低碳钢奥氏体晶粒尺寸的控制
第36卷第10期
仓属学玫
V01.36No.10
200
0年10月
ACTAMETALLURGICASINICA
October2000
低碳钢奥氏体晶粒尺寸的控制
出
。杨王朝
胡安民孙祖庆
qE京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京100083)
摘要分别采用高温形变再结晶和低温变形后快速加热冷却等两种方法获得尺寸不同的低碳钢奥氏体晶粒组织。通过控制形变
温度,形变量、应变速率及变形道次等工艺参数,低碳钢奥氏体高温形变动态再结晶可使晶粒细化到15—20
pm左右.奥氏体
动态再结晶晶粒尺寸取决于Zener—Hollomon(Z)参数,提高应变速率及降低形变温度都有利于z参数增大,流变应力峰值较高,奥氏体动态再结晶晶粒减小.通过奥氏体化后淬火一650℃回火一室温变形一快速加热冷却工艺,得到奥氏体的平均晶
粒尺寸可达10pm以下.奥氏体晶粒细化可归结为铁素体向奥氏体的转变与铁素体回复再结晶的相互竞争.
关键词低碳钢,奥氏体,动态再结晶,Zene卜Hollomon参数中图法分类号TGlll.7,TGl42.31
文献标识码A
文章编号0412—1961(2000)10—1050—05
CoNTRoLoFAUSTENITEGRAINSIZE
INA
LoW
CARBoNSTEEL
瑚ⅣG肌ngyue,HUAnmin。SUⅣZuqing
StateKeyLaboratoryforAdvanced
MetalsandMaterials,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing
100083
Correspondent:,麓ⅣGWangyue,professor,扎f?(010)62333390,Fax:(olo)6ese7zss,
口mail:zqsun@ustb.edu.Cn.zqsun@midwest.corn.c佗
Manuscriptreceived2000-04一03.inrevisedform2000—06-16
ABSTRACTTWOapproaches,i.e.,hotdeformationinducedrecrvstallizationandquicklyheating
andcoolingaftercolddeformation,wereadoptedtoobtaindifferentaustenitegrainsizesofa
lowcarbon
steel.Theaustenitegrainsizesof15-20“m
canbeproducedbydynamicrecrvstallizationthrough
optimizingprocessingconditionofdeformationtemperature,reduction,strainrateanddeformation
passnumber.ThefinaldynamicallyrecrystallizedaustenitegrainsizedependsonZener-Hollomon
parameter.whichiSincreasedwithincreasingstrainrateanddecreasingdeformationtemperature.InCOntrast,theaustenitegrainsizesmallerthan10“mcanbeachievedbyaustenitizationfollowedby
tempering
at
650℃.andthendeformationatroomtemperaturefollowedbyrepeatedlyquickheating
andcooling.Theaustenitegrainrefinementinthiscasecanbeattributedtothecompetitionbetweentransformationfromferritetoausteniteandferriterecoveryandrecrvstallization.
KEY
WoRDS
lowcarbonsteel,austenite,dynamicrecrysyallization,Zener-Hollomonparameter
对低碳钢而言,未变形奥氏体中,相变发生时铁素体出了两种细化奥氏体晶粒的方法【1,2J:第一是在A。3点依次在原奥氏体三个晶粒交界及相邻晶粒晶界等处优先附近施加大变形,得到完全再结晶组织后快冷的所谓“热形核.在相同的形变及处理工艺条件下,相变前的奥氏体机械处理工艺;第二是在室温与A3点之间快速加热冷却晶粒尺寸及均匀性是影响铁素体晶粒大小及组织分布均循环的所谓“快速加热冷却循环工艺”.
