（材料加工工程专业论文）q235b流动应力及动态再结晶行为研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第l 页 摘要 在热塑性加工过程中，金属的流动应力决定了它的塑性变形性能，是制定合理的轧制 工艺规程所必不可少的重要参数；而动态再结晶则是金属材料在热变形过程中重要的微观 组织演变过程，是材料动态软化和晶粒细化的主要手段，在很大程度上决定了材料的最终 微观组织和综合力学性能。 本文以某厂热连轧机组生产的q 2 3 5 b 为研究对象，利用g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟实验机对 试样进行单道次压缩变形实验，研究了不同变形条件对q 2 3 5 b 热塑变行为的影响；并根据 应力应变数据，回归建立了两种不同形式的流动应力预报模型，改进后的分段式的流动应 力模型精度较高；确定了q 2 3 5 b 的变形激活能，并建立了z e n e r - h o l l o m o n 参数方程； 给出了q 2 3 5 b 动态再结晶发生和完成的条件，用实验数据对再结晶动力学模型一 j o h n s o n m e h l - a v r a m i ( j m a ) 方程进行非线性回归得到了动态再结晶体积分数预报方程，预 报精度较高；还分析了不同变形条件对动态再结晶行为的影响规律。本课题的研究结果为 某公司热连轧厂q 2 3 5 b 组织演变和性能预报软件的开发提供了基础模型。 关键词：q 2 3 5 b ；流动应力；变形激活能；z e n e r - h o l l o m o n 参数；动态再结晶 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep l a s t i c i t yo f m e t a l sd e p e n d so nf l o ws t r e s sd u r i n gp l a s t i cp r o c e s s i n ga n df l o ws t r e s s i sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nd e t e r m i n i n gt h et e c h n o l o g ys c h e d u l e d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( d r x ) i sa l li m p o r t a n tm i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o np r o c e s sa n da l s oam a i nm e t h o dt or e f i n eg r a i ns i z ea n d m e t a ld y n a m i cs o f t e n i n g t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fm e t a l sa r ed e t e r m i n e db yd r xt oa l a r g ee x t e n t s i n g l ep a s sc o m p r e s s i o nt e s t so fq 2 3 5s t e e lp r o d u c e di nas t e e lp l a n tw e r ec o n d u c t e do n g l e e b l e - 15 0 0h o ts i m u l a t o ra n dt h ee f f e c t so fd e f o r m a t i o np a r a m e t e r so nh o tp l a s t i cb e h a v i o u ro f q 2 3 5s t e e lw e r ea n a l y z e d a u t h o re s t a b l i s h e dt w ok i n d so ff l o ws t r e s sm o d e l sa c c o r d i n gt ot h e t e s td a t a ，i nw h i c ht h em o d e lc o n t a i n i n gd r xh a sah i g h e ra c c u r a c y t h ea c t i v i a t i o ne n e r g y 如a n dz e n e r - h o u o m o np a r a m e t e re q u a t i o nw e r ee s t a b l i a s h e d t h es t a r t i n g a n df i n i s h i n g c o n d i t i o n so fd r xw e r ed e t e r m i n e da n dp r e d i c t i o ne q u a t i o no fd r xv o l u m ef r a c t i o nw i t h h i g h e rp r e d i c t i o na c c u r a c yb a s e do nj o