超低碳貝氏體鋼熱變形奧氏體再結晶規律

1顯微組織及其焊接工藝低碳貝體鋼是世界上最具前景的鋼之一。國外的研究始于20世紀80年代。與普通低合金鋼相比,該鋼種由于碳含量很低(一般≦0.05%),在具有良好韌性的同時,仍能保證高的強度,并能滿足惡劣條件下的焊接性能要求,其應用范圍廣泛,可用于石油管線、艦船、大型結構件及海洋設施等方面。鋼材的綜合力學性能取決于最終顯微組織,即鐵素體晶粒尺寸及形貌,而最終的鐵素體顯微組織又與相變前的奧氏體狀態相關,所以在了解奧氏體熱變形與再結晶的物理冶金規律的基礎上,制定合理的控制軋制工藝是獲得優質鋼材的必要條件。熱加工后的鋼材在冷卻過程中的組織轉變具有遺傳性,這已為許多研究工作所證實,因此,研究鋼的奧氏體再結晶行為就是為了控制最終鐵素體組織,達到提高鋼材綜合力學性能的目的。2實驗材料和方法2.1實驗材料實驗用鋼是由連鑄坯粗軋后加工成150mm×30mm×(10～30)mm階梯型試樣,詳細化學成分見表1。2.2u3000開軋試驗試樣加熱采用碳-硅棒電阻式加熱爐,將試樣端部焊接鎳-鉻熱電偶并外接計算機進行數據采集、測量和控制試樣的加熱溫度及開軋溫度。階梯試樣加熱溫度為1200℃,保溫10min,開軋溫度分別為1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、850℃和800℃,沿軋制方向可獲得10%～70%的不同變形量,軋后立即淬火,軋機為?350mm二輥可逆軋機。所有軋后試樣均沿臺階中心縱向切開,再切取每一個臺階。將軋制方向的面磨光制成金相試樣,用過飽和苦味酸水溶液加少量白貓牌洗滌劑在78℃～82℃左右進行熱侵蝕,以顯示奧氏體晶界,在光學顯微鏡下觀察和測定奧氏體晶粒再結晶百分數。3顯微晶粒的制備通過熱變形和再結晶,奧氏體晶粒得到顯著的細化,但由于完全再結晶取決于其變形條件,所以不同工藝參數條件下,奧氏體再結晶程度也隨之發生變化,細化晶粒的效果也不同。熱軋時奧氏體再結晶百分比與變形量大小、軋制溫度高低、空延時間等因素有密切的關系。特別是對于微合金鋼,由于微合金元素的碳氮化物應變誘導析出對再結晶有一定的抑制作用,甚至在特定溫度下再結晶過程停止發生。在本實驗中,不同工藝參數對超低碳貝氏體鋼再結晶影響如下所述。3.1形核率和大速度溫度對再結晶百分數的影響在一定的溫度條件下,奧氏體再結晶百分數隨著相對變形量的增加而增加。圖1給出了經1200℃奧氏體化后,實驗鋼在一定軋制溫度下奧氏體再結晶程度(Xr)與變形量(ε)的關系。從圖1中可以看出,當形變量ε≤20%時,奧氏體再結晶百分數增加比較緩慢;ε=20%～35%時其增加速度明顯加快;而當ε≥40%時,奧氏體再結晶百分數增加趨于平緩。呈現這種規律的主要原因是當時間一定時,再結晶百分數的多少主要取決于再結晶形核速率和長大速度。而形核率和長大速度都與變形量有關,變形量增加時,晶粒變形加劇,內部出現大量的變形帶,發生再結晶時,在晶界上和在晶粒內的變形帶上都可以形核,使形核率增加。另外變形溫度低時再結晶百分數隨相對變形量變化較緩慢,當達到某一特定變形溫度時,再結晶百分數急劇上升,然后趨于平緩。隨著溫度的升高,再結晶百分數急劇上升的轉折點所對應的相對變形量減小。從曲線5(開軋溫度為900℃)可以看出,隨著變形量的增加,再結晶百分數增加明顯變得緩慢,其原因可能是由于實驗鋼中含有Nb、V、Ti、Al等微合金元素,隨著變形量的增大,微合金元素碳氮化物析出增加,抑制了再結晶過程。圖2(a)和(b)分別是開軋溫度1100℃變形量為10%和50%的奧氏體組織,從圖中可以看出,變形10%的奧氏體再結晶百分數只有20%左右,處于部分再結晶區,變形50%的奧氏體發生了完全再結晶,變形50%的晶粒尺寸明顯比變形10%的均勻細小。說明雖然變形溫度高,如果變形量太小仍然不能達到完全再結晶。3.2治療前后氏體再結晶百分數軋制溫度對奧氏體再結晶百分比的影響規律如圖3所示。從圖中可以看出,當變形量一定時,隨著溫度的升高,奧氏體再結晶百分數增加。變形量分別為50%、60%、70%的奧氏體再結晶百分數在950℃之前隨溫度增加急劇增加,1000℃～1100℃比較平緩;變形量在40%的奧氏體再結晶百分數在900℃之前增加緩慢,達到1000℃時才達到完全再結晶狀態;當變形量低于30%時,在1100℃也達不到完全再結晶狀態。實驗鋼在850℃溫度下大變形量時出現奧氏體晶粒沿軋制方向被壓扁、伸長現象,即所謂的“纖維組織”,圖4(a)和(b)分別是變形量為10%和60%、變形溫度為800℃時的組織。從圖中可以看出,10%變形量時的晶粒比較粗大,60%變形量時呈現纖維狀組織。3.3高溫、中厚板和高溫條件下加工的研究根據以上分析作出實驗鋼的再結晶區域圖,如圖5所示。圖中以變形奧氏體再結晶百分數小于10%和大于90%作為判別未再結晶區、部分再結晶區和完全再結晶區的界限。普通C-Mn鋼在T=1000℃、ε=30%時就發生完全再結晶,而實驗鋼種在T=1000℃、ε=40%時才發生完全再結晶,這主要是因為鋼中的微合金元素延遲了再結晶。有資料證明微合金元素Nb、V、Ti溶質延遲再結晶,其中以元素Nb的效果最強,V、Ti次之。加熱時,一定量的微合金碳氮化物發生溶解,固溶到奧氏體中,微量溶質原子往往偏聚在位錯及晶界處,從而阻止了位錯的滑移和攀移,以及晶界的遷移,阻礙了再結晶。當變形溫度較低時,再結晶過程進行非常緩慢,實驗鋼在900℃以下,變形量低于30%,奧氏體再結晶百分數可以降到20%以下,當變形量高于30%時,再結晶百分數增加比較快。850℃以下基本上不發生再結晶。研究變形奧氏體再結晶行為,就是為了確定該鋼種的完全再結晶、部分再結晶及未再結晶區域,以及在這些區域內奧氏體晶粒尺寸的變化規律。以便在確定軋制規程時有所依據。中厚板的控軋工藝一般是采用兩階段軋制,即在高溫再結晶區采用大的壓下量,中間待溫,至未再結晶區多道次小變形。在實際生產中,完全再結晶區的變形范圍比較窄,大的道次變形也不容易實現,所以難免在部分再結晶區變形,實驗證明變形溫度高于950℃(部分再結晶區上限),變形量超過20%,采用多道次軋制,也會獲得細小均勻的奧氏體晶粒,然后再在未再結晶區軋制。圖6為在950℃,變形量分別為30%和60%的部分再結晶組織照片。4微合金元素的絡合萃取(1)軋制溫度和變形量是決定超低碳貝氏體鋼奧氏