不同应变速率下碳对钢热变形行为的影响

1、不同应变速率下C对V微合金钢的热变形行为的影响规律通讯作者：刘国权教授，博导。中国金属学会低合金钢分会理事。电邮：g.liu的影响规律通讯作者：刘国权教授，博导。中国金属学会低合金钢分会理事。电邮：g.liu本工作获得国家自然科学基金项目支持（项目号51071019）；VANITEC（钒国际技术委员会）和四川川威钢铁公司部分资助了本研究工作。中国金属学会、钢铁研究总院钒氮微合金刘国权1赵海涛1魏海莲1康人木1,2吴晋彬1,3许磊1,4王承阳1,5（1.北京科技大学材料科学与工程学院/新金属材料国家重点实验室,北京100083；2.四川省川威集团有限公司,成都610100；3.首钢发展研究院，北

2、京100088；4.河北钢铁技术研究院，石家庄050000；5.安泰科技股份有限公司，北京100081）摘要实验研究了C含量不同的2种钒微合金钢（LC:C0.05%,V:0.08%;MC:C0.33%,V0.1%）的热变形及显微组织演变行为，并从应力-应变曲线、热变形微观机制、显微组织演变、动态再结晶动力学、加工图形态等诸方面系统性地研究了不同应变速率下V微合金钢中C对V微合金钢的热变形行为的影响规律以及其与微观机制之间的关系，并从热变形微观机制的角度解释了C影响规律中的应变速率敏感效应出现的原因。关键词热变形微观机制；动态再结晶；加工图；应变速率敏感性；碳含量；微合金钢引言正确了解材料在热变

3、形过程中的组织演变规律对微合金钢的科学设计及显微组织控制非常必要。国内外对材料热变形参数（应变量、应变速率以及温度）对钢的热变形行为的影响进行了大量研究，但至今对V微合金钢热变形速率控制机制的研究，尤其是化学成分与变形速率的共同作用下的热变形速率控制机制研究很少1-6。鉴于此，本论文实验研究了C含量不同的2种V微合金钢的热变形行为，比较研究了C含量和应变速率对热变形行为的综合影响规律，尤其是对热变形微观机制的影响规律。进而，对C及应变速率与动态再结晶动力学之间的相互关系给予了微观机制上的解释。钢研究中心以不同方式对此项研究工作给予了支持帮助。1材料与研究方法实验材料为C含量不同的2种V微合金钢

4、，其化学成分如表1所示。为方便起见，用LC来代表C含量为0.05wt%的低碳V微合金钢，用MC来代表C含量为0.33wt%的中碳V微合金钢。2种实验钢的制备过程如下：真空高频感应炉冶炼成40kg的铸锭，然后将铸锭加热到1200°C保温90min后始锻，870°C终锻成13mm厚的薄板。薄板经机加工成8X20mm勺圆柱试样。表1两种试验钢的化学成分(wt%)SteelCSiMnVN(ppm)TiSPLC0.050.301.500.080150w0.01w0.01MC0.330.401.500.0991400.016w0.01W0.01采用Gleeble-1500热/力模拟试验

5、机，通过等温恒应变速率热压缩试验获得LC钢和MC钢在9001100C温度范围和0.0130s-1应变速率范围内的真应力-真应变曲线。具体热变形工艺参数为：(1)变形温度(C):900、950、1000、1050;变形速率(s-1):0.01、0.1、1、10、30;(3)最大工程应变量：70%;(4)冷却制度：水淬，冷速大于30C/s。2、实验结果与分析2.1不同应变速率下C含量对热变形应力-应变曲线的影响规律图1示出相同变形条件下C含量的增加对流变应力曲线的实验影响规律。结果表明，钢中C含量的增加在较低应变速率下(0.011s1)引起流变应力的降低，在较高的应变速率下(1030s-1)则会导

6、致流变应力的升高。即：C对V微合金钢的应力-应变曲线的影响具有应变速率敏感效应。实验钢在低应变速率下变形时C具有软化的作用，而在高应变速率下变形时具有硬化的作用。2.2不同应变速率范围内热变形微观机制对C含量的敏感性热变形激活能对于了解实验材料的热变形行为，研究热变形微观机制具有重要意义。在Arrhenius理论中，激活能代表了在某些微观机制中需要被跨越的障碍的能量，也就是说激活能说明了热变形过程中原子重新排列的困难程度。通过对热变形激活能值(Qhw)的分析,发现MC钢在低应变速率区(0.011s-1)的热变形激活能为287.4kJ/mol，非常接近奥氏体的晶格自扩散激活能(270.0kJ/m

