大型風電法蘭用Q345E鋼動態再結晶行為研究

張秀芝　楊仁杰　李　佳　劉建生

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

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大型風電法蘭用Q345E鋼動態再結晶行為研究

張秀芝楊仁杰李佳劉建生

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

摘要：在不同溫度、不同應變速率條件下進行了熱壓縮試驗，并對各種條件下的應力-應變曲線進行了分析，研究表明當溫度高于1 000℃時材料均發生了不同程度的再結晶。通過對不同變形條件下材料的晶粒尺寸分析，建立了Q345E鋼動態再結晶分數模型、晶粒尺寸模型以及力學模型，為熱加工工藝的制定提供了理論基礎。

關鍵詞：Q345E；風電法蘭；動態再結晶

Q345E鋼具有較高的強度，良好的冷變形能力，較好的塑性與韌性，能抵抗過載能力，廣泛應用于大型風電法蘭的生產及其它行業中。劉海英和王從道等人對Q345E鋼的熱塑性方面進行了研究[1，2]。本課題組前期提出了Q345E鋼的本構方程，并得出了材料的動態再結晶圖[3]。但動態再結晶分數、動態再結晶后晶粒尺寸與工藝參數的關系尚不明確，因此在前期工作的基礎上系統研究了Q345E鋼熱變形過程中的力學模型、再結晶分數模型、晶粒尺寸模型，為后期風電法蘭輾擴過程模擬提供理論依據，并為制定風電法蘭熱加工工藝提供理論基礎。

1實驗材料及方法

所用材料為Q345E鋼，其主要化學成分見表1。試樣尺寸為?8 mm×12 mm的圓柱體。熱變形試驗采用熱壓縮法，實驗設備為Gleeble-1500D熱模擬試驗機。試驗溫度為900℃、950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃。應變速率為0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1。形變量為50%(真應變為0.7)。熱壓縮試驗完成后將試樣沿軸向切開，經拋光、腐蝕后觀察組織，并在ZEISS Imager.A1m金相顯微鏡上測定晶粒的平均尺寸。

表 1　試樣化學成分(質量分數，%)

2實驗結果及分析

2.1不同形變參數下的應力-應變曲線

材料在不同溫度、不同應變速率下壓縮變形的真應力-真應變曲線如圖1所示。從圖1可以看出，溫度、應變速率對材料高溫變形行為有明顯影響。溫度高于1 000℃時，試樣都發生了明顯的動態再結晶。950℃與1 000℃條件下，當應變速率較低時發生再結晶，但在900℃時沒有再結晶發生。

圖 1　不同溫度、不同應變速率下的應力-應變曲線

2.2動態再結晶峰值應變及穩態應變模型的建立

金屬材料發生動態再結晶，峰值應變和穩態應變[4、5]分別可采用以下公式表示：

(1)

(2)

上式中峰值應變和穩態應變通常采用加工硬化率與應變曲線確定。加工硬化率與應變的曲線[6、7]關系如圖2所示。

圖 2　加工硬化率-應變曲線

分別對式(1)與式(2)取自然對數，得到：

(3)

(4)

將式(3)、式(4)對lnZ微分，利用線性擬合可獲得lnεp-lnZ的關系曲線和lnεs-lnZ的關系曲線，如圖3示。通過線性擬合，可求得：n1=0.182，n2=0.202，A1=2.501×10-4，A2=2.508×10-4。

(a) lnεp與lnZ的關系曲線

(b) lnεs與lnZ的關系曲線

同理，將式(3)、式(4)對lnd0微分，利用線性擬合可求得lnεp-lnd0的關系曲線和lnεs-lnd0的關系曲線，如圖4所示。求得m1、m2分別為0.240與0.110。因此峰值應變、穩態應變模型分別為：

(5)

(6)

2.3動態再結晶百分數模型的建立

動態再結晶百分數模型采用Avrami方程[8、9]的普遍形式：

(7)

整理式(7)，得到：

(8)

(a) lnεp與lnd0的關系曲線

(b) lnεs與lnd0的關系曲線

式中，k1、k2為材料常數，εc為材料發生動態再結晶的臨界應變；ε0.5為材料變形過程中發生50%再結晶時的變形量，其表達式為：

(9)

式中，α1、α2、α3為材料常數，Qdyn為動態再結晶激活能。

由于金相測量存在人為誤差，因此本文采用式(10)[10]確定動態再結晶百分數，即當εcεεs時：

(10)

圖 5　熱塑變形真應力-真應變曲線示意圖

圖6　加工硬化率-應力曲線

(11)

