低碳钢q2-35热变形超细晶组织的研究

低碳钢q2-35热变形超细晶组织的研究

1试验研究的领域20世纪70年代开发的微合金化理论、控屑和冷却技术可以将微钢板和带的铁素体颗粒细分到5.m，屈服强度可以增加到大约200mpa的范围。近十几年来,开展了获得超细晶组织的研究,有效地提高钢的强度和韧性。其中以普通C-Mn钢获得超细晶的工艺机制为研究工作重点,获得了2~3μm的超细晶铁素体,屈服强度大于400MPa。日本住友工业公司轧制出成分为0.1%C-1.7%Mn-0.03%Nb,晶粒尺寸为5.5μm,直径为32mm的优质棒钢。控制精轧机温度为725℃,圆棒轧材屈服强度为454MPa。未来钢铁材料研究发展方向是以高纯洁度、高均匀度和超细晶为主要目标,以节省资源、降低成本和可回收利用为研究的基本原则。本文通过研究普通低碳钢(Q235类型)长型材获得微米级细晶组织的工艺技术和物理冶金原理,采用细化组织方法将低碳钢屈服强度提高到400MPa级,以适应建筑等行业对提高强度降低成本的发展需求。其首要目标是在新的理论研究的基础上,研究细化晶粒到4~5μm,控制组织为F+P+(B)的轧钢控制新工艺。2实验研究中的问题通过对普通碳素钢Q235(钢的成分见表1)在Gleeble-2000热变形模拟试验机上进行临界奥氏体温区Ae3-Ar3附近,单道次和多道次变形模拟实验,探讨研究得到超细晶组织物理冶金原理及相应的工艺制度。由于试验条件限制,首先将实验结果应用到工厂的横列式轧机上进行轧制实验,经检测,利用该工艺方案可以轧出屈服强度400MPa以上的↣φ12mm的螺纹钢筋。实验测得碳素钢Q235的相应参数如下:在10℃/s冷却条件下Ar3~780℃,PS~700℃(珠光体开始共析点温度),经热力学软件Thermo-calc计算Ae3~840℃。连铸坯经锻造和900℃×2h正火后加工成↣φ10×12mm试样,用于变形模拟实验。3试验结果与讨论3.1变形温度和变形量对显微尺寸的影响选定850~1150℃区间,研究形变参数对奥氏体的影响。热变形模拟实验结果如下:(1)加热温度对奥氏体晶粒度的影响见图1。试验用Q235钢在空气炉加热条件下,奥氏体晶粒在850~950℃温度范围内迅速长大,且对均温时间比较敏感。当温度从950℃升至1150℃时,晶粒长大倾向明显减小,晶粒尺寸趋于均匀。(2)不同变形工艺下,奥氏体晶粒尺寸随变形温度下降而减小(图2)。当道次变形量为30%时,4道次变形,变形温度相同,道次间隔时间短时,得到的奥氏体晶粒细小,且相同变形温度范围内,奥氏体晶粒尺寸变化幅度小,即温度的影响较小。道次间隔时间短有利于奥氏体晶粒细化。变形量对奥氏体晶粒尺寸的影响:相同温度下,变形量大,奥氏体晶粒尺寸减小。连续变形条件下,奥氏体的最小晶粒尺寸可达10μm。3.2单道次变形诱导铁素体的制备试验试验结果表明,对于普通碳素钢采用传统的控轧控冷工艺很难细化奥氏体晶粒,以达到细化铁素体晶粒为4~5μm的目的,需要研究全新轧制工艺。为此对不同的变形温度、变形量、变形速率、以及变形后的冷却速率进行了大范围的实验研究,结果如下:(1)形变温度区间:B.Mintz等人提出Ae3~Ar3-20℃范围内均可诱导析出铁素体。Yada等认为Ae3~Ar3温度区间内通过大变形可以获得等轴均匀的超细晶铁素体。本试验选择变形温度为Ae3温度区、Ae3~Ar3温度区间、Ar3~PS(珠光体共析点起始温度)温度区间、PS四个温度区间,在Gleebl-2000上进行模拟试验。试验参数为:900℃保温2min,10℃/s冷却到变形温度,一道次80%变形和两道次50%+50%变形,变形速率30s-1,变形结束后立即水淬。结果表明:在Ae3+30℃~Ar3-30℃区间内大变形均可以获得等轴均匀诱导析出铁素体(图3(a)),可以推论诱导析出的铁素体温度比Ae3+30℃还高。