h n s o n m e h l - a v r a m i ( j m a ) e q u a t i o nw a so b t a i n e dw i t h h o ts i m u l a t i o nt e s td a t a f i n a l l yt h ei n f l u e n c e so fd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n so nt h eb e h a v i o u ro f d r xw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t sp r o v i d et h et h e o r e t i c a lm o d e l sf o rt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f m i c r o t r u c t u r ee v o l u t i o na n dp r o p e r t yp r e d i c t i o no fq 2 3 5s t e e li nh o tc o n t i n u o u sr o l l i n g k e yw o r d s ：q 2 3 5s t e e l ；f l o ws t r e s s ；a c t i v a t i o ne n e r g y ；z e n e r - h o l l o m e np a r a m e t e re q u a t i o n ； d y n a m i cr e c r y s t a u i z a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 随着我国国民经济的高速发展，基础设施建设的逐步实施，对钢铁材料的需求量也大 幅度增加，高效率、低成本地生产出力学性能优良的钢材，一直是钢铁企业和研究人员所 期望的目标f 1 1 。而q 2 3 5 b 是建筑和工业各行业常用的结构钢，具有较高的强度和良好的低 温冲击韧性，广泛应用于桥梁、船舶、车辆、建筑、压力容器等，还可以用作重要的 焊接结构件，是一种用途广泛的钢种【2 】。 要在激烈的钢铁市场竞争中取得优势，就要进一步降低生产成本和提高产品性能，这 对企业的长远发展有着至关重要的意义。此外轧制技术的发展以及用户越来越高的产品质 量要求，促使生产企业需要更好更全面地理解和控制轧制产品的整个生产过程。因此，为 了实现这一目标，所需要解决的首要问题就是掌握和控制生产过程中轧件的变形过程及组 织变化过程。 在热轧过程中，温度、压力加工和冶金现象之间通过复杂的相互作用，导致了钢材显 微组织发生一系列变化。而正是这些因素决定了钢材的最终组织和力学性能。金属材料在+ 高温下进行塑性变形时，以及随后的保温过程中，在金属内部不仅仅存在着金属流动，同 时还发生着组织和结构的变化，也就是产生一定程度的加工硬化，而与此同时材料本身也 会产生一定的软化机制，其中包括动态回复和动态再结晶、亚动态再结晶、静态回复和静 态再结晶等现象，对金属材料最终的流变应力、组织和性能有重要的影响【2 一j 。而预报钢材 力学性能的有效方法，就是通过建立数学模型来模拟热轧中钢材的显微组织演变。其研究 成果可以为计算机控制产品性能、自动开发并设计新钢种和新工艺提供理论依据，同时对 生产也起到了有益的指导作用。 随着现代物理冶金、热机械处理技术、热变形技术和计算机技术的兴起与发展，实现 了模拟预测和控制金属材料热塑性变形过程中的显微组织演变，从而最终获得优良的机械 性能。热轧阶段是钢材生产过程中的一个重要环节，而热变形过程中的再结晶在控制轧制 中起着决定作用。因此，研究材料热变形过程中的动态再结晶规律，预测和控制材料热塑 性变形过程中的显微组织演变，对于确定最佳的生产工艺参数，优化产品的最终组织和性 能具有重要的意义。 近年来，在物理冶金学的基础上，国内外许多学者开发并建立了钢材轧制过程的数学 模型，其中一个比较重要的就是奥氏体动态再结晶模型【4 - 9 1 。随着这些模型在实际生产过程 中应用的不断扩展，对模型的精确性和适用性的要求也随之不断提高。因此，为了得到产 品所需要的性能，就需得到相应的组织，制定相适应的生产工艺，将轧制过程控制在适当 的范围内。为了获得特定钢种的最佳加工工艺参数，这就需要确定材料再结晶发生和完全 完成的条件以及对其热变形过程中的动态再结晶进行精确的预报。 某公司热连轧厂装备有先进的带钢生产设备，但在预测技术研究工作上相对滞后。因 此本文的研究工作拟针对该厂生产的量大规格全的普碳钢q 2 3 5 b ，对其生产工艺进行研 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 究，建立流动应力预测模型，并对其动态再结晶进行研究预报，为开发组织性能预报软件 和改善外方原有预测程序的精度提供理论基础。本研究对该热连轧机组组织性能预报软件 自主集成技术和自主研发水平具有较大的现实意义。 1 2 热变形流动应力的研究现状 金属的流动应力是指金属抵抗形状变化和永久变形的能力，决定了金属塑性变形性 能，是表征钢材压力加工性能的一个基本量，也是制定合理的轧制工艺规程所必不可少的 重要参数。因此在实际轧制生产过程中，只有正确确定在不同变形条件下的金属流动应力 变化规律，才能制定合理的轧制工艺规程，从而获得高质量的产品【l 们。