稀土Ce對IF鋼高溫變形行為的影響

李艷峰

(河鋼集團(tuán)承鋼公司)

稀土Ce對IF鋼高溫變形行為的影響

李艷峰

(河鋼集團(tuán)承鋼公司)

研究了稀土Ce對對IF鋼的的高溫變形行為的影響。在Gleeble-1500D熱模擬試驗機(jī)上將不同鈰含量IF鋼在真空條件下，以10 ℃/s加熱到1 250 ℃，均溫5 min，然后以5 ℃/s的分別冷卻到1 100 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃，保溫30 s，再分別以10-2s-1、1 s-1進(jìn)行壓縮50%，最后沿縱向切開，觀察壓縮后組織。結(jié)果表明：IF鋼以低應(yīng)應(yīng)變速率變性時動態(tài)再結(jié)晶是主要的軟化機(jī)制，以高應(yīng)變速率壓縮時動態(tài)回復(fù)是主要的軟化機(jī)制；IF鋼的變形抗力隨稀土鈰含量的增加而增大；鈰對再結(jié)晶具有抑制作用。

稀土 IF鋼 高溫變形 顯微組織

0 引言

隨著全球變暖和石油資源的匱乏，節(jié)能環(huán)保型汽車越來越受到人們的歡迎。這使得具有輕質(zhì)高強(qiáng)性能的IF鋼的需求越來越大。傳統(tǒng)的IF均采用P、Si、Mn等元素進(jìn)行強(qiáng)化，但采用P強(qiáng)化時，P會在晶界偏析，導(dǎo)致IF鋼在后續(xù)加工過程中會產(chǎn)生脆斷；采用Si強(qiáng)化后又不能滿足后續(xù)的熱鍍鋅生產(chǎn)工藝要求；采用Mn強(qiáng)化后，雖然可以滿足熱軋鍍鋅工藝，但Mn過高后會對延展型產(chǎn)生危害。稀土元素在鋼中固溶后可以通過擴(kuò)散機(jī)制在晶界富集，減少雜質(zhì)元素的晶界偏聚，起到固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的作用；而且采用稀土強(qiáng)化還可以促進(jìn)晶間斷裂向延伸性斷裂轉(zhuǎn)變，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

為此，筆者以承鋼生產(chǎn)的IF鋼為研究對象，通過向鋼中添加微量稀土元素Ce，觀察Ce對IF鋼高溫變形行為的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料的制備

本試驗以承鋼生產(chǎn)的IF鋼為基料，通過向IF鋼基料中添加不同含量的純度為99.98%的稀土Ce，觀察Ce對IF鋼性能的影響。本實驗鋼的冶煉過程在中頻感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行，冶煉過程為：原料烘干裝料抽真空原料熔化加稀土Ce攪拌、精煉澆注成鋼錠，鋼錠重量為7 kg，IF鋼成分見表1。

表1 實驗鋼的化學(xué)成分 / %

其中，No.1為沒有加Ce的原鋼重熔，No.2和No.3分別的Ce含量分別為0.002 4%、0.004 2%。鋼錠經(jīng)1 200 ℃加熱后，保溫30 min,熱鍛成斷面為25 mm×25 mm方坯，空冷至室溫。在方坯上沿鍛壓方向切取Φ8×12 mm的標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣。

1.2 試驗方法

高溫壓縮試驗在Gleeble-1500D型熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行，工藝過程如圖1所示。

在真空條件下，以10 ℃/s的速度將試樣加熱到1 200 ℃，保溫5 min，然后以5 ℃/s的速度分別冷卻到1 100 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃，保溫30 s，后分別以0.01 s-1和1 s-1的速率進(jìn)行壓縮，壓縮量為50%，壓縮后快速進(jìn)行水冷。對壓縮后的試樣沿對稱軸縱向切開，采用蔡司金相顯微鏡觀察壓縮后組織。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1 IF鋼熱壓縮工藝示意圖