7、ol)，据此判断此时热变形微观机制为位错攀移。MC钢在高应变速率区(1030s-1)计算得到的激活能则高达500.6kJ/mol,远远高于奥氏体的晶格自扩散激活能。这有可能是由于该区域内热变形微观机制过于复杂引起的。因此采用了针对复杂变形机制提出的Sch2k模型和Kocks-Argon-Ashby模型来重新分析高应变速率范围的实验数据7，结果表明在高应变速率下MC钢的热变形微观机制为位错的交滑移。LC钢在整个应变速率范围内求解得到的热变形激活能为305.9kJ/mol,也接近于奥氏体的晶格自扩散激活能(270.0kJ/mol)，表明其热变形微观机制以位错攀移为主。上述分析结果说明，在V微合金钢

8、中C含量增高在高应变速率下使热变形微观机制由位错的攀移转变为交滑移，这种微观机制的变化很可能就是C对V微合金钢热变形行为影响具有应变速率敏感效应的原因，而且这种变化也解释了C含量增加对应力-应变曲线影响的应变速率敏感效应：在低应变速率下LC钢和MC钢的热变形微观机制都是位错的攀移，而C含量的增加促进位错的攀移，从而C具有软化的作用；而在高应变速率下MC钢的热变形微观机制发生了变化，LC钢的热变形微观机制保持不变，从而C产生了和低应变速率时不同的影响，但是为何产生了硬化作用仍需进一步研究。1.3.10.00.4O.fi1.D12Tniesjinin0.00i3(Mo.fio®IDThr

9、j却min£3二二W善品孕.I_IDU(J4MM心lbTruesliYiin图1LC钢和MC钢在1000°时不同应变速率下的流变应力曲线比较(a)应变速率为0.01s-1,0.1s-1;(b)1.0s-1,10.0s-1；(c)30s-12.3不同应变速率范围内变形时动态再结晶组织演变规律随C含量发生的变化通过分析LC钢热变形后淬火的显微组织发现，LC钢在较低应变速率(0.01,0.1f)下，热变形后发生了完全动态再结晶，形成了细小的等轴晶粒，如图2(a)、(b)所示；而在较高应变速率(10s'1)下，显微组织中出现了部分动态再结晶的项链组织，如图2(c)所示，这表

10、明LC钢在高、低应变速率范围内的动态再结晶过程都是以包括形核、长大两个过程的不连续动态再结晶机制进行的。通过分析MC钢热变形后淬火的显微组织发现，MC钢在较低应变速率(1s-1)下，显微组织中既存在细小的动态再结晶晶粒，又存在饼状的未再结晶晶粒，如图3(a)所示，属于典型的部分动态再结晶组织，这说明MC钢在该变形条件下的动态再结晶机制为不连续动态再结晶，按照应变速率对不连续动态再结晶组织演变的影响规律可以预测MC钢在更高的应变速率下变形也应该得到部分动态再结晶组织。然而，从图3(b)、(c)中可以看到MC钢在应变速率为1030s-1的条件下反而出现了完全动态再结晶组织，这表明MC钢在高应变速率

11、下(1030s-1)动态再结晶过程以一种新的机制进行，但尚需进一步研究。在高应变速率范围内动态再结晶机制发生的这种变化有可能是由于C含量的增高在高应变速率下使热变形微观机制发生变化造成的。图2LC钢在950C的变形温度变形时的显微组织(a)0.01s-1;(b)0.1s-1;(c)10s图3MC钢在900C变形时的显微组织(a)1s-1;(b)10s-1;(c)30s2.4MC!冈的加工图中在高应变速率范围内出现了新的动态再结晶峰区加工图是基于动态材料模型(DMM)提出的用于优化材料热变形过程工艺参数(温度、应变速率、变形量等)的一种分析方法8,9。通过建立和比较LC钢和MC钢的加工图发现，M

12、C钢的加工图中存在对应于动态再结晶的两个功率耗散效率n的峰区，其中高应变速率区的峰区(900C，10s-1)极可能对应于热变形微观机制为位错交滑移的区域(1030s1),而低应变速率区域(1000C,0.01s-1）的峰区则极可能对应于热变形微观机制为位错攀移的区域（0.011s-1）。而LC钢的加工图只在低应变速率区存在动态再结晶n值峰区，即分别为以950C,0.01s-1和1100C,0.01s-1为中心的峰区，对应LC钢在整个应变速率范围内具有相同的热变形微观机制,有相同的热变形微观机制,即位错攀移。加工图中的n值峰区分布和热变形微观机制的这种联系有可能表明,由于不同的微观机制有可能引起

13、不同的显微组织演变机制，使得功率耗散效率n具有不同的变化规律，从而在加工图中形成了不同的再结晶峰区分布。eana祐*22WEI*1.5'1_H11II111.51.L1'iVniinunr事诂h40.5_弋*0.5.1171.令右*、0_舟寺*0.ft-0.5-0.5.1*炉斗-1-1.5-1.-1.5M-.i9s$J*-*B*31即-2-亠is*中ar-2.10.5.0.-0.5.-1.-1.5-2.temperature/100Ctemperature/100Ctemperature/100Cstrain=0.3strain=0.47.588.599.51010.5117.