然而，建立高温下 金属材料的流动应力模型是一项相对复杂的工作。由于在高温变形条件下，金属的流动应 力应变曲线的变化规律是由加工硬化、动态软化( 包括动态回复和动态再结晶) 共同作用的 结果所决定的，同时还受着金属化学成分的影响。为了研究金属材料的成形性能，同时揭 示金属变形的微观机理，有必要对其建立准确的合理的流动应力模型，这也是得到最终准 确的预报结果的理论基础。因此，如何对某一特定成分的钢种建立合理的流动应力模型一 直都是热加工过程数值模拟领域所关注的焦点。然而，在高温变形条件下，金属流动应力 的影响因素众多而且复杂，为了建立不仅符合金属变形微观机理，同时又能描述宏观实验 的流动应力模型，很多学者对此进行了大量的研究工作【1 1 2 l 】。 迄今为止，根据流动应力的主要影响因素，很多研究者对金属在奥氏体区高温热变形 条件下的流动应力变化规律已经进行了充分的研究，总结起来主要有以下两种研究方法 【2 2 2 3 】：( 1 ) 从宏观角度考虑，直接以变形温度、应变速率和变形程度等宏观的变形工艺参数 作为变量的流动应力数学模型。可以为实际工业生产过程中轧制工艺制度的制定提供预测 模型，也为现代化计算机控制整个生产过程提供理论数学模型；( 2 ) 从微观角度考虑，在 金属微观组织结构的基础上，建立以热激活变形、位错运动等微观机制涉及到的参数为变 量的流动应力数学模型。主要是为了探索微观组织结构与宏观流动应力变化的定量函数关 系，最终目的还是为实际工业生产提供合理的、精确的流动应力数学模型，为实际工业生 产提供理论指导。 对于一定成分的金属，其流动应力盯主要受变形温度、应变速率和变形程度等变形工 艺参数的影响，因此流动应力仃可以表示为以这三个参数为变量的函数，即： d r = ( g ，8 ，r )( 1 1 ) 目前，建立材料的流动应力数学模型所使用的普遍方法是：采用热模拟压缩实验来测 量在一定变形温度和应变速率范围内的流动应力应变数据，然后根据这些实验数据利用统 计回归分析方法来构建对应的流动应力预报方程1 2 4 】。 2 0 世纪五十年代，m a b a u k o b 经过大量实验研究，给出了流动应力与变形温度t 、 应变速率g 和变形程度s 的函数关系式 2 5 - 2 7 】： 肘 仃= a 奉e x p ( - b r ) g ”+ g( 1 2 ) 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 式中，a ，b ，m ，1 1 是取决于材料本身和变形条件的参数；t 为变形温度；为变形程度； 占为应变速率。 继m a b a u k o b 之后，井上胜朗和美坂一吉本也提出了类似的流动应力数学模型： o r = k 木f “幸f 幸e x p ( a 正) ( 1 3 ) 式中，a ，k ，m ，1 1 是与材料材质和变形条件相关的参数。 1 9 6 6 年，s e l l a r s 和t a g e r t 根据金属材料热变形和高温蠕变的相似性，即均为热激活过 程，热激活影响和控制着应变速率，在此基础上通过大量的实验研究，提出了一种包含变 形温度t 和热变形激活能q 的双曲正弦形式的修正a r r h e n i u s 函数关系来描述材料的热激 活变形行为【2 8 2 9 】： 占= 趣s i l l l l ( 们) 】”e x p ( 一q r d( 1 4 ) 目前实际工程中所采用的金属流动应力模型一般都为双曲正弦形式的修正a r r h e n i u s 函数关系。当需要确定某一特定钢种的具体流动应力公式时，则必须利用实验所测得的大 量的应力应变数据来回归式( 1 4 ) 中的系数。 在国内，研究学者为了逐步提高金属流动应力模型的预报精度，在这方面进行了大量 ! 的研究工作，同时提出了各种改进形式的流动应力模型。 周纪华【划等人通过对凸轮塑性设计实验的研究分析，给出了如下的流动应力模型： 口= k 7 k 。k ( 1 5 ) 式中，k r 、k 。和k 分别为变形温度影响因子、变形程度影响因子和应变速率影响因子， 公式中还考虑了化学成分对流动应力的影响。 王国栋【3 1 1 等人通过对含n b t i 微合金钢的实验研究，给出了下面的流动应力模型： 弘c r o ( 5 ) 妒峨e x p ( b 3 志+ 6 4 ) 瞰一纸- 1 睁 1 1 6 ) 徐光、徐楚韶、赵嘉蓉【3 2 】等人根据单道次压缩应力一应变实验结果得到超低碳i f 钢在 铁素体低温区的流动应力模型： ：eoiisoor 0 4 6 0 1 6 船e x p ( 半) ( 1 7 ) ： se x p ( 竺竺兰) ( 1 7 ) 刘芳等人利用神经网络方法，即基于b p 的人工神经网络来预报某种铝合金在热加工 时的流动应力变化规律，所采用的回归模型为【3 3 】： 盯= a t 占( a 3 r + a 4 ) ( 彳5 s 3 + a 6 占2 + a t s + a 8 ) ( 1 8 ) 式中，t 为变形温度； 占为变形程度； g 为应变速率； 4 4 为回归系数。