Hi-B鋼動態再結晶的研究及動態回復模型的建立

劉占龍 余馳斌 葉傳龍 黃儒勝 黃進科

（武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢 430081）

Hi-B鋼動態再結晶的研究及動態回復模型的建立

劉占龍 余馳斌 葉傳龍 黃儒勝 黃進科

（武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢 430081）

采用單道次熱壓縮實驗在Gleeble-1500熱力模擬機上研究了不同變形速率和變形溫度下Hi-B鋼的軟化行為。結果表明，試驗鋼在較低應變速率下，主要以動態回復作為軟化機制，在較高應變速率下，主要以動態再結晶作為軟化機制。采用回歸法計算出動態回復的變形激活能和應變指數分別為287.12 kJ／mol和4.88，由此建立了試驗鋼在低應變速率下的動態回復模型。

Hi-B鋼 動態回復 動態再結晶應力-應變曲線

取向硅鋼是硅質量分數為3%左右并且晶粒的易磁化方向平行于軋向的電工鋼，具有優良的磁性能和較低的鐵損，是電力、電器和軍事工業必需的重要軟磁材料。一般來說，熱軋過程使得組織形態（包括顯微組織、晶粒取向分布）發生一定的改變，而硅鋼的最終織構和平均晶粒尺寸主要影響磁感和鐵損。因此要選用合適的熱軋工藝來獲得更有利的織構和大小合適的晶粒，從而提高硅鋼磁感和降低鐵損［1-5］。而研究動態回復和動態再結晶的規律對于控制熱軋時的組織和性能具有重要意義。本文對Hi-B鋼的應力-應變曲線進行研究并建立了動態回復模型，這對于取向硅鋼研究的后續工作具有一定的指導意義。

1 試驗材料和方法

試驗材料為實驗室冶煉的Hi-B鋼，其化學成分為（質量分數，%）0.085C、3.09Si、0.20Cu、0.11Al、0.037Mn、0.040S、0.020P，其余為鐵。采用Cu2S作為抑制劑在25 kg真空感應電爐冶煉鋼水，并將鋼水注入尺寸200 mm×85 mm×40 mm的鑄模中。將鑄坯放入980℃加熱爐內，加熱至1 200℃并保溫30 min；開軋溫度為1 150～1 200℃，終軋溫度為900～950℃，壓下率為93.75%。切取熱軋樣品，尺寸為150 mm×25 mm，再機加工成φ8 mm×12 mm的圓柱形熱模擬試樣。

先將試樣以10℃／s的速度加熱到1 300℃，保溫5 min，使其均勻化后以5℃／s降溫到不同變形溫度（950、1 050、1 100、1 150℃），并以不同的變形速率（0.1、1、5、10、20 s－1）進行70%總變形量的單道次熱壓縮試驗，并根據實驗數據繪制應力－應變曲線。然后采用淬火的方法以保持相變前的組織，最后對淬火試樣進行切割、打磨和拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察顯微組織。

2 試驗結果及分析

2.1應力-應變曲線

圖1為試樣在某一變形溫度（950、1 050、1 100、1 150℃）、不同變形速率（0.1、1、5、10、20 s－1）時的真應力－真應變曲線。由于Hi-B鋼原始晶粒主要成分為粗大的鐵素體，所以高溫變形過程具有其自身的特點。由圖1可知，應變速率為0.1、1 s－1時，熱變形過程中金屬主要以位錯的交滑移和攀移軟化機制為主。當應變速率為5、10、20 s－1時，曲線上出現明顯的單峰或多峰，這是材料發生動態再結晶后的應力-應變曲線顯著特征。其主要原因是隨著應變速率的增大，位錯不斷迅速積累，位錯能迅速增高，交滑移和攀移軟化機制不能全部抵消熱變形過程中位錯的積累，當積累的能量達到某一臨界值時，激發動態再結晶。

在同一變形溫度下，隨著變形速率（5、10、20 s－1）的增加，應力-應變曲線峰值應力變大，且向應變增大的方向移動，與此同時由多峰逐漸變為單峰，這說明隨著變形速率的增加，試驗鋼的軟化機制主要是動態再結晶。其原因是在熱變形過程中伴隨著位錯密度不斷增加，同時位錯通過動態回復和動態再結晶不斷得到消除。變形速率的增加，導致位錯密度快速增加，但是軟化機制消耗位錯的速度不及位錯增加的速度，所以應力值迅速增大，表現在應力-應變曲線上峰值點的應力和應變值都增加。

圖1不同變形溫度和不同變形速率下試樣的應力-應變曲線Stress-strain curves of the specimens deformed at different deformation temperatures and strain rates

應變速率較低時（如0.1、1 s－1），主要以動態回復作為軟化機制。隨著溫度升高，原子熱運動速度加快，位錯被動態回復迅速消耗，表現在應力-應變曲線上的應力臨界值下降。應變速率為5、10 s－1時，出現波浪式應力-應變曲線圖形，并且低應變速率曲線波浪周期較小，即為間斷動態再結晶的典型應力-應變曲線圖形。隨著溫度的升高，臨界應變量逐漸減小。主要原因是再結晶過程是一個熱激活能擴散的過程，變形溫度升高，形變位錯積累減少，形變儲存能減少，原子擴散越快，再結晶形核增加，越容易發生再結晶。應變速率為20 s－1時，出現單峰應力－應變曲線圖形，發生連續性的動態再結晶，變形溫度越高，臨界應變量越小，穩態應力越小［6-7］。