匀性的一个重要因素.多年来,人们已对其高温下奥氏体当前,在研究低碳钢热加工,特别是连铸热连轧过程形变再结晶及晶粒细化问题开展了广泛深入的研究,并取中组织细化的可能性时,不可避免的要涉及到高温奥氏体得了许多卓有成效的结果.Grange等人曾在1965年提
形变再结晶,形变诱导铁素体相变及铁素体动态再结晶等三个主要环节对最终组织细化的影响,及它们之间的交互作用等一些基本问题.因而,探讨热加工过程中奥氏体组+国家科技部资助项目973G1998061506
织的变化及其晶粒大小对应变强化相变铁素体组织演变收到初稿日期:2000—04—03,收到修改稿日期:2000—06—16规律的影响是非常必要的.本文报道了获得不同尺寸奥氏作者简介:杨王弱,女,1946年生,教授
体晶粒组织的方法与机理的初步探讨,有关奥氏体晶粒尺
10期杨王朝等:低碳钢奥氏体晶粒尺寸的控制
1051
寸对应变强化相变组织演变规律的影响将另文发表.1实验方法
实验样品为直径130mm的商用低碳钢棒料,其化学成分(质量分数,%)为:
C0.19,Sio.25,Mn0.32,
PO.011,S0.039,Cr0.04,NiO.03,Cu
0.10.经锻造及
机加工成直径分别为10ram×15mm和6×12mm的两种圆柱试样,始锻温度1100℃,终锻温度850℃.分别采用改变奥氏体区形变工艺参数及低温形变后快速循环加热冷却等不同的工艺方法获得不同尺寸的奥氏体晶粒组织.热变形实验在Gleeble1500试验机上进行.将变形后的试样沿加载方向纵向切开,机械研磨成金相试样.用过饱和苦味酸+十二烷基苯黄酸钠溶液热蚀观察奥氏体晶粒组织;用3%硝酸酒精溶液腐蚀后观察铁素体组织.采用定量金相截线法测定奥氏体晶粒尺寸.2实验结果和讨论
2.1
Fig.1
豳1
Hot
奥氏体高温热变形工艺
process
deformation
ofaustenite
金相试样观察及晶粒测定结果表明,实验用钢在上述实验条件下均发生了奥氏体再结晶.初始奥氏体晶粒尺寸
及形变后再结晶晶粒划、随加热变形温度的升高表现出
增加的趋势.但是当形变温度高于950℃后,不同温度下初始晶粒的尺寸差距加大,从950℃的约为30—40肛m增加到1200℃的160肛m以上,但形变后奥氏体再结晶晶粒尺寸随温度提高而增加的幅度却不相同(见图2),
奥氏体区形变对再结晶晶粒尺寸的影响
图1为奥氏体高温热变形工艺示意图.首先在高于
A,3的高温区奥氏体化,然后采用不同温度形变再结晶咱勺方法获得不同尺寸的晶粒.考虑到连铸连轧或薄板连铸新工艺的实施及工厂的轧制能力,每道次不可能以大变形的形式进行,本实验分别进行了单道次50%及两道次30%+30%的形变£l和E2,两道次间隔时间At=lS,累计名义总变形50%,应变速率毒分别为1和10S~,奥氏体化及形变温度0为850--1200℃的系列实验,形变后喷水快冷至室温.考察了形变温度0,应变速率套,应变£(包括£l,92和总应变gtotal)以及变形道次nd对变形前、后奥氏体的晶粒尺寸do和d1的影响,结果如表1
所示.
在950—1100℃变形时,单道次50%名义变形比两道
次(30%+30%)总变形量为50%名义形变的变形工艺得到的再结晶晶粒稍小;变形温度升高至1200℃时,这种差距加大.这一结果说明,在工业生产轧机能力允许的情况下,随着奥氏体区每道次小变形量的多道次连续变形过程的进行,形变温度随之降低,此时连续变形中的重复再结晶细化奥氏体晶粒的效果与单道次大变形量的相当.但850℃单道次形变后再结晶不完全导致奥氏体晶粒的显著不均匀及混晶(表1),将产生“遗传”,不利于最终组织均匀性的提高,应避免在此温度区间形变.
表1
Table1
不同热变形工艺对实验合金奥氏体晶粒尺寸的影响deformationprocessing
on
Effectofhot
austenitegrainsizeintestedalloy
1052
金属学报36卷
所下降,说明变形过程中不同程度地发生了动态回复或再结晶.随着变形温度的提高及初始奥氏体晶粒的长大,相同应变及应变速率条件下流变应力是逐渐降低的.随变形温度的升高,应力下降幅度增加,奥氏体动态再结晶越完
全.