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 韩丽琦、臧勇【3 4 】等人利用人工神经网络预测模型来预报热轧碳钢的流动应力，回归模 型采用如下结构形式： 仃= 吼e x p ( a l t + a 2 ) ( 妄厂m 吼( 昙厂+ c ，一， 昙) c ， 式中，丁：堡丝兰! ! ，表示标准化的变形温度，k 5 c r 0 为基准流动应力，即化学成分、组织结构和变形工艺参数一定时的流动应力，m p a ； 晶为基准流动应力对应的变形程度( 取对数应变) ； 晶为基准流动应力时对应的应变速率，s ； a a 。为回归系数。 除此之外，很多其它研究者还采用了一些其它形式的流动应力模型，这些公式与上面 总结的变形抗力公式尽管形式有所区别，但基本上都只是考虑了变形温度、应变速率和变 形程度等变形工艺参数对流动应力的影响，而没有涉及到热变形过程中动态软化( 包括动 态回复和动态再结晶) 的影响，而且都是基于一定的变形条件假设下，具有一定的局限性， 并不能完整描述所有的流动应力一应变睦线，尤其是动态再结晶型应力应变曲线，这些模 型只是把公式本身导致的误差转化到模型的回归系数中了，而且一般情况下回归和计算工 作量较大，给实际应用带来了一定的困难。因此在目前的数值模拟领域中，在丰富的理论 和大量的实验基础上，研究和提出不仅具有普遍性和实用性，而且还能准确体现主要参数 的影响作用的流动应力模型，仍是许多研究者们下一步研究工作的重点和焦点。 1 3 国内外动态再结晶研究现状 自2 0 世纪6 0 年代以来，国内外许多学者对金属材料在热塑性变形过程中的组织变化 规律开展了大量的研究。最初的研究主要集中在动态回复及再结晶、静态回复以及再结晶 的微观机理上。2 0 世纪7 0 年代开始，研究则主要集中在动态回复、再结晶及晶粒长大的 定量数学描述上，从而实现了从定性分析到定量描述的飞跃。随后，由于计算机硬、软件 技术的迅速发展和变形理论、组织演变理论研究的不断深入，动态再结晶组织演变模拟也 相应由最初的简单解析阶段发展到数值模拟层耐弱l 。 关于金属在热塑性变形过程中动态再结晶规律的研究，目前的主要方法一般是先进行 实验研究，根据实验结果来建立动态再结晶组织演变数学模型，从而描述动态再结晶相关 特征值与宏观热力学参数之间的函数关系，国内外有许多学者对这方面做过大量的研究。 目前，在a v r a m i 动力学方程的基础上，对于动态再结晶的发生条件、动态再结晶动力学 和随后的晶粒长大等现象与热加工工艺参数的定量函数关系已经基本建立起来了，由这些 模型给出的预测值与热轧产品的实测状况基本相符。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 3 1 国内研究现状 对于碳锰钢在热变形过程中的组织演变，国内有很多学者在钢的物理冶金学基础上， 建立了许多轧制过程的动态再结晶模型。比较不同的动态再结晶模型，目前大部分学者研 究所用的模型都是在唯象j m a 方程的基础上建立的。以金属镍扭转实验为基础，人们提 出了唯象理论。我们知道，动态再结晶是一个热激活过程3 6 1 ，应变达到临界值t 后发生动 态再结晶，而且已经发生过动态再结晶的晶粒还可能再次发生动态再结晶。 目前大多数研究者都采用唯象的j o h n s o n m e h l - a w a m i k a l m o g o r a v ( j m a k ) 方程来描述 动态再结晶动力学关烈3 7 】： x = l e x p ( - b t ”)( 1 1 0 ) 根据应变与时间的对应关系，通过适当变换后，许多研究者们结合实验得到了均与应变 有关的不同形式的动态再结晶数学模型。 魏洁、唐广波【3 8 】等人采用单道次压缩热模拟实验，在原有模型的基础上，对动态再结晶 模型中的系数进行回归，得到了碳锰钢在不同变形条件下的动态再结晶模型： 髟：l e x p i _ o 6 9 3 i 三皇l ( 1 1 1 ) ” l l 5 0 5 一占c j 气，= 0 0 0 2 2 d 。o 1 5 吒仉嘲7c x p ( 警3 0 2 3 j 1 z m 1 2 )气5 = o 叫副1 g c x p | 了l ( 1 图1 1 是上述动态再结晶模型建立的流程图，图中矩形框里面的方程表示为模型的数学 函数关系，椭圆形中的是待定系数。从这个流程图中可以清晰的知道动态再结晶模型建立 的步骤。 图1 1 动态再结晶模型建立流程图 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 曹杰、唐广波【3 9 】等人采用单道次压缩热模拟实验分析了碳锰钢各个变形参数对动态再 结晶的影响，并建立了动态再结晶的模型： ( 1 ) 热变形条件的z e n e r - h o l l o m o n 参数： z = ；e x p ( q a , r r t ) = e x p ( 2 8 8 0 0 0 r t ) 式中，为变形速率，s - 1 ；翰为变形激活能，j m o l ；r 为气体常数，r = 8 3 1 4 j ( m o l k ) ； t 为变形温度，k 。 ( 2 ) 临界应变模型：占= o 0 0 0 0 6 d o o 4 6 0 6 z o 。2 3 式中，d o 为初始奥氏体晶粒尺寸。 ( 3 ) 模型确广。o 1 川g 。0 1 9 3 7 0 0 0 2 2 d e x p ( 警) ( 3 ) 气5 模型：g =o n 洲ge x p ( 兰竽) 一姚x 一一斗9 3 蓑r 9 ( 5 ) 动态再结晶晶粒尺寸模型：d 胁= 2 0 5 x 1 0 4 z 吨2 5 周晓光、刘振宇【柏】等人研究了低碳含n b 钢的动态再结晶模型，其动态再结晶动力学模 型和晶粒尺寸模型为： 驯一卜粥科i n d 枷= c z 6 ( 1 1 4 ) 式中，x d 为动态再结晶分数；g 为真应变；占。