Fe-C-Si-Mn-V鋼的顯微組織及熱變形行為研究

劉成寶，許寶玉，朱京軍，易紅亮

（萊蕪鋼鐵集團有限公司 技術研發中心，山東 萊蕪 271104）

1 前言

隨著低成本、節能、輕量化的發展要求，低合金高強度鋼的研究日益受到重視。在鋼中添加釩元素進行微合金化，實現細晶強化和沉淀強化，提高鋼材的強度［1］，并且主要通過熱機械控制軋制（TMCP）［2］控制晶粒尺寸和碳氮化釩的析出。TMCP主要依靠附加超快冷或在線熱處理等設備實現。對于型鋼等產品，受制于產品規格、形狀及設備等原因，很難實現均勻的TMCP。因此，開發無須TMCP工藝、常規空冷過程就能夠晶粒細化和沉淀強化的鋼具有一定的意義。另外，通常在鋼中加入的釩元素質量分數＜0.1%，而且多是針對低碳含量鋼進行微合金化［3］，對碳含量和微合金化元素較高的研究較少。本研究分析質量分數為0.26%C、0.3%V的Fe-C-Si-Mn-V鋼，研究其組織與性能，以期為適合常規空冷工藝的含釩鋼的研發提供一定參考。

2 試驗方法

試驗鋼采用真空感應爐熔煉，澆注成30kg鋼錠。試驗鋼的化學成分（質量分數）：0.26%C、0.8%Si、1.2%Mn、0.3%V、0.03%Al、0.06%Ti，其余為Fe和雜質。鋼錠在1200℃加熱后，經空氣錘鍛造成若干根100mm×60mm的鍛件。鍛件在1200℃加熱2 h后，在Φ450mm的軋機上軋制，開軋溫度1100℃，終軋溫度900℃，軋制7道次成10mm厚的板材，隨后在空氣中冷卻。鋼板取樣后，在WDW-300E微機控制電子式萬能試驗機上按照GB/T 228—2010標準進行拉伸性能測試。利用SUPRATM55熱場發射掃描電子顯微鏡和光學電鏡對微觀組織進行觀察。

壓縮試驗在Gleeble-1500試驗機上進行，熱模擬試樣為Φ8mm×12mm的圓柱體。試驗時，試樣以20℃/s快速升溫到1250℃，保溫30 s，以10℃/s冷速冷卻到變形溫度，保溫2min進行變形，以一定的變形速率進行壓縮，變形量為80%。采用了4個變形溫度，分別為1050、1000、950和900 ℃，采用的3個變形速率為0.1、1和10 s-1。試樣變形后立即噴水冷卻，以保留原有高溫變形組織。

3 試驗結果及分析

3.1 顯微組織及拉伸性能

試驗鋼的顯微組織如圖1所示，主要為鐵素體+珠光體，含有少量的馬氏體。其中珠光體組織的含量約為25%。在微合金化鋼軋制后的冷卻過程中，釩元素超過其固溶度，以碳化物的形式析出［4］，但由于試驗鋼中碳含量和釩含量較高，碳化物尺寸較大。圖2顯示鋼中存在著尺寸約為0.3μm的碳化物，部分碳化物分布在晶界處。試驗鋼的拉伸性能為：屈服強度823MPa，抗拉強度1011MPa，伸長率為8.5%。從圖3a中的拉伸斷口形貌可以看出，試樣斷裂的方式為解理斷裂。碳化物與基體的界面在拉伸過程中容易開裂，從圖3b斷口的進一步放大可以看到粗大的碳化物，較為粗大的或者沿晶界分布的碳化物應是伸長率較低的原因。