1200
oC变形的最大流变应力约为100MPa,1100
℃时升至150MPa,1000℃时升至165MPa,900℃时
升至175MPa,当温度降至850℃时流变应力最大值提高到230MPa左右.相应地,相同名义总应变下,两道
次变形中每道次的应变较小,流变应力较低,又由于道次间隔时间内可能发生的回复与再结晶晶粒长大,畸变的累积效应较弱,导致晶粒尺寸比多道次的稍大.这种区别随
图2应变速率£=10S~,奥氏体化温度及变形道次对奥氏
形变温度提高而增大是显而易见的.较高的应变速率提高体再结晶晶粒尺寸的影响
了变形过程中的流变应力及应变硬化程度,加速应变向晶Fig.2
Effectofaustenitizingtemperatureanddeforma-
粒内部传递的过程,再结晶晶粒较小(见图4,亦见表1).
tion
pass
on
austeniterecrystallizedgrain
size
(1=10S一1)
2.2
奥氏体区热变形特性
2.2.1
应力一应变曲线
实验合金在应变速率
g=lO
S~,单道次名义变形50%及相应的两道次名义变
形(30%+30%)的流变曲线如图3a,b所示.从图可见,单道次变形中,应力一应变曲线达到峰值应力后持平或有
图4
奥氏体900℃变形时,应变速率对流变应力的影响
Fig.4
Effectofstrainrate£on
flow
stress口during
austenite
deformation
at900℃
2.2.2
单道次变形过程的流变应力峰值与应变速率
和温度的关系热变形是一个热激活过程,与Zener—
Hollomon参数有关,一般可表示为
Z=iexp(Q/RT、=Aon
式中,盯。为流变应力峰值(曲线上应力最大值),誉为应变速率;
A和n为材料常数;
Q为热变形激活能,低
碳钢的Q值为280kJ/tool[3]I
本实验中Z参数与流变应力峰值关系如图5所示.流变应力峰值盯。与Z参数的对数几乎为直线关系,随应变速率的降低与形变温度的提高而降低.
2.2.3
单道次再结晶晶粒尺寸与流变应力Z参数
的关系
动态再结晶晶粒尺寸D。与Z参数的关系可
5
用下述方程表示[3】
图3应变速率∈----10S一1,不同温度变形的应力一应变盥线
D。=BZ—P
Fig.3
Truestress-strain
curves
atvarious
temperatures
(g=lOS_1)故
(a)singlepass
deformation,£=一0.69
(b)two
D8。(Z—P。(仃二2
pass
deformation,£=一(o.34+o.35)
10期杨王朔等:低碳钢奥氏体晶粒尺寸的控制
1053
工艺过程如图7所示.室温形变£,高温保持时间t及循环次数Ⅳ对奥氏体晶粒尺寸d的影响见表2.
Igp。,MPa)
圈5低碳钢奥氏体变形时z参数(应变速率、形变温度)与
应力峰值a。的关系
Fig.5
Relationshipbetweenparameter
Z(strainrate
and
deformationtemperature)andpeakflowstress(Tm
duringaustenitedefbrmation
其中,B,P和k均为材料常数.参数Z包含了应变速率、形变温度及原始奥氏体晶粒尺寸对形变后奥氏体再结晶晶粒的影响,
Z越大奥氏体晶粒越细.提高应变速率
叠与降低形变温度0,都有利于Z参数增大,对应的流变应力峰值盯。较高.在其它工艺条件相同的情况下,较高的应变速率、或较低的形变温度及较小的原始奥氏体晶粒尺寸(图2,图6和表1)都能使热变形奥氏体再结晶晶粒尺寸减小.