14、588.599.51010.5117.588.599.51010.5111.5(a)血血=°.2图4MC实验钢不同应变量下的加工图。示出功率耗散效率n等值线。-1.52<n*r_1jfI<-<i*11、许$9(a)strain=0.2Temperature/100,C39"59.49.69.81010'210'410'610*81Temperature/100,C(b)strain=0.3IKlanlarLSIP-2'9'29F9.69.81010.210.410.610.81-1.5(c)strain=0.4Tem

15、perature/100,C图5LC实验钢不同应变量下的加工图。示出功率耗散效率n等值线。2.5钢中的C对奥氏体动态再结晶动力学的影响规律研究结果表明，由较低应变速率改变到较高应变速率范围进行热变形，LC实验钢与MC实验钢的动态再结晶动力学曲线的相对位置左右对调（图6），表明V微合金钢中的含C量变化导致动态再结晶动力学产生了应变速率敏感性（具体研究方法与更详细的研究结果见本研究组的已发表论文，例如2,11,12）0利用本文对热变形微观机制的研究结果，则可以对此类实验现象，尤其是较高应变速率下的实验现象，给出更明晰的进一步解释图6两种实验钢在1050C下的动态再结晶动力学曲线对比，（a）0.1s

16、-1;（b）10s-1V微合金钢中的含C量变化导致动态再结晶动力学出现应变速率敏感性现象的原因，可能是由于C含量的增加导致Fe的晶格扩张，降低了YFe的自扩散激活能,通过促进Fe原子的自扩散而促进了在较低应变速率下动态回复与动态再结晶过程；而在较高应变速率下，MC钢在高应变速率下热变形微观机制改变为交滑移，又由于在较高应变速率下Fe原子扩散时间受限，钢中C的影响将以对交滑移的影响为主导。由于钢中的C对堆垛层错的影响导致交滑移临界应力和流变应力变大4，降低了MC钢的动态再结晶速率，从而最终导致MC钢的动态再结晶动力学曲线由位于LC钢的动态再结晶动力学曲线的左侧移动至右侧（图6）。换言之，出现此类

17、现象的根本原因极可能是MC钢的动态热变形微观机制随应变速率的变化发生了变化，而在本实验的应变速率范围内LC钢的热变形微观机制则并未发生变化。3、结论C对V微合金钢的应力-应变曲线的影响具有应变速率敏感效应。实验钢在低应变速率下变形时C具有软化作用，而在高应变速率下变形时具有硬化作用。3.1 MC钢在高应变速率下的热变形微观机制以交滑移为主。而MC钢在低应变速率下，以及LC钢在所有实验应变速率范围内，微观机制则以位错攀移为主。3.2 950C或900C热变形研究结果表明：在较低应变速率下热变形，LC钢发生了完全动态再结晶，而在较高应变速率下，LC钢中出现了部分动态再结晶的项链状组织。与此相反，在

18、较低应变速率下热变形，MC钢获得典型的部分动态再结晶组织；在较高应变速率下反而出现了完全动态再结晶组织。3.4由较低应变速率改变到较高应变速率范围进行热变形，LC实验钢与MC实验钢的动态再结晶动力学曲线的相对位置左右对调。出现此类现象的根本原因极可能是MC钢的动态热变形微观机制随应变速率的变化发生了改变。参考文献1 JWray.EffectofCarbonContentonthePlasticFlowofPlainCarbonSteelsatElevatedTemperatures.Metall.Trans.A,1982,13A:125-134.2 SFMedina,CAHernandez.G

19、eneralExpressionoftheZener-HollomonParameterasaFunctionoftheChemicalCompositionofLowAlloyandMicroalloyedSteels.ActaMater.1996,44(1):137-148.3 JJaipal,CHJDavis,BPWynne,etal.EffectofCarbonContentontheHotFlowStressandDynamicRecrystallizationBehaviourofPlainCarbonSteels.In:ProceedingsoftheInternationalC

20、onferenceonThermo-MechanicalProcessingofSteelsandOtherMaterials,Wollongong,7-1July,1997.p.539.4 SSerajzadeh,AKTaheri.AnInvestigationintotheEffectofCarbonontheKineticsofDynamicRestorationandFlowBehaviorofCarbonSteels.MechanicsofMaterials.2003,35:653-660.5 CMBae,AMElwazri,LLee,etal.DynamicRecrystallizationBehaviorinHypereutectoidSteelswithDifferentCarbonContent.ISIJInternational,2007.47(11):1633-637.6 LiuGuoquan,Zh