3.2 單道次壓縮曲線

圖4a、b、c分別是試驗鋼在變形速率為0.1 s-1、1 s-1和10 s-1時的熱壓縮曲線，在變形速率相同時，隨著變形溫度的增加，變形抗力逐漸降低。根據Poliak和Jonas的理論［5］，當應力—應變曲線的加工硬化率為0時，達到了峰值應力（σP），此時的應變為峰值應變（εP），試驗鋼的峰值應變和峰值應力如表1所示。從表1中可以看出，相同溫度時，應變速率增加，材料的變形抗力增加。

圖1 試驗鋼的金相組織

圖2 試驗鋼碳化物掃描電鏡形貌

圖3 試驗鋼試樣拉伸斷口形貌

圖4 試驗鋼不同變形速率的真應力－真應變曲線

表1 不同條件下試驗鋼的峰值應變和峰值應力

3.3 熱模擬分析

金屬的熱變形過程通常用概括變形溫度和應變速率的參數來描述，即Zener-Hollomon參數［6-7］：

同時Z與峰值溫度之間的關系式為：

式（1）和式（2）中：Qd為激活能，J/mol；R為氣體常數，8.314 J/（mol·K）；T為絕對溫度，K；A、n為材料的常數；α值為0.012～0.013MPa-1，取0.012MPa-1。由式（1）和式（2）可以得到：

對于式（3），當溫度一定時，對lnε·求導數，存在如下關系：

在變形溫度相同的條件下，ln sinh（ασP）與lnε之間滿足線形關系（見圖5），其斜率的倒數即為n。900、950、1000和1050 ℃的n值分別為3.9、4.6、5.5和8.0，其平均值為5.5。

對于（3）式，當變形速率一定時，對（1/T）求導數，Qd與（1/T）的關系為：

圖5 ln sinh（ασP）與lnε的關系

其中b為直線斜率。從ln sinh（ασP）和溫度的關系（見圖6）可求出0.1、1和10 s-13個變形速率下的斜率分別為6614、8205和12823，其平均值為9507。當n＝5.5時，代入式（5），可求得變形奧氏體動態再結晶的名義激活能為435 kJ/mol。

圖6 ln sinh（ασP）和溫度的關系

分別計算y=ε·exp(-Qd/RT)和x=Z/A=［sinh(ασP)］n，利用y作縱坐標、x為橫坐標，做出圖7，直線的斜率即為A值，求得A=9.6×1014。將Qd、n、和A代入式（3），可以得到峰值應力、應變速率和變形溫度之間的關系為：

4 結論

4.1 試驗鋼的屈服強度為823MPa，抗拉強度1011MPa，伸長率8.5%。較為粗大的或者沿晶界分布的碳化物應是伸長率較低的原因。

4.2 質量分數為0.26%C、0.3%V的Fe-C-Si-Mn-

圖7 y與x之間的關系

V鋼峰值應力、應變速率和變形溫度間的關系為：

［1］ 瞿小平，劉天模.釩微合金化鋼工藝優化探討［J］.材料導報，2007，21（5A）：479-481.

［2］ Funakawa Y,Shiozaki T,Tomita K,et al.Development of high strength hot-rolled sheet steel consisting of ferrite and nanometer-sized carbides［J］.ISIJInternational,2004,44:1945.

［3］ 曹萌之，付俊巖.中國含釩低、微合金化鋼的開發與前景［J］.鋼鐵釩鈦，2000，21（9）：1-11.

［4］ 斯坦尼什洛·扎維克.含釩鋼的沉淀和晶粒細化［J］.鋼鐵釩鈦，2002，23（1）：35-48.

［5］ Poliak E.I.,Jonas J.J..A one-parameter approach to determining the critical conditions for the initiation ofdynamic recrystallization［J］.Actamater,1996,44（1）:127-136.

［6］ 王健，肖宏，張志國.流變應力逆分析確定靜態再結晶動力學模型［J］.金屬學報，2008，44（7）：837-842.

［7］ 葉健松，徐祖耀.35CrMo鋼動態再結晶的試驗研究與數值模擬［J］.軋鋼，2004，21（5）：23-27.