低于共析温度形变,会出现变形的铁素体和变形珠光体的特征组织,并且会导致微观组织具有条带状(图3(c)),在PS~PS+50℃变形,部分铁素体具有形变带,形变诱导铁素体会出现变形奥氏体的遗传特征,呈现胞状组织(图3(b))。一道次和两道次变形具有共同的规律。变形量达80%时,在870~760℃获得尺寸数量相同的超细铁素体(约2μm),因此大变形条件下铁素体晶粒尺寸和数量受温度的影响小(图4(a))。(2)变形速率的影响:形变速率提高,将会提高诱导铁素体所需的形变量。试验选择形变速率范围30~350s-1,一道次,80%变形量,变形温度870℃(图4(b))。结果表明:随着变形速率的提高铁素体的含量(体积百分比)下降,铁素体的形貌由均匀等轴变为针状、块型、非等轴形貌等复合形貌,表明诱导析出铁素体发生动态再结晶的过程逐渐减弱,表现出了诱导铁素体和其再结晶的动态变化过程。同时表明,形变速率的提高,相当于相对减小变形量,不利于铁素体的诱导析出量和晶粒的均匀化。(3)变形量和应力:试验结果表明,通过形变诱导铁素体获得超细晶组织随变形量的变化而发生变化。因此,获得等轴均匀的铁素体细晶组织必须要大于相应的临界变形量。图5为830℃单道次不同变形量的应力应变曲线。当应变值在0.4附近,应力达到峰值,而小于0.4的应变量变形时,曲线一直没有峰值出现。在870~760℃,单道次80%变形和两道次50%+50%变形的应力应变曲线具有以上共同规律。对于长型材孔型轧制,研究多道次累积变形对形变诱导铁素体的影响尤为重要。MatsumuraY.的实验表明,当变形道次间隔时间小于2s时,多道次的累积变形和一道次变形获得超细晶铁素体的效果相同。本研究结果表明:不同的道次间隔时间,影响材料组织成分,晶粒尺寸也不尽相同。变形量的不同,诱导铁素体的含量和晶粒尺寸将会不同(图4(a)),变形量的增加,会增加铁素体的含量和减小尺寸,同时诱导铁素体的形貌也会发生变化,小于0.4变形量时将不发生铁素体动态再结晶。图6为80%和40%变形的微观组织的对比,80%变形可获得等轴均匀的微观组织,而40%变形出现的组织是非均匀的。Hodgson的研究结果表明形变诱导铁素体不易控制均匀组织成分和铁素体含量。因此,利用形变诱导铁素体机制获得超细晶组织,将需要严格的工艺制度。3.3试验控冷和冷却速度对晶粒尺寸的影响由于碳素钢Q235没有微合金元素的合金析出粒子的晶界钉扎作用,诱导出的超细晶铁素体非常容易长大。轧后的控冷成为控制晶粒尺寸的有效方法。试验参数:以10℃/s冷到变形温度,压缩变形ε=34%,形变速率10s-1,变形后以不同冷速冷却。结果见表2,选择适当冷却速度可以控制晶粒尺寸(约5μm)和组织成分,获得良好强度性能。表中σs、σb、ψ分别为屈服强度、抗拉强度和断面收缩率。3.4工艺路线及效果基于实验室研究结果,提出了临界奥氏体控轧的工艺方案,即在Ae3~Ar3奥氏体亚稳温区附近进行控轧的工艺方案,并且在唐山钢铁公司横列式轧机上进行了400MPa级碳素钢钢筋轧制试验。通过降低开轧温度方法实现低温轧制和控制终轧温度的方案,并且采取轧后水冷+空冷的方法控制晶粒度,实现了既定的工艺路线。采取远红外线测温仪多点测试方法对温度测试和对温度的控制。结果获得了400MPa级性能良好的↣φ12mm碳素钢螺纹钢筋,钢筋的前段、中间段、后段性能一致。图7表明了不同工艺条件下轧制钢筋的不同晶粒尺寸与屈服强度的关系,表明利用该工艺,通过细晶的获得,可以提高钢筋强度。同样工艺在两相区轧制,也可以获得超细晶组织,但是对温度区间需严格控制。用该工艺方案轧制20MnSi,可使其屈服强度提高到700MPa以上。图8为轧制的400MPa碳素钢筋外表及其微观组织照片。目前正着手在连续式棒线材轧机上利用该工艺技术进行试验研究。4ae3ar3周边的大变形反应(1)在孔型轧制条件下,在Ae3~Ar3附近,大的