普通低碳钢奥氏体晶粒细化及其对变形强化相变铁素体晶粒尺寸的影响

1、2001年8月August2001钢铁研究第4期(总第121期)()普通低碳钢奥氏体晶粒细化及其对变形强化相变铁素体晶粒尺寸的影响王瑞珍杨忠民赵燕车彦民(钢铁研究总院)摘要),影响。结果表明:通过在奥氏体区进行低温(850至约10m。细小,则铁素体晶粒细小且均匀。关键词普碳钢晶粒细化AUSTENITEITSINFLUENCEONFERRITEENHANCEDTRANFORMATIONFORPLAINLOWCARBONSTEELWangRuizhenYangZhongminZhaoYanCheYanmin(CentralIron&SteelResearchInstitute)Synops

2、isAustenitegrainrefinementanditsinfluenceontheferritegrainsizeofstrain-en2hancedtranformationforplainlowcarbonsteelhavebeenstudied.Theresultsshowthataustenitegraincanberefinedto10mbyapplyingheavydeformationattemperature850andsizeofaustenitegrainhasinfluenceontheferritegrainsizeofstrain-enhancedtrans

3、formation.Thesmallertheaustenitegrainsizeis,thesmallerandmorehomogeneoustheferritegrainsizewillbe.Howevertheinfluenceisweakeningwithdownfallofthedeformationtemperature.Keywordsplaincarbonsteelgrainrefinementstrainenhancedtransformationgrainsize1引言多年来,晶粒细化一直是追求的目标,它是唯一同时提高强韧性的强化机制。对于普通碳素钢而言,目前工业生产的热轧

4、线棒材铁素体晶粒晶粒尺寸在2030m之间,它是通过在奥氏体较高温度区域的轧制,使得高温形变的奥氏体发生完全再结晶,然后相变来得到的。为了使碳素结构钢的屈服强度由200MPa提高至400MPa,需要m的途径。普通探索将铁素体晶粒细化至45低碳钢未再结晶区温度范围狭窄,文献1,2认为,在800以上时,形变奥氏体的再结晶不可避免,低于800,再结晶明显减慢,往往在再结晶之前已有相变发生。因而对于普碳钢探讨其奥氏体晶粒的细化比较重要,一方面可以通过探讨奥氏体晶粒的细化极限,即再结晶控制轧制,来研究获得目标铁素体晶粒尺寸的可能性,另一方面,作为热连轧过程连接奥氏体形变与铁素体相变的中间环节探讨其对不同条

5、件下相变的影响,则可为在实际的连轧过程获得细小铁素体晶粒提供工艺依据。2实验方法试验材料为首钢生产的Q235120mm方坯铸联系人:王瑞珍,高级工程师,北京市(100081)钢铁研究总院结构材料研究所21坯,主要化学成分(w%)0.18C-0.21Si-0.60Mn-0.02S-0.016P。坯料锻成20棒料,然后经900×1h正火处理。试验在Gleebe2000热模拟试验机上进行。试样为8mm×12mm圆柱小试样。试验方案如图1所示。计算表明,该钢的Ae3为841,因而选择大于Ae3变形温度范围8501100之间来研究奥氏体晶粒的细化。如图1分别在位置1、2、3取水淬样研

6、究变形工艺参数(具体工艺参数将分节详细叙述)对奥氏体晶粒尺寸的影响。在)(过冷位置3,当变形温度Ae3Ar3(750800奥氏体区)之间时,取样探讨不同奥氏体晶粒对形变强化相变铁素体晶粒尺寸的影响,不同奥氏体晶粒尺寸的获得可通过加热状态(位置1)、及不同工艺变形(位置2)来获得。避免的将发生回复、再结晶乃至晶粒长大。图3示出了变形温度(图1中位置2)、变形量对奥氏体晶粒尺寸的影响。变形条件为:加热温度1100,保温5min,变形量为30%60%,应变速率为10s-1,1s内水淬。金相观察表明,当变形量为60%时,各温度下均为等轴状的细小奥氏体晶粒组织,即形变奥氏体组织发生了完全的再结晶,再结晶