結合圖2的組織圖可以發現，應變速率較小時，在顯微組織中可以觀察到原始鐵素體因變形被拉長，原始鐵素體晶內有因回復產生的亞晶出現。隨著應變速率的增大，原始晶界變得模糊并且鐵素體晶粒逐漸增多并長大，新晶粒晶界呈凹凸狀，大角度晶界較多。這是因為在相同的變形溫度下，應變速率越大，位錯密度越大，畸變能迅速增加，變形過程產生的亞晶就會不斷吸收周圍的位錯能，快速長大、遷移，由小角度晶界轉變成大角度晶界。

圖2 變形溫度1 100℃、不同變形速率下試樣的顯微組織Fig.2 Microstructures of the specimens deformed at1 100℃and at different deformation strain rates

2.2 動態回復與動態再結晶應力指數及熱變形激活能

一般用Z參數［8-9］表示變形溫度和變形速率對動態回復與動態再結晶的影響：

Jonas和Uvira等所做的研究確定α值為0.012 MPa－1較為合理［10］。一般的穩態應力難以精確測定，所以這里用峰值應力σp代替穩態應力σs，則有：

將公式（2）兩邊同時取自然對數得：

同理，當應變速率一定時，將n值代入公式（3）可得1 000／（RT）和n ln［sinh（ασp）］的關系圖，進而線性回歸出平均斜率，計算得出Qdef＝233.62 kJ／mol（見圖4）。

同理，可以求得主要發生動態回復過程的n′＝4.88（見圖5）及Q′def＝287.12 kJ／mol（見圖6）。

圖3 ln與ln［sinh（ασp）］的關系Fig.3 Dependence of lnon ln［sinh（ασp）］

圖4 1 000／（RT）與n ln［sinh（ασp）］的關系Fig.4 Dependence of 1 000／（RT）on ln［sinh（ασp）］

圖5 ln與ln［sinh（ασp）］的關系圖Fig.5 Dependence of lon ln［sinh（ασp）］

圖6 1 000／（RT）與n′ln［sinh（ασp）］的關系Fig.6 Dependence of 1 000／（RT）on ln［sinh（ασp）］

2.3 動態回復模型的確定

試驗鋼在動態回復過程的熱激活能數值與Whittaker等在800～1 100℃熱扭曲實驗3%Si鋼得出的熱激活能值290 kJ／mol保持一致［11］。試驗鋼的穩態應力表達式如式（4）所示：

在不同的應變速率（0.1、1 s－1）、不同變形溫度（950、1 050、1 100、1 150℃）下的應力-應變曲線上取數組相應的應力穩態值σs，并由公式Z＝計算出相應溫度和應變率的ln Z值，以ln Z為橫坐標、lnσs為縱坐標作圖，如圖7所示，其斜率即為bs的值，利用最小二乘法回歸可以得到As＝0.204，bs＝0.196；可得式（5）：

統計多組應力應變曲線上的流變初應力（σ0）與穩態流變應力（σs）比值的平均值約為0.1，即：

因此應力應變關系σ＝σ0＋（σs－σ0）·［1－可用式（7）表示：

式中，εr為 應力-應變曲線上穩態應力所對應的應變。εr與存在線性關系，用式（8）表示：

對式（8）進行線性回歸，如圖8所示，可得A＝0.08，B＝7.81×10－5。

由式（5）、（7）和（8）可得應力應變模型：

圖7 ln z與lnσs的關系圖Fig.7 Dependence of ln z on lnσs

圖8與εr的關系圖Fig.8 Dependence ofonεr

3 結論

（1）通過應力-應變曲線及顯微組織圖可以確定，試驗鋼在低應變速率下主要以位錯的交滑移和攀移軟化機制為主，在較高速率下主要以動態再結晶軟化機制為主。

（2）通過回歸的方法分別確定試驗鋼在950～1 150℃范圍內的動態回復與動態再結晶的應力指數與變形激活能，即n′＝4.88，Q′def＝287.12 kJ／mol；n＝3.31，Qdef＝233.62 kJ／mol。

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收修改稿日期：2015-09-08

Dynam ic Recrystallization and Establishing of Its Dynam ic Recovery Model for Hi-B Steel

Liu Zhanlong Yu Chibin Ye Chuanlong Huang Rusheng Huang Jinke
（Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei430081，China）

The softening behavior of Hi-B steel under different deformation rates and deformation temperatureswere investigated by a single-pass hot compression experiments in Gleeble-1500 thermal simulation machine.The results showed that for the investigated steel，its softening was mainly attributed to dynamic recovery at low strain rate，and to dynamic recrystallization at higher strain rate.Regressionmethod was used to calculate the dynamic response of activation energy and the strain index，which were 287.12 kJ／mol and 4.88 respectively，thereby establishing the dynamic recrystallization model of the investigated steel at low strain rate.

Hi-B steel，dynamic recovery，dynamic recrystallization，stress-strain curve

國家自然科學基金資助項目（No.51274155）

劉占龍，男，從事鋼鐵材料組織與性能控制方面的研究，Email：673153753＠qq.com

余馳斌，女，教授，電話：13628680126