为动态再结晶临界应变；g p 为峰值应变；1 1 1 为a v r a m i 指数；为动态再结晶晶粒尺寸；c ，b 均为与材料相关的常数。 徐光、徐楚韶【4 1 j 等人通过单道次热模拟实验研究t t i - i f 钢动态再结晶模型。在动态 再结晶模型中，可以把加工硬化率0 第1 次恢复到0 值时的占作为稳态应变s 。由此可得到 不同变形条件下的两个特征值，即峰值应变g 。和动态再结晶完成后的稳态应变s ，然后根 据临界应变g 。和占。的关系得到动态再结晶临界应变乞。最后给出了t i i f 钢动态再结晶体 积分数模型： 心一十睨9 0 嚣) 2 1 脚 n 5 ， 北京科技大学何建中【4 2 1 等人对q 3 4 5 含n b 低碳钢在c s p ( 紧凑式带钢生产) 轧制时的动 态再结晶行为进行了研究。通过热塑性变形过程中的真应力一真应变曲线，回归得出此钢 种动态再结晶临界发生条件和数学模型；并利用动态再结晶状态图，避开轧制过程中的部 分再结晶区进行轧制，有效地减少了钢板中的混晶组织。 东北大学李治华、许云波【4 3 】等人通过g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟试验机，对碳锰钢进行单道 次压缩试验，模拟并计算了由热力学行为的演变引起的动态再结晶和位错密度等物理冶金 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 现象的变化。分析结果表明，在温度较高、应变速率较低的条件下，容易发生动态再结晶。 东北大学刘战英、陈连生m 】等人利用g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟试验机，对3 0 m n s i v 钢进行高 温压缩变形试验，分析研究了不同的变形条件对该钢种动态再结晶行为的影响。研究结果 表明，热形变过程的温度、变形程度均对3 0 m n s i v 钢的动态再结晶产生影响，而且变形温 度和应变速率会产生交互作用；获得了该钢种动态再结晶发生的临界条件；该钢种的动态 再结晶热变形激活能为3 3 1 7 5 m o l ，约比低碳钢高出1 3 6 。 钢铁研究总院王瑞珍【4 5 】等人系统地研究了低碳q 2 3 5 b 奥氏体的动态再结晶行为。通过 对不同变形条件下真应力一真应变曲线的分析，确定了此钢种发生动态再结晶的临界应变 条件，建立了完全动态再结晶后的晶粒尺寸模型。 除了上述研究者的研究成果以外，国内还有很多学者得到了其他针对不同钢种不同变 形条件的动态再结晶模型。一些比较具有代表性的动态再结晶模型如表1 1 所示。 表1 1国内研究者提出的动态再结晶数学模型 研究者动态再结晶模型 鞘一商6 c = 嘲0 , 8 6 p 叫6 p = 耻a d o u 2 一z 。a 5 ie x p , 。- m 艺囊z = g e x p r r )x 毋= 一。忙t 厂i 巳= 0 8 s p占p = a d o u 2 z 岱1 6z = 占e x p ( q a r t ) 刘振字m 1 l = 1 e x p - 0 6 9 3 。k c e ) 6 p n j x 毋= 1 - e x p ( - b ( z ) t “约j 张斌，阮雪榆【4 8 j 6 ( z ) = - i n ( 1 - 0 0 0 5 ) t , ”z = 6 e sf ；占。g 表中，s 为真应变；占为应变速率；z 为温度补偿变形速率因子，h p z e n e r - h o l l o m o n 因 子；占。为峰值应变；幺为奥氏体发生动态再结晶的临界应变；g ，为达到稳态应力时对应的 稳态应变；d 撕为动态再结晶晶粒尺寸；x 打为奥氏体动态再结晶率；s o ，为动态再结晶达 至u 5 0 时对应的应变；g 为热变形激活能( j t 0 0 1 ) ；r 为气体常数( 8 3 1 4 ) ；t 为绝对温度( k ) ； 八m 为与材料有关的常数。 综上所述，大多数学者一般都是以a w a m i 方程为基础而建立的动态再结晶模型以及晶 粒尺寸模型，同一特征参量的工艺参数基本相同，不同的只是回归方程的回归系数。主要 是由于钢种不同，其化学成分不同以及初始的微观组织结构不同，才产生了这种差别。这 些模型的计算值与实测值基本上都取得了较好的吻合。该类模型方程中的参数来自实验， 计算精度较高且与实际热变形之间有定量的函数关系，达到了较好的预报效果。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 2 国外研究现状 早期，人们主要是采用唯象理论的简单解析模拟方法来研究材料的组织演变，也就是 在大量实验的基础上，收集大量的相关数据，然后进行简单的统计回归处理和分析，用由 此得到的经验公式或图形来描述材料的组织演变行为。从2 0 世纪7 0 年代开始，国外就有很 多学者以钢的物理冶金学为基础，开始分析变形条件和温度条件对钢在热轧变形过程中内 部显微组织演变行为和析出规律的影响，并用数学模型对其进行描述，开发得到了轧制过 程的不同物理冶金模型，其中包括奥氏体静态再结晶模型、晶粒长大模型、奥氏体动态再 结晶模型等。