稀土Nd對Q345B鋼熱軋變形行為的影響

李相前

1 前言

稀土在鋼中已得到廣泛應用，其主要作用有：凈化、變質、微合金化［1-3］。Q345B鋼綜合性能好，是應用最廣、用量最大的低合金高強度結構鋼，大多在熱軋狀態下使用。熱軋過程中的變形行為將直接影響熱軋顯微組織，進而影響其力學性能，因此對熱軋過程鋼的變形行為進行研究是非常重要的。稀土元素對鋼的軋制過程以及相應的組織性能的影響已多有報道，研究結果表明［4-5］，稀土能夠提高動態再結晶的激活能，推遲鋼的動態再結晶，細化組織，改善力學性能。但研究中選用的大多是輕稀土元素如La、Ce等［4-5］，而對添加Nd稀土元素的研究極少。本研究以Q345B含Nd鋼為對象，利用Gleeble1500-D熱模擬試驗機模擬不同軋制條件下鋼的熱變形行為，利用金相顯微鏡等表面分析技術，探討熱軋過程中不同變形條件對Q345B含Nd鋼顯微組織演變規律以及再結晶行為的影響，以期為更合理地制定軋制工藝提供一定的理論依據。

2 試驗材料及方案

試驗基料為Q345B連鑄坯，其化學成分見表1。

表1 Q345B鋼的化學成分（質量分數）%

在實驗室真空感應熔煉爐（ZG-0.01）冶煉得到加入稀土釹的5 kg鑄坯，稀土Nd含量為150×10-6。將鑄坯按加熱溫度1 180℃保溫后進行鍛造，鍛為40 mm×40 mm的矩形，經鉬絲切割機加工為Φ8 mm×15 mm的圓柱形試樣。

利用Gleeble1500-D熱模擬機模擬實際生產Q345B鋼的軋制過程，研究稀土Nd對鑄坯組織及熱軋過程的影響，通過單道次大變形量的方法得出動態再結晶的臨界應變［4-5］；通過比較連鑄坯軋制前的奧氏體原始晶粒大小及模擬熱連軋制后組織晶粒大小，分析稀土Nd對組織細化的影響。為盡可能獲得與現場鑄坯組織相當的奧氏體晶粒及微合金元素存在狀態，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 熱模擬試驗工藝路線

在熱模擬機上將試樣以10℃/s的速度加熱到1 250℃，保溫3 min使奧氏體均勻化；以5℃/s的速度降到850℃，模擬連鑄坯快速冷凝后溫度的下降過程；而后以5℃/s的速度升溫至1 100℃，保溫3 min，模擬再入均熱爐均熱。單道次變形是以5℃/s的速度冷卻到不同溫度進行壓縮變形，變形溫度分別為1 060℃、1 020℃、980℃、940℃、900℃、860℃，應變速率均為5 s-1，變形量為70%，變形結束后立即空冷。熱模擬軋制過程為950℃開軋，以道次間隔時間1.5 s、1.0 s、0.5 s連續4道次壓下后，以15℃/s冷卻到600℃后空冷。

3 試驗結果分析

3.1 稀土對奧氏體晶粒的影響

圖2為Q345B、Q345BNd兩種試驗鋼依據實際工藝模擬連鑄過程到850℃時得到的奧氏體晶粒組織。用Image-Tool軟件對奧氏體晶粒尺寸進行統計，Q345B鋼為92.10μm（見圖2a），Q345BNd鋼為76.42μm（見圖2b）。說明連鑄坯850℃時，Q345B鋼加入稀土后能夠細化奧氏體晶粒。在更高溫度（1 060℃）的對比試驗表明，添加稀土對奧氏體的晶粒尺寸影響不大。

低溫（850℃）時稀土能夠細化奧氏體晶粒主要由于稀土是一種表面活性元素，具有強烈的晶界偏聚效應［6］，一方面降低了界面能；另一方面對基體原子的晶界擴散起到阻礙作用。而在1 060℃高溫時，奧氏體晶粒長大迅速，長大速度接近于未含稀土鋼，這應與稀土在高溫下的擴散行為有關，此溫度稀土原子的擴散速度與鐵原子的擴散速度接近，稀土原子對晶界的拖曳作用幾乎消失，導致奧氏體晶粒的迅速長大。