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

將不同Ce含量的IF鋼在800 ℃～1 100 ℃下分別以0.01 s-1和1 s-1的應(yīng)變速率壓縮50%，所得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。其中，(a)、(b)、(c)為應(yīng)變速率為0.01 s-1時的IF鋼真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，(d)、(e)、(f)為1 s-1時的IF鋼真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

(a) Ce含量為0，應(yīng)變速率為10-2s-1(b) Ce含量為0.0024%，應(yīng)變速率為10-2s-1(c) Ce含量為0.0042%，應(yīng)變速率為10-2s-1

(d) Ce含量為0，應(yīng)變速率為1s-1(e) Ce含量為0.0024%，應(yīng)變速率為1s-1(f) Ce含量為0.0042%，應(yīng)變速率1s-1

圖2 IF鋼真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，在真應(yīng)變小于0.05的初始階段，IF鋼表現(xiàn)出較強(qiáng)的加工硬化特性；這主要是因為在變形開始階段，隨著真應(yīng)變的增加，位錯密度迅速增大，位錯滑移嚴(yán)重受阻，使得流變應(yīng)力迅速增大，即發(fā)生加工硬化。另外，在位錯密度增加的同時，通過熱激活使位錯成對抵消、晶粒規(guī)整形成亞晶以及亞晶合并等過程也在進(jìn)行，即在發(fā)生加工硬化的同時也在發(fā)生動態(tài)回復(fù)。隨著真應(yīng)變的增加，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到一定程度后，動態(tài)回復(fù)難以同步抵消由于應(yīng)變產(chǎn)生的位錯增加和積累，位錯增加和累到一定程度后就會促發(fā)再結(jié)晶形核，即發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，當(dāng)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時，大量位錯被再結(jié)晶核心的大角度界面推移而消除，應(yīng)力下降，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值。如圖中(a)、(b)、(c)，這說明在以10-2s-1變形時，動態(tài)再結(jié)晶是主要的軟化機(jī)制；當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到一定程度后，位錯消失速率與應(yīng)變產(chǎn)生的位錯增加速率相等，在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力值隨著應(yīng)變的增大而平緩增大。如圖中(d)、(e)、(f)，沒有明顯峰值，這說明動態(tài)回復(fù)是主要的軟化機(jī)制。

通過對比圖2(a)、圖2(d)、圖2(c)可以看出，在應(yīng)變速率相同時，IF鋼的流變應(yīng)力隨Ce含量的增加而增加，1 000 ℃時，未加稀土Ce的IF鋼的峰值應(yīng)力為88.5 MPa，加0.002 4%Ce的IF鋼的峰值應(yīng)力為95.8 MPa，當(dāng)稀土Ce加入量為0.004 2%時，IF鋼的峰值應(yīng)力達(dá)到了116.6 MPa，這主要與稀土Ce在位錯上的偏聚和釘扎作用有關(guān)。隨著變形溫度的升高，各鋼種的流變應(yīng)力均下降。

2.2 稀土Ce對IF鋼組織的影響

為了觀察稀土Ce對IF鋼組織的影響，將壓縮后的試樣沿對稱軸縱向切開，采用蔡司金相顯微鏡觀察切割后的組織，如圖3所示。其中，(a)(b)(c)為800 ℃、0.01 s-1應(yīng)變速率壓縮后的組織，(d)(e)(f)為800 ℃、1 s-1速率壓縮后的組織。

(a) Ce含量為0, 應(yīng)變速率為0.01s-1(b) Ce含量為0.0024%，應(yīng)變速率為0.01s-1(c) Ce含量為0.0042%，應(yīng)變速率為0.01s-1

(d) Ce含量為0，應(yīng)變速率為1s-1(e) Ce含量為0.0024%，應(yīng)變速率為1s-1(f) Ce含量為0.0042%，應(yīng)變速率為1s-1