其中，具有代表意义的是，英国s h i 伍e l d 大学的s e l l a r s 3 7 j 等人对c m n 钢及含n b 微合金钢在热轧过程中的显微组织演变所做的实验研究，建立了动态再结晶临界应变、动 态再结晶动力学、静态再结晶动力学等与热加工工艺参数的定量函数关系模型。2 0 世纪7 0 年代末，他们提出了第一套预报热车l c - m n 钢奥氏体显微组织演变的数学模型，并在模型中 引入了重要的z e n e r - h o l l o m o n 参数、时间和温度等参数，从而成功模拟和预报了奥氏体组 织的变化。现在，他们所建立的模型已用于c m n 钢的轧制过程，晶粒尺寸的预报值与实际 值基本相符。 继s e l l a r s 等人的工作之后，还有很多学者对再结晶作了许多研究，y a d a 和r o b e r t s 分别 提出了关于c m n 钢再结晶相关的数学模型【4 9 1 ，由这些模型得到的预报结果基本上是一致 的。此外，基于化学热力学和经典形核与晶核长大理论，s a i t o 建立了结构钢的显微组织演 变模型 删。之后，日本的k a w 嬲a k i 钢铁和n i p p o n 钢铁1 5 1 1 ，以及德国、法国等国家的研究者 们也分别提出了有关动态再结晶组织演变的不同数学模型。 总而言之，国外学者对于材料动态再结晶模型的研究比较早也比较深入，尤其是近2 0 年来对碳锰钢的组织演变以及组织对性能影响的研究越来越多，并建立了很多相关模型。 归结起来应用比较广泛的有s e l l a r s 等人的模型、j j j o a n s 和h o d g s o n 模型、y a d a 模型、s a i t o 模型、h o d g s o n 和r k g i b b s 模型、e s a k a 模型、r o b e r t s 模型和m i s a k a 模型等【5 2 1 。 一些国外学者提出的、常见的动态再结晶模型如下表1 2 所示【5 3 , 5 4 ： 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 表1 2国外研究者提出的动态再结晶数学模型 研究者 动态再结晶模型 s e i l 躺【3 7 】 g p = 4 9 1 0 。4 d o l l 2 z 。_ 1 5g c = 船，( 口一般取o 8 ) z ：二e x p ( q 只r )q = 3 1 2 k j m 。1 而- - 1 一e x p - 0 6 9 3 o i t 0 5 ) 】 g = 0 5 7 d o o a t p d 懈= 0 5 d o o 6 7 占一1 ( 占 z ：二e x p f 塑型1 1 r t ， 乞“7 6 枷一e x p ( 竽) d 础= 2 2 6 0 0 z 。0 上7 川斗嘶哆( 等) 2 ，乩圳m 碥们8 0 5 e x p ( 竽) 对含n b 钢，发生动态再结晶的临界应变值【5 6 】 占。= c 8 p c 为常数，一般取0 6 - - - 0 8 之间 铲( 掣) x2 8 x | 0 - 4 d 0 0 5 ；- d 等) r h o d g s o n 5 刀 z d 嚣) t = 5 6 x 1 0 一d o o z 0 。1 7 d d 麒= 1 6 x 1 0 4 z 加2 3 ，一十6 吩l 5 t o s = 0 4 xz - o s d 等) s a i t o 5 0 1 占c = 3 6 8 x 1 0 4 z n l 9 d o o 1 4 z = ；e x p ( q r t )q = 3 1 2 k j t o o l d 忉= 2 8 2 x 1 0 4 z 吨“ 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 由上表总结出的模型可以看出，s e l l a r s 和s a i t o 等提出的动态再结晶模型将临界应变 与z e n e r - h o l l o m o n 参数和奥氏体初始晶粒尺寸联系起来，作为动态再结晶发生的临界条件。 而y a d a 等人则认为，临界应变只取决于变形温度，而与初始奥氏体晶粒尺寸、应变速率 无关。从c i v l n 钢高温变形过程的应力一应变实验曲线来看，在变形温度较高、应变速率较 低时，对应峰值应力的峰值应变一般比较小，临界应变也就越小，因此动态再结晶越容易 发生，这个结论与s e u a r s 模型基本一致。 综上所述，尽管不同研究者所提出的动态再结晶数学模型不同，但又存在着明显的相 似之处。归结起来，在这些模型中，普遍采用a v r a m i 方程来描述动态再结晶动力学变化规 律，在a v r a m i 方程的基础上，再通过回归大量的实验数据来确定模型中相应的系数，由此 最终得到动态再结晶数学模型。 1 3 3目前动态再结晶研究存在的主要问题 在如今钢铁行业的严峻形势下，组织性能预报是提升钢铁行业水平的一个重要标志， 也受到钢铁工业界越来越多的重视。因此在未来的研究工作中，组织性能预报工作的重点 就是如何提高奥氏体高温变形动态再结晶模拟的计算和预报精度。在动态再结晶的数学模 拟研究中，目前主要存在着以下一些问题： ，( 1 ) 带钢在热连轧过程中，显微组织演变主要包括以下三个部分：再结晶、相变和碳 氮化物的析出。三者之间既相互独立又相辅相成，共同组成了钢铁材料内部复杂多变、丰 富多彩的物理冶金学现象。