圖2 模擬鑄坯連鑄過程到850℃的時奧氏體晶粒

3.2 稀土對動態再結晶行為的影響

單道次熱變形過程中能否發生動態再結晶取決于鋼的臨界應變量εD［7］，εD是一個很重要的參數，但其值在真應力—應變曲線上很難確定，而峰值應變εP比較容易確定。εD幾乎與應力應變曲線上的峰值 εP相等，確切定量，εD≈（0.8～0.9）εP。Q345B鋼在不同溫度下的真應力—真應變曲線如圖3所示。利用εD=0.85εP計算動態再結晶臨界應變量，如表2所示。

圖3 ε=70%、ε=5 s-1不同溫度下的真應力—真應變曲線

表2 不同溫度下動態再結晶臨界應變量εD

從圖3明顯看出，在熱變形過程中，變形溫度越高，對應的峰值應力值σp越低，并且隨著變形溫度的降低，應力峰值σp向變形量增大的方向移動，而其對應的峰值應變εP隨變形溫度的降低而增加，開始發生動態再結晶的臨界變形量εD也隨溫度的降低而增加，即溫度越低再結晶發生越困難。隨變形溫度的升高，動態再結晶的臨界應變量減小，這是因為隨溫度的升高，金屬原子熱震動的振幅增大，原子間鍵力減弱，金屬原子間的結合力降低，從而使金屬的流變應力降低，同時再結晶的形核是個熱激活的過程，因此變形溫度越高，空位和原子擴散以及位錯交滑移和攀移的驅動力越大，越容易發生再結晶行為。

從表2中可以看出，加入稀土元素以后能夠明顯的推遲動態再結晶的發生，并且隨著溫度的升高，推遲量有明顯減弱的趨勢，其原因是由于稀土的固溶強化及與碳原子的交互作用使鋼的強度增大，峰值應力、峰值應變也隨之增大。稀土Nd加入推遲了Q345B鋼的動態再結晶，這與文獻［7］研究的實驗規律是一致的，但添加的稀土元素不同，其推遲量存在著明顯區別，這可能是由于不同稀土的元素對鋼的影響量不同造成的。

3.3 稀土對動態再結晶激活能的影響

從真應力—真應變曲線中可知：當變形溫度越低時，峰值應力及其所對應的峰值應變就越大，就越不容易發生動態再結晶。這一關系可以通過Zener-Hollomon因子Z來表示［8］：

通過采集單道次變形曲線中的數值計算得出，Q345B鋼的動態再結晶激活能為283.4 kJ/mol，而添加稀土的Q345BNd鋼動態再結晶激活能為334.7 kJ/mol。加入Nd能夠提高Q345B鋼激活能為51.3 kJ/mol。因為發生動態再結晶與動態激活能有很大的關系，動態激活能越小，越容易發生動態再結晶。因此，通過激活能的計算表明：添加稀土能夠抑制Q345B動態再結晶的發生。

3.4 稀土Nd對熱連軋后組織的影響

圖4為模擬熱連軋4道次真應力—真應變曲線，可以看出，添加稀土的Q345BNd鋼在前3個軋制道次中應力峰值隨應變的增加一直在增加，直到第4道次開始發生動態再結晶；而Q345B鋼前兩道次應力峰值隨應變的增加在增加，但第3道次由于靜態軟化的作用，應力峰值低于第2道次；第4道次都發生了完全的動態再結晶，這是由于變形存儲能的釋放，導致試驗鋼軟化，發生了再結晶過程。

圖4 模擬熱連軋4道次真應力—真應變曲線

圖5 為熱軋4道次后試驗鋼的金相組織，通過相同的控軋控冷工藝所得組織類型均為鐵素體和少量珠光體組織，顯微組織中都存在一定的混晶現象。采用Image-Tool軟件對Q345B鋼組織的平均晶粒尺寸進行統計，得出Q345B鋼平均晶粒尺寸為5.24μm（見圖5a），Q345BNd鋼為4.40μm（見圖5b）。稀土元素Nd的加入對Q345B鋼晶粒有明顯的細化作用。

圖5 試驗鋼軋制方案軋后金相組織

4 結 論

4.1 Q345B鋼中添加稀土元素Nd，對連鑄鑄坯的奧氏體晶粒組織有一定的細化作用。

4.2 Q345B鋼中添加稀土元素Nd，能夠推遲Q345B鋼的動態再結晶過程的發生，能夠提高Q345B鋼的動態激活能51.356 kJ/mol。

4.3 Q345B鋼中添加稀土元素Nd，經相同的控軋控冷工藝后，得到的顯微組織明顯更細小均勻，稀土Nd同樣具有晶粒細化作用。

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