釩對低硅含磷系TRIP鋼熱變形行為的影響

侯曉英

（萊蕪鋼鐵集團有限公司技術中心，山東萊蕪 271104）

試驗研究

釩對低硅含磷系TRIP鋼熱變形行為的影響

侯曉英

（萊蕪鋼鐵集團有限公司技術中心，山東萊蕪 271104）

通過分析不同變形溫度及應變速率下低硅含磷系TRIP鋼高溫流變曲線的變化規律，建立了本構關系，并分析了合金元素釩對其影響。結果表明，添加0.19%釩，由于固溶釩原子的拖曳作用，使動態再結晶激活能提高～6%，同時推遲了動態再結晶的發生，使σc/σp和εc/εp值均有所提高。通過回歸得到無釩鋼和含釩鋼的峰值應力和臨界應力、峰值應變和臨界應變與lnZ的關系。

TRIP鋼；熱變形；動態再結晶；釩；磷

1 前言

隨著物理—力學冶金學以及計算機技術的發展，人們通過組織性能預測的方法能夠較精確地計算C-Mn鋼的熱變形行為，并對變形抗力、組織、性能進行較為準確的預測。但對于低硅含磷系相變誘發塑性（TRIP）鋼，尤其是在此基礎上加入合金元素釩，在變形過程中，微合金元素釩在奧氏體中固溶以及在較低溫度析出，其過程的復雜性，導致理論預測結果的誤差增大。因此，通過熱模擬的方法研究其熱變形行為是十分必要的。本研究探討了低硅含磷系TRIP鋼高溫流變曲線的變化規律，建立了本構關系，并分析了合金元素釩對其影響，這為熱軋和冷軋熱處理含磷低硅系TRIP鋼的生產應用提供理論依據。

2 試驗材料和方法

試驗材料的主要化學成分如表1所示。鋼錠首先被鍛造成60 mm×60 mm×800 mm的坯料，然后熱軋成12 mm厚的鋼板，機加工出Φ8 mm×15 mm的圓柱熱模擬試樣。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）%

將試樣以10℃/s的速度加熱到1 200℃，保溫3 min后，以5℃/s的速度冷卻到不同溫度保溫20 s，以消除試樣內的溫度梯度，然后進行壓縮變形。變形溫度范圍為800～1 150℃，應變速率范圍為0.01～5 s-1，應變量為0.8。

3 試驗結果討論

3.1 釩對變形抗力的影響

試驗鋼B在試驗鋼A的基礎上，加入了0.19% V，使其動態再結晶行為發生了明顯的變化，以應變速率0.01和0.1 s-1、變形溫度范圍為800～950℃為例，說明添加釩對其變形抗力的影響，如圖1所示。

圖1 不同應變速率條件下A鋼和B鋼應力—應變曲線

應變速率為0.01 s-1，當變形溫度為800℃，ε≤0.32時，A鋼的流變應力值略高于B鋼，但差值均＜12 MPa；ε＞0.32時，達到穩態之后，B鋼的流變應力值高于A鋼約25 MPa。變形溫度≥850℃時，在整個塑性變形過程中，B鋼的流變應力值要高于A鋼，變形溫度850、900和950℃，達到穩態時，B鋼的流變應力值高于A鋼，分別為≥40、≥25和≥10 MPa。

應變速率為0.1 s-1，當變形溫度為950℃，ε在0.14～0.30時，A鋼的流變應力值略高于B鋼，但相差均＜5 MPa，可認為是試驗誤差造成的；達到穩態之后，B鋼的流變應力高于A鋼約10 MPa。變形溫度850和900℃時，在整個塑性變形過程中，B鋼的流變應力要高于A鋼，分別為≥15和≥20 MPa。

可見，在其他工藝參數相同的條件下，變形速率較低（0.01 s-1）時，隨著變形溫度的升高，A鋼與B鋼之間的流變應力值的差距在逐漸縮小。而隨著應變速率的增加，變形抗力隨著變形溫度的變化，而變得復雜。

變形速率較低（0.01 s-1）時，為實現給定變形量（ε=0.8），所需的變形時間較長，致使釩的碳化物或氮化物全部或部分溶解，其對試驗鋼動態再結晶的阻礙作用明顯減弱，尤其是當變形溫度較高時，這種影響變得更為明顯，使動態再結晶易于發生。因而，隨著變形溫度的提高，A鋼與B鋼之間的流變應力值的差距在逐漸縮小；同時，奧氏體晶內缺陷數量也因有時間進行回復過程，而大量減少。在奧氏體晶界和晶內缺陷數量大量減少，這也使得流變應力值減小，使得A鋼與B鋼之間的流變應力值的差距在逐漸縮小。

隨著變形速率的增大（0.1 s-1），達到給定變形量所需的時間變短，釩的碳化物或氮化物來不及溶解，對動態再結晶的阻礙作用加強，致使試驗鋼的動態再結晶延長；但是，在兩種試驗鋼變形過程中，變形奧氏體晶粒內的位錯和變形帶等缺陷的數量增加。因而動態再結晶相對推遲發生，流變應力值也隨之增加，而且在變形速率較高時這種影響對流變應力值的作用至關重要。所以，當變形速率較高時，B鋼的變形抗力高于A鋼，但相比較變形速率為0.01 s-1時，差值要低。

