夏文真，趙憲明，張曉明，吳　迪

（東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽　１１０８１９）

摘  要：為研究超低碳貝氏體鋼的熱加工特性，在實(shí)驗(yàn)室熱模擬試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行了單道次壓縮實(shí)驗(yàn)和雙道次壓縮實(shí)驗(yàn)。研究表明，該鋼進(jìn)行兩階段軋制時，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)時應(yīng)進(jìn)行大壓下低速軋制，在奧氏體未再結(jié) 晶 區(qū) 時 應(yīng) 進(jìn) 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(jì)華式流變應(yīng)力模型進(jìn)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(xué)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(qiáng)度、高韌性、焊接性能優(yōu)良的新鋼種系列，被譽(yù)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(shí)現(xiàn)焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理。鋼的強(qiáng)度不再依靠碳含量，而主要依靠細(xì)晶強(qiáng)化，位錯、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，以及沉淀強(qiáng)化等來保證，因此鋼的強(qiáng)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(xué)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(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用高強(qiáng)度超低碳貝氏體鋼的化學(xué)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(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)驗(yàn)室ＭＭＳ－３００熱變形模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了單道次、雙道次壓縮實(shí)驗(yàn)，以研究實(shí)驗(yàn)鋼的熱變形行為，試樣尺寸為Φ８ｍｍ×１５ｍｍ。

單道次壓縮實(shí)驗(yàn)方案：在充滿氮?dú)獾臓顟B(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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行第２次壓縮，變形量３０％，第２次壓縮完成后立即進(jìn)行水冷、卸載和記錄應(yīng)力應(yīng)變曲線。

２實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(fù)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(xiàn)［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(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(xiàn)［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(dāng)變形溫度一定時，對ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασｐ）］求偏導(dǎo)，可 得 ＝５．０７３０；當(dāng) 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(xiàn)［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(jì)華式流變應(yīng)力模型［９，１１］進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得實(shí)驗(yàn)鋼的靜態(tài)軟化率曲線，見圖７。一般可以認(rèn)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。可見，軟化率隨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(xué)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(shí)驗(yàn)鋼奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)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(jì)華式流變應(yīng)力模型進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行兩階段軋制時，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)時應(yīng)進(jìn)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(shí) 驗(yàn) 鋼 的 靜 態(tài) 再 結(jié) 晶 激 活 能 為３９４．８５２ｋＪ／ｍｏｌ，實(shí)驗(yàn)的奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程為：

ＦＳ＝１－ｅｘｐ［－０．６９３（ｔ／ｔ０．５）０．２３２２９３］

參考文獻(xiàn)：

［１］  賀信萊．２１世紀(jì)新鋼種－低碳貝氏體鋼［Ｊ］．金屬世界，１９９６，（６）：３－．

［２］  翁宇慶．超細(xì)晶鋼—鋼的組織細(xì)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(xué)工業(yè)出版社，２００７．２０－２１．

［５］  王占學(xué)．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?，Ｊｏｓｅ?。停幔颍椋帷。茫幔猓颍澹颍?，Ｈａｍｅｄ　Ｍｉｒｚａｄｅｈ．Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ?。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　Ｆ?。剩龋幔簦瑁澹颍欤。停遥澹悖颍螅簦幔欤欤椋幔簦椋铮睢。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(xué)出版社，１９８９．４２－４３，６７．

［９］  吳紅艷．低成本超細(xì)晶耐候鋼的開發(fā)研究［Ｄ］．沈陽：東北大學(xué)，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(xué)，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．