Q550高強度低碳微合金鋼熱變形行為研究

(安陽鋼鐵集團有限責任公司 冷軋指揮部，河南 安陽 455004)

一 研究現狀

目前，我國在Q550的“控制冷卻、控制軋制”這項工藝生產的領域研究實踐中積累了有關于組織生產軋制，以及獲取了各項工藝參數數據。重鋼股份公鋼研究所的陳文滿、李利、肖亞等分析了研制CGQ550D 鋼板的工藝和技術難點，研制出了采用低碳貝氏體鋼成分設計，利用控軋控冷配合熱處理技術來生產550MPa級別的工藝;太鋼集團臨汾鋼鐵有限公司的段雙霞運用了金相檢驗、金相顯微硬度、力學性能測試等手段研究了Q550D 鋼板延伸率不合格的原因并得出Q550D 鋼中由于成分偏析而引起帶狀組織、MnS 鋼中硫化物夾雜多級別高還有內部疏松缺陷是鋼板軋制后延伸率不合格的主要原因，提出可以用熱處理技術來解決;呂斌、宋波通過對Q550 成分設計、生產以及軋制情況進行分析，找出了合理成分組成，提出在冶煉工序中利用不銹半鋼增加鎳、鉻的含量以滿足鋼板成分需要的途徑;楊道和針對Q550D 在焊接過程中出現的常見問題提出了相應的解決辦法;林鵬、嚴慧成等研究了Q550D 在不同裝爐溫度下的組織演變過程，并探討了加熱制度，最終得到了在不同加熱制度下淬火之后的金相組織得出Q550D 鋼理想的熱裝區間是共析線溫度下的低溫區;蔣慶磊、李亞江等在不預熱條件下采用不同合金成分焊絲焊接Q550鋼，研究了焊絲中的合金對焊縫組織、接頭抗拉強度及沖擊韌性的影響;馮路路采用中碳高Mn的微合金化設計，采用TMCP工藝在兩階段軋制并加速冷卻最終生產出了符合性能要求的Q550 鋼板;董現春、張熹等采用斜Y 裂紋敏感性實驗、焊接熱影響區最高硬度試驗研究了Q550D 鋼板的冷裂紋敏感性;張武斌研究了軋制和冷卻工藝對550MPa 汽車鋼板組織性能的影響，分別試驗和調整了加熱溫度、終軋溫度、軋制壓下率等軋制工藝參數和卷取溫度、卷取模式等冷卻工藝參數對550MPa級別汽車鋼板組織金額性能的影響。

二 熱變形理論基礎

熱變形是金屬變形的一種，金屬在再結晶溫度以上發生的塑性變形。為了更加深入地研究Q550高強度低碳微合金的熱變形特征，本文會對對熱變形過程中產生的動態軟化行為和會出現的流變應力的曲線特征進行分析。

1.流變應力曲線特征分析

由于合金變形條件的不同，熱變形過程中的流變應力曲線會出現如下不同的幾種類型

(1)只發生加工硬化

(2)只發生加工硬化與動態回復

(3)發生連續動態再結晶

(4)發生不連續動態再結晶

在熱變形過程中，由于材料各部分受力不均勻，使不同部位的再結晶過程進行的先后不同，因此產生了連續的動態再結晶和不連續的動態再結晶兩種情況，現就以上兩種情況進一步討論如下:

連續動態再結晶:εD是奧氏體發生動態再結晶的臨界變形量，要想使奧氏體全部發生再結晶就需要繼續變形。如果由動態再結晶產生核心到奧氏體全部完成動態再結晶所需要的變形量為εr，則εr可能大于εD，也可能小于εD，見圖2-3[3]。

當εD＜εr(如圖2，b)時會發生連續動態再結晶。動態再結晶核心發生后，將會隨著變形的繼續，使動態再結晶繼續發展，或者動態再結晶后的晶粒又承受變形，從而出現這兩個過程同時進行著。由于εD＜εr，在奧氏體晶粒整個進行完再結晶之前，部分晶粒在完成動態再結晶后又進行變形，而其變形量達到εD，則產生第二輪動態再結晶。以此進行分析比較，即在奧氏體內幾輪的動態再結晶會同時發生。每一輪的動態再結晶又同時處于變形的不同階段，即有剛開始的，又有接近結束的;奧氏體內部各個晶粒的變形量也有不同，有的是零，有的接近εD。其結果反映出一個平均不變的應力值。在這種情況下奧氏體是連續不斷地進行動態再結晶。