3.2 高溫熱變形過程的基本方程

鋼在等溫條件下變形，應力—應變曲線由變形溫度、變形速率通過Z參數決定［1-2］，即：

式中：Qd為動態再結晶激活能，J/mol；R為氣體常數，8.31 J/（mol·K）；T為絕對溫度，K。

據文獻［3-4］，Z因子與σp的關系可以表示為：

式中a、b為常數。由式（1）、（2）可得：

對式（3）兩邊取對數：

整理式（4）得：

試驗數據見圖2、圖3。經過回歸得出b、Qd值，從而得到a值。0.19%釩的加入，使試驗鋼的動態再結晶激活能提高了～6%，說明釩的加入對試驗鋼的動態再結晶有推遲作用。微合金元素釩對動態再結晶的推遲作用主要來自于固溶釩原子的拖曳作用。

從而可得到：

圖2 峰值應力與應變速率的關系

圖3 峰值應力與變形溫度的關系

3.3 釩對動態再結晶臨界值的影響

Poliak和Jonas認為高溫熱變形是一個熱力學不可逆過程，考慮了動態再結晶發生的能量和動力學臨界條件，確定臨界應力和應變［5］。根據此方法求得的A鋼和B鋼的臨界應力、臨界應變和峰值應力、峰值應變的大小及比值如圖4、圖5所示。

圖4 A鋼應力應變臨界量與峰值量的關系

圖5 B鋼應力應變臨界量與峰值量的關系

由圖4、圖5可以看出，隨著Z參數的增大，發生動態再結晶所需的臨界應變量和臨界應力值均呈增大的趨勢，峰值應變和峰值應力也隨之增大。結合式（6），當應變速率一定時，隨著變形溫度的升高，Z值降低，則發生動態再結晶所需的臨界應變量降低；當變形溫度一定時，隨著應變速率的減小，Z值減小，則發生動態再結晶所需的臨界應變量降低。換言之，Z值越小，動態再結晶越容易發生。最終得出A鋼的σc/σp和εc/εp分別為0.88和0.545；B鋼的σc/σp和εc/εp分別為0.89和0.553。可見，添加0.19%釩，使σc/σp和εc/εp值均有所提高。

通過回歸，可得到試驗鋼的峰值應力和臨界應力、峰值應變和臨界應變與lnZ的關系為：

4 結論

4.1 無釩鋼的動態再結晶激活能為304.3 kJ/mol，含釩鋼為322.7 kJ/mol。添加0.19%釩，由于固溶釩原子的拖曳作用，使試驗鋼的動態再結晶激活能提高～6%，同時推遲了動態再結晶的發生。

4.2 建立了低硅含磷系TRIP鋼的本構關系，通過回歸得到無釩鋼和含釩鋼的峰值應力和臨界應力、峰值應變和臨界應變與lnZ的關系。添加0.19%釩，使σc/σp和εc/εp值均有所提高。

［1］Sellers C M,Mcg W J.Hot workability［J］.International Metallurgical Review,1972，17（3）：1-24.

［2］Anan G,Nakajima S,Miyahara M,et al.Model for recovery and recrystallization of hot deformed austenite considering structural heterogeneity［J］.ISIJ International，1992，32（3）：261-266.

［3］Karhausen K,Kopp R.Model for integrated process and microstructure simulation in hot forming［J］.Steel Research，1992，63（6）：247-251.

［4］魏立群，祁捷.B72LX鋼的動態再結晶數學模型［J］.鋼鐵研究學報，2006，18（9）：44-46.

［5］Pietrzyk M,Roucoules C,Hodgson P D.Modelling the thermomechanical and microstructural evolution during rolling of a Nb HSLA steel［J］.ISIJ Int.,1995，35（5）：531-541.

Effect of Vanadiumon Hot Deformation Behavior of Low Silicon Containing PhosphorusTRIP Steel

HOU Xiaoying
（The Technology Center of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

The variation law of high-temperature flow curves under different deformation temperature and strain rate for a low-silicon TRIP steel containing phosphorus was analyzed.The constitutive equations were established and the effect of vanadium was studied. The results showed that adding 0.19%V,the deformation activation energy was increased by max 6%because of the drag effect of V in solid solution;the dynamic recrystallization was retarded and the ratios of εc/εpand σc/σpwere all increased.The equation of describing the Zener-Hollomn formula for tested steel was derived.Linear equations between σc,σp,εc,εpand lnZ were established through regression analysis,respectively.

TRIP steel;hot deformation;dynamic recrystallization;vanadium;phosphorus

TG115.2

：A

：1004-4620（2014）01-0025-03

2013-11-18

侯曉英，女，1982年生，2012年畢業于東北大學材料成型與控制工程專業，博士。現為萊鋼技術中心工程師，從事新產品開發工作。