圖3 IF鋼壓縮后的組織

從兩組圖片的對比中可以看出0.01 s-1時的組織主要以再結(jié)晶為主，在1 s-1進(jìn)行壓縮時的組織主要以動態(tài)回復(fù)為主。從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)的橫向?qū)Ρ戎锌梢钥闯觯谙嗤臏囟群蛻?yīng)變速率下，圖3(a)的再結(jié)晶組織明顯要比圖3(c)均勻，而且再結(jié)晶進(jìn)行比較徹底，圖3(c)中只有部分組織發(fā)生了再結(jié)晶，這主要是因為Ce在晶界的偏聚，阻止了晶界的擴(kuò)散和遷移，進(jìn)而對再結(jié)晶過程中的形核及晶粒的長大產(chǎn)生影響。以1 s-1的速率壓縮時組織并未發(fā)生再結(jié)晶如圖3(d)、(e)、(f)，從圖3(d)中可以看出在晶界邊部已經(jīng)有部分小的再結(jié)晶晶粒，在圖3(f)中完全沒有再結(jié)晶晶粒的出現(xiàn)，再次說明Ce具有推遲再結(jié)晶的作用。

2.3 Ce對再結(jié)晶激活能的影響

(1)

由于Zener-Hollomon參數(shù)的形變因子Z與流變應(yīng)力之間存在冪指關(guān)系，為便于測量，本試驗采用峰值應(yīng)力作為研究，即：

(2)

式中：A1——常數(shù)； n——應(yīng)力指數(shù)； σp——峰值應(yīng)力。

對式(2)取對數(shù)，取偏導(dǎo)則有式(3)：

(3)

當(dāng)溫度T為常數(shù)時，由式(3)可得式(4)：

(4)

(5)

表2 Ce對IF鋼再結(jié)晶激活能的影響

由表2可以看出，隨著Ce含量的增加，再結(jié)晶激活能由不加Ce的122.92KJ/mol增加到145.29KJ/mol，182.75KJ/mol增幅分別為18.19%、48.67%。這說明Ce的加入對再結(jié)晶的確有推遲作用。

3 結(jié)論

通過本次試驗可以看出，隨著當(dāng)以0.01s-1的應(yīng)變速率壓縮時，IF鋼的軟化機(jī)制主要以動態(tài)再結(jié)晶為主；當(dāng)以1s-1的應(yīng)變速率壓縮時，IF鋼的軟化機(jī)制主要以動態(tài)回復(fù)為主；稀土Ce的加入可以提高IF鋼的高溫強(qiáng)度；與未加稀土Ce的IF鋼相比加0.0042%Ce的IF鋼的再結(jié)晶激活能由122.92KJ/mol增加到182.75KJ/mol，增加了48.67%，說明Ce對再結(jié)晶有較好的抑制作用。

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EFFECT OF CERIUM ON BEHAVIOR OF HIGH TEMPERATURE DEFORMATION OF IF STEEL

Li Yanfeng

(Handan Iron and steel company, HeGang Iron and steel Group)

Effect of rare earth element Ce on behavior of high temperature deformation of IF steel was discussed. Different Ce content in IF steel were heated to 1 250 ℃ for 5 min with 10 ℃/s at vacuum conditions, then cooled to 1 100 ℃、1 000 ℃，900 ℃，800 ℃ for 30 s with 5 ℃/s and compressed by 50% with 10-2s-1and 1 s-1by using a Gleeble-1500D thermo-mechanical simulation machine to get the true stress-strain curves. Finally, in order to observe the compressed microstructure, compressed sample were cut apart along longitudinal. Results show that the IF steel with a low rate of deformation, the dynamic recrystallization is the main softening mechanism, at a high rate of deformation dynamic recovery is the main softening mechanism; deformation resistance of IF steel with rare earth Ce content increasing, Ce has inhibitory effect on recrystallization.

rare earth IF steel high temperature deformation microstructure

?峰，工程師，河北.承德(067102)，河鋼集團(tuán)承鋼公司承鋼板帶部;

2017—1—7