間斷動態再結晶:如圖2，a所示，εD＞εr時，由于εr較小，一旦動態再結晶發生后不需要太大的變形量奧氏體就全部完成動態再結晶。由于εD＞εr，當第一輪再結晶全部完成前，已再結晶的晶粒內新承受的變形量還達不到εD，不能立即發生第二輪的動態再結晶，還必須繼續變形才能達到εD，此時才能發生第二輪動態再結晶。因此，應力-應變曲線上出現波浪形式。這種情況下，動態再結晶是間斷進行的。

圖2 發生動態再結晶的兩種應力-應變曲線

2.熱變形過程的軟化行為

動態再結晶是通過形核與核長大，最終形成無畸變的新晶粒的過程，可以完全消除加工硬化，其形核機制主要有:(a)對于層錯能較高的金屬，變形量較大時主要通過亞晶合并形成大角度晶界，再由于晶界的遷移，掃除了位錯而形成再結晶晶粒核心;(b)對于高層錯能金屬，當變形量較小時，由于相鄰晶粒間位錯密度差較大，迫使晶界移動，晶界掃過的區域，位錯密度得以降低而形成再結晶晶粒核心;(c)對于層錯能較低的金屬，由于位錯密度較高，易于形成位錯胞，同時由于位錯間的位相差較大，胞壁易于轉變為大角度晶粒并且向外遷移，因而形成再結晶核心。

三 物理模擬和數值模擬

在金屬材料學的研究中，為了加強評價工藝方案而對整個金屬材料性能可能導致產品質量的影響，將現代數值模擬技術和物理模擬技術相結合起來，這會很大改善金屬材料加工工藝提高優化手段。本文也正是使用這兩種方法來研究來Q550的高溫變形特征。

1.物理模擬技術在材料加工變形研究中的應用

物理模擬技術是將工業生產實際出現的過程再現在試驗設備上，物理模擬技術是非常重要的科學分析方法。物理模擬技術則通常指利用生產中的小試樣，借助試驗設備將金屬材料在軋制或加工過程中受到的各種情況例如受力、受熱出現的變化，暴露揭示金屬材料構件在加工過程中出現的變化規律，來預測金屬材料制造或者在生產加工中可能會導致的各種問題，來制定合理的金屬材料加工工藝及為各種新材料的研制提供理論指導和技術依據。

2.數值模擬技術在材料加工變形研究中的應用

數值模擬則是利用合適的數值分析方法，以數值的形式再現實際加工過程，將出現在物理模擬中各種實驗數值、實驗結果相結合。隨著計算機技術的飛速發展以及數學算法上的改進，三維模擬技術已經越來越成熟，并且開始在工業界得到廣泛的推廣和應用。

四 動態再結晶

再結晶組織的演變:形變過程中隨應變量增大微觀組織發生變化的過程為:變形初期的加工硬化→部分再結晶階段→全部再結晶階段

動態再結晶的發生要有溫度補償因子Z 和變形量(之間的關系來局等。動態再結晶是一個混晶組織，其平均晶粒尺寸D 只由加工條件Z 來決定，Z 和D的關系符合Z =AD-m，Z愈大(即變形溫度低，變形速率大)則D 愈小。并且與初始晶粒的尺寸D0無關。

從生產上控制奧氏體晶粒度的角度來說，奧氏體動態再結晶的晶粒大小僅由Z 參數來控制，Z值有變形溫度和變形速度確定。

五 研究結果

1.在熱力模擬試驗機上將金屬材料進行高溫等溫壓縮試驗，從而獲得了Q550 低碳合微合金鋼的流變應力曲線，探明其在高溫等壓縮變形條件下出現的變化規律。

2.分析流變應力與熱變形條件之間的關系，以及變形過程中的加工硬化、回復和再結晶行為等，得出了試驗鋼的形變激活能Q，并建立了試驗鋼的熱加工方程和流變應力數學模型，從而為高強結構鋼組織生產加工和對其性能控制，軋制設備選型、生產軋制工藝制定提供了理論依據和實驗基礎。

[1]梁益龍，向嵩，梁宇，譚起兵編.熱處理新技術講義.貴州:貴州大學材料科學與工程學院，2011

[2]伍玉嬌主編.金屬材料學.北京:北京大學出版社，2011.8

[3]張曉燕主編.材料科學基礎.北京:大學出版社，2009.8

[4]黃新民，解挺編.材料分析測試方法.北京:國防工業出版社，2011.1 重印

[5]王順興主編.金屬熱處理原理與工藝.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2009.9