7、晶粒随变形温度的下降明显细化,850变形时再结晶后的晶粒尺寸约为14m。随着变形量的降低,当变形温度由高至低变化时,平均晶粒尺寸的变化也出现转折,表明奥氏体晶,未再结晶。本,也注意到,各变形温度下,随,奥氏体平均晶粒尺寸减小。当变形温度进一步降低至800时,奥氏体呈变形的拉伸状,在其晶界及晶内有一定量的铁素体析出。图1热模拟试验示意图将变形后的试样沿加载方向切开,磨制成金相试样,用过饱和苦味酸水溶液侵蚀观察奥氏体晶粒组织,硝酸酒精溶液侵蚀观察铁素体晶粒组织,并用割线法测定平均晶粒尺寸。3结果和分析3.1奥氏体晶粒的细化图2加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响加热温度的影响:加热工艺:加热温度在900

8、1150之间,间隔50,保温90s后水淬。图2示出了不同加热温度下(图1中位置1)的奥氏体平均晶粒尺寸的变化。随加热温度升高,奥氏体平均晶粒尺寸增加。当加热温度在9001000时,晶粒尺寸细小(<60um)且均匀;温度在10001100,出现混晶现象,在此温度范围内,随温度升高,细晶粒分数逐渐减少,粗晶比例增加,导致平均晶粒尺寸显著增加,如图2,分别示出了其粗、细晶粒尺寸。温度再升高至1150,则全部为粗晶。奥氏体形变再结晶:高温变形的奥氏体,不可22图3变形温度、变形量对奥氏体平均晶粒尺寸的影响图4为上述变形条件下变形量为60%的应力应变曲线。从图中可以看出,当温度较高1000时,应力

9、应变曲线出现峰值,表明变形过程中有动态再结晶发生;当温度950,应力应变曲线为回复型,表明奥氏体晶粒的细化主要为静态再结晶机制。与动态再结晶晶粒尺寸主要受变形速率与温度控制不同,静态再结晶后的晶粒尺寸也受原始奥氏体晶粒尺寸的影响。3.2奥氏体晶粒尺寸对形变强化相变后铁素体晶粒尺寸的影响奥氏体晶粒尺寸选取再结晶后的晶粒尺寸范围1560m之间,通过3.1中不同的加热或变形工艺来得到。迅速冷却至800、750(过冷奥氏体区)变形,变形条件:变形量50%、应变速率10s-1,10/s冷却,得到的铁素体晶粒尺寸如图5所示。图4不同温度变形时的真应力应变曲线表1列出了双道次变形条件(图1中位置3)奥氏体平

10、均晶粒尺寸的变化。第一道次变形以使奥氏体晶粒细化,在此基础上在进行低温奥氏体的较大变形。结果表明,原始奥氏体晶粒小,再结晶后晶粒也相对较小,化至10m。但若用(D0-0,因再结晶而产生的细化效果逐渐减弱。表1原始奥氏体晶粒尺寸对再结晶奥氏体晶粒尺寸的影响加热温原始奥氏体晶第一道次变形第二道次变形度/粒尺寸/m11001000110020555205图5奥氏体晶粒尺寸对形变强化相变铁素体晶粒尺寸的影响如图5所示,在过冷奥氏体温度区间内,在相同的变形温度下,随着奥氏体晶粒尺寸的减小,铁素体晶粒尺寸亦减小;相同的奥氏体晶粒尺寸,变形温度降低,铁素体晶粒尺寸减小。同时也可看出,两变形温度下,在一定的奥

11、氏体晶粒尺寸范围内,原始奥氏体晶粒尺寸的影响减小,而当变形温度较低时,这一晶粒尺寸范围增加。如800变形时,奥氏体晶粒尺寸在3914m之间时,铁素体晶粒尺寸在4.95.8m范围内,750变形时,奥氏体晶粒尺寸在5514m之间时,铁素体晶粒尺寸在4.25.0m范围内。亦即变形温度的降低,奥氏体晶粒的影响减小。但值得注意,与较粗大奥氏体晶粒相比较,有细小奥氏体晶粒转变而来的组织更加均匀,如图6。细化率(D-D)/D2511.70.531910.50.44-14.70.92从上述试验可以得出,奥氏体晶粒的细化可通过优化工艺参数,如降低加热温度、形变温度、增加变形量使形变奥氏体发生完全再结晶而使奥氏体