ul∞J6
IgZ
图6
奥氏体动态再结晶晶粒尺寸D。与z参数的关系
Fig.8
Relationship
between
dynamic
recrystallization
grainsizeD8and
parameter
Z
2.3低温形变后快速加热冷却循环对奥氏体晶粒尺寸的
影响
上述实验在接近工厂轧机能力的温度范围及形变条件下高温变形得到的最小奥氏体再结晶晶粒尺寸约为
15—20pm.为了考察奥氏体晶粒尺寸对相变后组织粗
细及分布均匀性的影响是否显著,需进一步拓宽奥氏体粒尺寸的范围,因而利用低温变形后快速加热到A。3点以上保温,然后快冷,同时试探用A3与室温之间快速加热冷却循环的方法【2j获得不同尺寸级别的奥氏体晶粒,其
圉7低温变形快速加热冷却循环工艺
Processingofcolddeformationfollowedbyrepeat—
edlyquickheatingandcooling
表2室温应变£,循环次数Ⅳ及保持时间t对图7工艺过
程奥氏体晶粒尺寸dh的影响
2
Effectofroom
temperaturestrainE.cyclenumber
Nandholdingtime
t
on
austenitegrainsizedAof
processing
as
showninFig.7
结果表明,采用低温变形快速加热冷却循环工艺可以pm以下.室温应变
实验用钢900℃奥氏体化后水淬得到的板条马氏体J.但是,如果铁素体再结晶Fig.7
Table使低碳钢奥氏体晶粒进一步减至10相同,循环次数Ⅳ相同,高温880℃保持时间t延长,晶粒长大;相同的循环次数Ⅳ及保持时间t,室温应变£
的提高有利于晶粒细化.在相同的变形条件下,加热冷却循环次数的增加并没有获得更细小的奥氏体晶粒.
组织在室温下难以变形,650℃回火后发生碳化物的球化析出,再快冷到室温,’以一0.77应变进行变形,得到具有畸变亚结构的基体组织.快速升温到A。3以上及在880℃的保温过程中,同时可能有铁素体基体的回复、再结晶或奥氏体相变这三个相互竞争的过程发生.低温下大变形及快速升温为上述过程提供了较大的驱动力,亚结构或亚结构上析出的碳化物可能成为奥氏体形核的有利位置,如果在上述位置的相变形核发生在铁素体基体再结晶之前,可能得到细微的奥氏体组织【4,5发生在相变之前,奥氏体在再结晶铁索体晶界上形核,组
1054
金属学报36卷
织将比较粗大.本研究1号试样(见表2)室温形变后快速升温到880℃保温1s后水淬得到的组织为大量细小的铁索体和少量奥氏体(图8a);延长保温时间达5s以上的2号试样淬火组织为奥氏体(图8b).说明在本实验工艺条件(图7)下铁素体基体的再结晶可能发生在奥氏体相变形核之前.显然,奥氏体晶粒随着880℃保温时间的延长继续长大.
囝8图7工艺中两种试样在室温变形后快速加热到880℃
不同保温时间后淬火得到的铁素体以及奥氏体形貌
Fig.8
Morphologiesofferriteandausteniteinsamples
treatedbyprocessinginFig.7,wherequickheat-
ing
temperatureis880℃
(a)sample
No.1,holding
time
1
s,hotetchedby
3%HNOs+CH3COOH
(b)sampleNo.2,holdingtime5S,hotetchedby
supersaturatedpicricacid
低温形变后加热到A3点以上至室温时的快速加热冷却循环次数的增加反而导致晶粒的长大,可能与加热冷却速度的控制、高温及低温保持时间间隔及环境等工艺因素有关,尚需进一步探索.3结论
(1)通过控制形变温度、形变量、应变速率及变形道次等工艺参数,经过名义变形量为50%的高温形变,低
碳钢再结晶晶粒可以细化到15—20“m.在900~1100
℃温度范围内,小变形量、多道次累积变形导致重复再结晶细化奥氏体晶粒的效果与单道次大变形的相当.
(2)可用Zener-Hollomon参数表达应变速率、变形温度及原始奥氏体晶粒尺寸等因素对奥氏体动态再结晶晶粒尺寸的影响.
(3)本实验中,奥氏体高温淬火一650℃高温回火
一室温变形一快速加热冷却细化奥氏体晶粒的机制是铁素体向奥氏体相变与铁素体的回复再结晶相互竞争的过程.本研究中铁素体回复再结晶过程发生在铁索体向奥氏体相变之前,奥氏体平均晶粒尺寸可达10pm以下.
参考文献
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