但不管是对再结晶的临界发生条件还是再结晶动力学过程的研 究，均没有全面考虑到相变和碳氮化物的析出对材料再结晶行为的影响； ( 2 ) 带钢在热连轧过程中，关于微合金元素n b 、v 、t i 对再结晶影响的研究还不太深 入，尤其是在建立奥氏体动态再结晶数学模型过程中，还有待充分考虑微合金元素n b 、v 、 t i 的影响作用； ( 3 ) 由于实验方法的各种限制，到目前为止仍没有精确的数学模型来描述连续冷却的 再结晶行为，这必然会对实际热连轧生产过程中动态再结晶数学模拟的精确度造成很大的 影响，从而引起了较大的误差； ( 4 ) 迄今为止，尚未得到比较通用的适合各种不同钢种成分的动态再结晶数学模型， 因此还需要努力通过大量实验来作进一步深入研究： ( 5 ) 目前，奥氏体动态再结晶数学模型的计算和预报精度达到了一定的水平，但还有 待进一步提高等。 综上所述，目前对动态再结晶的研究依然存在着一定的不足，针对上述第四点问题， 在为某钢铁公司二热轧开发c - m n 钢组织和性能预报软件工作中，选取典型产品q 2 3 5 进行 动态再结晶研究，为预报软件的开发提供精度较高的动态再结晶模型，为提高组织和性能 预报软件的精度提供基础。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 1 4 本文主要研究内容和技术路线 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) q 2 3 5 b 单道次压缩热模拟试验； ( 2 ) q 2 3 5 b 变形流动应力模型的建立，并分析比较预报结果的精度： ( 3 ) q 2 3 5 b z e n e r - h o l l o m o n 参数方程的建立，变形激活能翰值的确定； ( 4 ) q 2 3 5 b 动态再结晶动力学模型的建立，利用实验数据回归得到实验钢种的动态再 结晶模型； ( 5 ) 结合计算得到的实验结果，分析不同变形工艺参数对试验钢种流动应力以及动态 再结晶行为的影响。 本课题的技术路线主要是以某公司热连轧厂生产的q 2 3 5 b 为研究对象，在实验室通过 g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟试验机对试样进行单道次热模拟压缩试验，测定实验钢种的应力应变 数据，分析和研究变形过程中试样的流动应力变化规律，以及q 2 3 5 b 在不同变形条件下的 动态再结晶行为，并且建立相应的流动应力模型和动态再结晶模型，并利用这些模型来计 算和预报实验钢种的流动应力和动态再结晶体积分数，为该厂组织和性能预报软件的开发 提供基础模型。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 回复与再结晶 第二章再结晶概述 为了更深入地了解再结晶的变化过程及意义，掌握再结晶行为的软化规律，则需要对 再结晶的基本概念进行阐述，并且将它与回复做一简单的比较和区分。 回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在显微组织发生改变前( 也就是在再结晶晶粒 形成前) 所产生的某些亚结构和性能的变化过程。冷变形后的金属加热到一定温度之后， 在原来的变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完 全软化状态，这个过程称之为再结晶【5 8 】。因此回复是金属组织和性能演变的早期阶段，是 在再结晶之前发生的一个过程。再结晶过程中新晶粒的形核和长大过程见图2 1 所示，其 中阴影部分表示塑性变形基体，白色部分表示无畸变的新晶粒。从图中可以发现，再结晶 晶粒大小并不一定相同，因此再结晶并不是一个简单的仅仅恢复到变形前组织的过程。基 于这一点，我们可以通过研究和掌握再结晶行为的软化规律，引导组织向有利的方向发展， 从而改善材料最终的综合力学性能。 e ： f 图2 1 再结晶过程示意图 金属热加工或热变形是指金属材料在再结晶温度以上的加工变形。在会属热塑性变形 过程中，其流变应力有两种变化趋势：加工硬化和组织软化。钢的塑性变形通过位错的运 动来完成，随着变形的进行，位错密度增大，从而引起加工硬化。钢在热变形过程中，主 要包括两种组织软化机n - 动态回复和动态再结晶。 ( 1 ) 动态回复 动态回复主要发生在层错能高的金属材料的热变形过程中。层错能越高，扩展位错宽 度越小，越易束集不全位错，因此容易产生刃形位错的攀移及螺形位错的交滑移，从而使 异号位错相遇而抵消。如铝、铝合金和纯铁等高层错能金属热变形时，主要的软化机制就 是动态回复。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 金属热变形过程中的动态回复过程主要包括：点缺陷的消失、位错结构的重排、多边 形化、亚晶的形成以及储存能的释放等，其中位错结构的重排重点表现为刃形位错的攀移 和螺形位错的交滑移。 动态回复不需要孕育期，这是动态回复与动态再结晶的本质区别之一。因为动态回复 过程并不需要大角度晶界的迁移，因此变形量很小的时候就会出现动态回复现象。 动态回复是发生动态再结晶的一个必不可少的阶段。在既发生动态回复又发生动态再 结晶的低层错能金属材料中，如奥氏体钢，铜及其合金等，动态回复引起缠绕的位错重排， 使胞状组织多边形化和亚晶规整化，进而产生大角度晶界，最终成为再结晶核心【5 9 1 。 ( 2 ) 动态再结晶 动态再结晶( d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ) 是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。动 态再结晶与热变形各道次间隙之间以及变形结束后加热和冷却时所发生的静态再结晶相 比，它的特点是：动态再结晶需要在较高的变形温度下并且达到临界应变才能发生；动态 再结晶容易在晶界及亚晶界处形核，这点与静态再结晶相似；动态再结晶向静态再结晶转 变过程不需要孕育期；完成动态再结晶所需的时间随变形温度的升高而缩短。 动态再结晶发生在热变形过程中，主要包括形核和长大两个基本过程。它与静态再结 晶的区别是：动态再结晶形核和长大的过程伴随着变形。新的再结晶晶粒一形成就又发生 了变形，于是富集了新的位错，导致了加工硬化，之后又开始了新的软化过程。动态再结 晶的发生可使更多的位错消失，因此材料的变形应力很快下降。总之，动态再结晶是一个 非常复杂的过程，对它的研究还有待完善。 2 2 奥氏体再结晶 2 2 1 动态再结晶发生的机理 随着变形量不断增加，金属内部畸变能不断升高，达到一定程度后，在奥氏体内部发 生的一种转变，就是动态再结晶。即在热加工或热变形过程中，在变形奥氏体内部不断形 成再结晶核心并继续长大。 2 2 2 影响奥氏体再结晶的因素 再结晶主要包括三个部分：动态再结晶、亚动态再结晶以及静态再结晶。研究者很早 就通过大量的实验研究，对奥氏体再结晶过程的影响因素做了定性分析，并且得到了再结 晶的基本规律【删： ( 1 ) 必须达到临界应变才能发生再结晶； ( 2 ) 发生再结晶的温度随变形量的增加而越低； ( 3 ) 保温时间延长，再结晶温度降低； ( 4 ) 变形量是再结晶完成时晶粒尺寸的主要影响因素。变形量越大，晶粒越细小；低 的保温温度，也在一定程度上细化了晶粒尺寸； 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 原始晶粒尺寸越细小，越容易发生再结晶。也就是说，为了在同样的再结晶温度 下和相同的时间内完成再结晶，所需的压下量越大； ( 6 ) 要获得相同的再结晶行为就应该获得相同的形变储存能，变形温度越高，则所需 的加工变形量越大； ( 7 ) 再结晶是通过大角度晶界迁移而实现的过程。 从以上的再结晶基本经验规律可以看出，再结晶的影响因素主要包括：变形量、变形 温度、变形时间、保温时间、原始晶粒尺寸以及压下量等。 2 2 3 动态再结晶的研究意义 热轧过程最重要的物理冶金现象之一就是带钢热连轧过程中的再结晶行为。再结晶行 为主要包括：热变形过程中的动态再结晶及变形后的静态( 亚动态) 再结晶。它们是影响流 动应力大小变化和应变诱导碳氮化物析出行为的重要因素，而且构成了组织性能预报研究 的重要组成部分阱】。 动态再结晶是金属材料在热变形过程中很重要的微观组织演变过程，它直接影响到奥 氏体的显微组织形貌，也是决定最终金属内部晶粒尺寸分布的关键因素之一，因此在很大 程度上决定了材料的最终微观组织和综合力学性能。 动态再结晶的发生还对材料的内部质量，材料的力学性能和工艺性能有很大影响。在 高温热变形过程中，随着动态再结晶的进行，材料内部组织不停的发生再结晶，产生的新 晶粒连续不断地形核与长大，一方面降低了由加工硬化导致的位错塞积和增殖效应，起到 了了软化的作用；另一方面还可以达到细化晶粒的效果，从而改善了材料的综合力学性能。 因此，在实际的带钢热连轧生产过程中，为了使材料动态软化和细化晶粒，所采取的主要 手段就是动态再结引2 5 1 。其中应用的就是上述原理，从而在动态再结晶完成后得到细小均 匀的显微组织，优化了材料最终的综合力学性能。而变形温度、变形程度以及变形速率等 热加工工艺参数构成了动态再结晶过程的决定因素【6 m 3 1 。因此，为了得到均匀细小的晶粒， 改善产品最终的微观组织和综合力学性能，关键的一个环节就是制定合理的热加工工艺参 数，对于实际生产具有重要的指导意义。 综上所述，掌握热变形过程中动态再结晶行为规律以及其材料相应的显微组织演变规 律，为实际工业生产中优化轧制工艺从而得到理想的组织和性能提供了重要的理论依据。 因此，近年来动态再结晶的模拟预报研究已经发展成为国内外学者研究工作的重点之一。 2 3 热变形中动态再结晶行为的研究方法 2 3 1 热变形中的动态再结晶的各个阶段 热塑性加工变形过程是一个矛盾统一的过程，既包括加工硬化过程，又包括回复、再 结晶软化过程。若金属在冷加工条件下( 即在常温附近变形) ，钢的变形抗力随着变形量 的增加而增大。从微观角度分析，变形量增加，则位错密度增大，引起加工硬化。但由位 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 错的重新组合排列以及异号位错的合并引起的软化部分很少，因此流动应力不断增大。在 高温奥氏体区加工热变形的钢，随着变形量的增大，在奥氏体内部同时进行着加工硬化和 动态软化过程，而材料的热变形流动应力的变化规律就取决于这两个过程的平衡状况。奥 氏体热加工变形时的流动应力曲线见图2 2 所示。 阀 趔 c p 应变s 图2 2 奥氏体热加工变形真应力真应变曲线 图2 2 中奥氏体热加工变形真应力一真应变曲线主要分为三个阶段1 6 4 , 6 5 ： 第一阶段：加工硬化和动态回复阶段。当热加工变形量很小时，变形抗力随着变形量掣 的增加而增大，一直增至峰值为止。在这个阶段，一方面由