將式(8)變形，得到：

(12)

根據文獻[11、12]取α=0.83，依據上述得到的各材料參數，從而得出動態結晶百分數模型：

(13)

2.4動態再結晶晶粒尺寸模型的建立

圖 7　lnε0.5-lnd0的關系曲線

圖 8　lnε0.5-10 000/T的關系曲線

的關系曲線

圖 10　ln[-ln(1-Xd)]與

動態再結晶晶粒尺寸主要取決于變形速率，原始奧氏體晶粒尺寸和變形量對其影響很小，可以忽略。因此動態再結晶晶粒尺寸采用Sellars模型[13]表示為：

(14)

式中，A和n是與金屬材料自身相關的的常數。

對式(14)兩邊取自然對數，得到：

(15)

測量不同變形條件下金相的晶粒尺寸，將其代入式(15)，并進行線性回歸處理，如圖11所示。得到：A為 1.61×104,n為 -0.156 7。則動態再結晶晶粒尺寸模型為：

圖 11　lndDrex與lnZ的關系曲線

(16)

將參數表達式Z代入式(16)，得到完整的動態再結晶晶粒尺寸模型：

(17)

3結論

通過分析、回歸得到材料發生動態再結晶的峰值應變、穩態應變模型、動態再結晶百分數模型和動態再結晶晶粒尺寸模型。

參考文獻

[1]劉海英，駱春民，張龍.Q345E 鋼奧氏體動態再結晶行為研究及數學模型的建立[J].天津冶金，2012(5):14-18.

[2]王從道.Q345E 特厚板動態再結晶行為的研究[J].南鋼科技與管理，2012(2):22-25.

[3]李佳，張秀芝，劉建生. 低合金鋼Q345E高溫熱變形行為及動態再結晶圖[J].鍛壓技術，2013(4):148-151.

[4]John J.Jonas,Xavier Quelennec,Lan Jiang,Etienne Martin. The Avrami kinetics of dynamic recrystallization[J]. Acta materialia,2009,57(9):2748-2756.

[5]Schindler I, Hadasik E.A new modle describing the hot stress-strain curves of HSLA steel at high deformation[J]. Materials Processing Technology,2000,106:131-135.

[6]Poliak E I, Jonas J J. Initiation of Dynamic Recrystallization in Constant Strain Rate Hot Deformation. ISIJ Internationa,2003, 43 (5) :684.

[7]吳瑞恒，朱洪濤，張鴻冰．0.95-18W-4Cr-1V 高速鋼動態再結晶的數學模型．上海交通大學學報，2001，35(3):339-342.

[8]Hodgson P D，Gibbs R K. A mathematical model to predict the mechanical properties of hot rolled C-Mn and microalloyed steels[J ]. ISIJ International，1992，32(12) : 1329-1338.

[9]Manohar P A，Kyuhwan LIM，Rollett A D，et al. Computational exploration of microstructural evolution in a medium C-Mn steel and applications to rod mill[J].ISIJ International，2003，43(9): 1421-1430.

[10]Wahabi M El，Cabrera J M，Prado J M. Hot working of two AISI 304 steels: a comparative study[J]. Mater Sci Eng A，2003，343: 116-125.

[11]Sellers C M. Computer modeling of hot2working processes[J].Materials Science and Technology , 1985 ,1 (4): 325-332.

[12]Sellers C M. Modeling microstructural development during hot rolling[J]. Materials Science and Technology , 1990 ,6 (11): 1072-1081.

[13]Bontcheva N, Petzov G. Microstructure evolution during metal forming processes[J]. Computational Materials Science, 2003,28:563-573.

編輯杜青泉

Research on Dynamic Recrystallization Behavior of

Q345E Steel for Heavy Wind Power Flange

Zhang Xiuzhi, Yang Renjie, Li Jia, Liu Jiansheng

Abstract：The hot compression test has been performed under various conditions of different temperature and different strain rate. Meanwhile, the stress-strain curves under various conditions have been analyzed. It turned out that when the temperature was higher than 1000℃, the materials all occurred recrystallization with different degree. By analyzing the grain size of materials under different deformation condition, the fraction model, the grain size model and the mechanical model of dynamic recrystallization for Q345 steel have been built up, so as to provide the theoretical basis for preparing the hot working processes.

Key words：Q345E; wind power flange; dynamic recrystallization

基金項目：太原市科技資助項目(120224)。

收稿日期：2015—05—12

中圖分類號：TG142.15

文獻標志碼：B