12、晶粒细化,奥氏体晶粒可细化至10.5m。图6750变形后奥氏体晶粒尺寸对铁素体晶粒均匀性的影响23我们知道,在未变形的奥氏体中,奥氏体晶界是铁素体的主要形核位置,细小奥氏体晶粒明显细化相变后铁素体晶粒。在形变试样中,铁素体形核不仅发生在奥氏体的晶界,同时也发生在晶内,如位错密度较高的退火孪晶界和形变带上,因而,引用了有效晶界面积的概念。文献4给出了有效晶界面积、原始奥氏体晶粒尺寸与应变量的关系,计算表明,随着变形量的增加,不同奥氏体晶粒尺寸之间的有效晶界面积之比在减小,当变形量很大时,不同的奥氏体晶粒尺寸的有效晶界面积也将趋于一致。因而在此形变条件下,原始奥氏体晶粒尺寸对相变后铁素体晶粒的影响

13、减弱。如试验所表明,某一变形温度下,在一定的奥氏体晶粒尺寸范围内,原始奥氏体晶粒尺寸的影响减小。可以推测,随着变形量的进一步增加,内形核位置显著增加,。,在变形,即总的相变驱动力增加的条件下,原始奥氏体晶粒尺寸的影响就更加减弱了。4讨论则要靠更低温度下的变形形变强化(诱导)相变机制来实现。在此条件下,铁素体有效形核位置的显著增加需要大变形量。对于一个连轧过程,在总变形量一定的条件下,如何分配变形量来尽可能地细化铁素体组织值得重视。从本试验结果来看,原始奥氏体晶粒的减小有利于细化再结晶奥氏体晶粒,同时也注意到,随着奥氏体晶粒的减小,晶粒细化效果减弱。它表明对应于一个连轧过程,在经过一定道次变形后

14、,在奥氏体再结晶区进一步变形其细化效果将减弱。从其对铁素体晶粒的影响来看,在变形和过冷同时提供相变驱动力的条件下,。可以推测)相变变形量对细。结论(1)普通低碳钢奥氏体晶粒尺寸随着变形温度的降低、变形量的增加、原始奥氏体晶粒尺寸的减小而明显细化,经反复再结晶后,其奥氏体晶粒尺寸可细化至10.5m。(2)奥氏体晶粒尺寸对形变相变后的铁素体晶粒尺寸产生影响。奥氏体晶粒细小,则铁素体晶粒细小且均匀。但其影响随着变形温度的降低而逐渐减弱。(3)连轧过程中,适当控制奥氏体再结晶细化量,增加奥氏体形变强化相变变形量对细化铁素体晶粒会有显著效果。参考文献一个热连轧过程包括板坯的重新奥氏体化、高温奥氏体形变与

15、再结晶、相变过程乃至铁素体的回复、再结晶。而最终组织的细化往往是最重要的,组织细化可以提高材料的综合力学性能。普通低碳钢Q235,若使其屈服强度由235MPa增至400MPa则需将铁素体晶粒尺寸细化至45m。围绕铁素体晶粒的细化,对上述的相互联系的各个物理冶金过程需要控制。由试验结果可m,知,普碳钢奥氏体再结晶晶粒细化可至约10由此奥氏体晶粒尺寸欲获得45m。围绕铁素体晶粒的细化,对上述的相互联系的各个物理冶金过程需要控制。由试验结果可知,普碳钢奥氏体再结晶晶粒细化可至约10m,由此奥氏体晶粒尺寸欲获得45m的铁素体晶粒尺寸,根据文献5提供的公式,则需冷却速度>40/s,如此快的冷速在现

16、场条件下难以实现。而且,连轧过程为多道次轧制,与单道次、大变形量相比,由于道次间隔时间内的回复软化及晶粒长大,会使奥氏体晶粒细化效果减弱。因此进一步的晶粒细化241L.J.Cuddy.Theeffectofmicroalloyconcentrationontherecrystal2lizationofausteniteduringhotdeformation.Conf.Proc.,Thermome2chanicalprocessingofmicroalloyedaustenite.EditedbyDeArdoetal.,ThemetallurgicalsocietyofAIME,1981:1291392K.J.Irvineetal.,Controlledrolingofstructuralsteels,JournaloftheIronandSteelInstitute,1970,208:7177263李曼云,孙本荣