｃ＝０．００３７１２ε０．１２６１１８ｅｘｐ（４８３７８．８６６７／Ｔ）。
（３）利用經(jīng)過調(diào)整后的周紀華式流變應(yīng)力模型進行非線性擬合，該模型具有較高的擬合精度，可指導(dǎo)該鋼在熱軋過程中變形抗力的預(yù)報。
（４）變形溫度是影響靜態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的一個主要因素。對于實驗鋼，變形溫度在１０５０℃保溫１０ｓ以上，已完成再結(jié)晶；而在９５０℃以 下保溫４００ｓ，軟化率都不超過８０％。該鋼進行兩階段軋制時，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)時應(yīng)進行大壓下低速軋制以保證充分再結(jié)晶，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)時應(yīng)快速軋制以縮短軋制周期。
（５）實 驗 鋼 的 靜 態(tài) 再 結(jié) 晶 激 活 能 為３９４．８５２ｋＪ／ｍｏｌ，實驗的奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶動力學方程為：
ＦＳ＝１－ｅｘｐ［－０．６９３（ｔ／ｔ０．５）０．２３２２９３］
參考文獻：
［１］ 賀信萊．２１世紀新鋼種－低碳貝氏體鋼［Ｊ］．金屬世界，１９９６，（６）：３－．
［２］ 翁宇慶．超細晶鋼—鋼的組織細化理論與控制技術(shù)［Ｍ］．北京：冶金工業(yè)出版社，
２００３．２７３－２７４．
［３］ Ａｎｔｏｎｉｏ?。粒酰纾酰螅簦铩。牵铮颍睿?，Ｐａｕｌｏ?。遥铮猓澹颍簦铩。停澹椋粒酰螅簦澹睿椋簦澹裕颍幔睿螅妫铮颍恚幔簦椋铮睢。幔睿洹。粒纾濉。龋幔颍洌澹睿椋睿纭。铮妗。龋樱蹋粒福埃幔睿洹。眨蹋茫拢樱簦澹澹欤螅郏剩荩剩铮酰颍睿幔臁。铮妗。停幔簦澹颍椋幔欤蟆。校颍铮悖澹螅螅椋睿纭。裕澹悖瑁睿铮欤铮纾?，２００４，（１５５－１５６）：１５１３－１５１８．
［４］ 劉相華，胡賢磊，杜林秀，等．軋制參數(shù)模型及其應(yīng)用［Ｍ］．北京：化學工業(yè)出版社，２００７．２０－２１．
［５］ 王占學．控制軋制與控制冷卻［Ｍ］．北京：冶金工業(yè)出版社，１９８７．１８－１９．
［６］ Ｈａｍｅｄ?。停椋颍幔洌澹瑁剩铮螅濉。停幔颍椋帷。茫幔猓颍澹颍?，Ｈａｍｅｄ?。停椋颍幔洌澹瑁茫铮睿螅簦椋簦酰簦椋觯濉。遥澹欤幔簦椋铮睿螅瑁椋穑蟆。妫铮颉。龋铮簟。模澹妫铮颍恚幔簦椋铮睢。铮妗。粒酰螅簦澹睿椋簦澹郏剩荩粒悖簦帷。停幔簦澹颍椋幔欤椋?，２０１１，（５９）：６４４１–６４４８．
［７］ Ｈｕｍｐｈｒｅｙｓ?。啤。?，Ｈａｔｈｅｒｌｙ Ｍ．Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ?。幔睿洹。遥澹欤幔簦澹洌粒睿睿澹幔欤椋睿纭。校瑁澹睿铮恚澹睿幔郏停荩?/span>
ＵＫ：Ｐｒｅｇａｍｏｎ，１９９６．３６３－３６５．
［８］ Ｐｏｉｒｉｅｒ?。省。校w的高溫塑性變形［Ｍ］．遼寧：大連理工大學出版社，１９８９．４２－４３，６７．
［９］ 吳紅艷．低成本超細晶耐候鋼的開發(fā)研究［Ｄ］．沈陽：東北大學，２００８．
［１０］ Ｓｅｌｌａｒｓ?。谩。?，Ｗｈｉｔｅｍａｎ?。省。粒遥澹悖颍螅簦幔欤欤椋幔簦椋铮睢。幔睿洹。牵颍幔椋睿牵颍铮鳎簦琛。椋睢。龋铮簟。遥铮欤欤椋睿纾郏剩荩停澹簦幔臁。樱悖椋澹睿悖?，１９７９，１３（３－４）：１８７－１９３．
［１１］ 隋鳳利．ＧＨ４１６９合金熱連軋過程的數(shù)值模擬與工藝研究［Ｄ］．沈陽：東北大學，２００９．
［１２］ Ｓｅｌｌａｒｓ?。谩。停停铮洌澹欤椋睿纭。停椋悖颍铮螅簟。遥酰悖簦酰颍幔臁。模澹觯澹欤铮穑恚澹睿簟。洌酰颍椋睿纭。龋铮簦遥铮欤欤椋睿纾郏剩荩停幔簦澹颉。樱悖椤。裕澹悖瑁睿铮?，１９９０，６（１１）：１０７２．