連續變形與冷卻工藝對低碳鋼微觀組織的影響

黃緒傳，裴新華，薛 軍

(寶鋼股份研究院梅鋼技術中心，江蘇 南京 210039)

1 引言

目前市場上常用的普通低碳鋼一般采用碳錳成分體系，不添加任何其他合金，制造成本低廉。因其強度低、硬度低，大多不經熱處理用于工程結構件，有的經滲碳和其他熱處理用于要求耐磨的機械零件[1]。優質低碳鋼軋成薄板，可以用作制作汽車駕駛室、發動機機罩等深沖制品；還可軋成棒材，用于制作強度要求不高的機械零件。隨著控軋控冷技術的發展，實踐證明合理的生產工藝控制，可以實現細化低碳鋼鐵素體晶粒而提高其綜合性能的目的。國內外眾多學者針對此類問題開展大量的實驗研究，文獻[2-3]研究證實：在大冷速、高應變速率、大應變下，稍高于Ar3溫度的形變可使鐵素體細化。同時部分學者進一步探索了臨界奧氏體區的變形的晶粒細化機理，揭示了形變誘導鐵素體及鐵素體再結晶是獲得超細晶粒的關鍵[4-5]。另外，有學者通過研究認為在一定范圍內適當提高Mn含量可以促進鐵素體動態再結晶，從而達到晶粒細化[6]。

本文選用了一種低碳低錳碳素鋼作為研究對象，利用Gleeble3500熱模擬試驗機，采用了一種連續冷卻壓縮變形及控冷相結合的實驗方法，研究了模擬終軋溫度及軋后冷卻速度對實驗鋼組織演變規律，研究結果以期為該類鋼種的熱軋工藝的精細化設計提供參考。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料及試樣

實驗材料為一種低碳、低錳鋼，取自本鋼廠生產的供冷軋用的熱軋中間坯，該鋼種目前主要作為后續冷軋生產的原料，實驗鋼主要成分見表1。

實驗用試樣加工成φ8 mm×12 mm圓柱樣，試樣兩端面應平行，并與軸線垂直。為保證試驗結果的精確性，試樣尺寸加工精度須控制在±0.02 mm，另外，試樣兩端面的光潔度須控制在7以上，以盡可能地減小試樣端面與壓縮砧頭之間的摩擦力。

2.2 連續冷卻壓縮實驗工藝

實驗在Gleeble3500熱模擬試驗機上進行，采用連續冷卻壓縮實驗方法測定實驗鋼的鐵素體相變溫度[7-8]，其測定原理是鋼鐵材料的不同相組織具有不同強度的特性[9]。利用JMatPro材料計算軟件獲得實驗鋼A3=892 ℃、A1=722 ℃，因此將試樣加熱到1000 ℃奧氏體化，在奧氏體化溫度保溫5 min后以0.01 s-1的速率將試樣勻速壓縮70%，壓縮終了溫度設定為550 ℃，采集連續冷卻壓縮過程中的變形抗力及溫度數值。具體實驗工藝路線見圖1。

2.3 熱連軋模擬實驗工藝

參照連續冷卻壓縮實驗工藝，熱連軋過程近似為連續冷卻壓縮與控冷工藝的結合。已有的研究資料顯示，熱軋終軋溫度以及軋后的冷卻速度對鋼材最終的組織影響明顯。因此，本實驗重點設計了連續壓縮終了溫度以及壓縮后的冷卻速度兩個實驗變量。具體實驗方案是：利用Gleeble3500熱模擬試驗機，在氬氣環境狀態下，將試樣以10 ℃/s的速率升溫到1 200 ℃，保溫5 min后以5 ℃/s的冷速降到1 000 ℃，然后開始以0.01 s-1的速率連續冷卻壓縮變形，總變形量為70%，壓縮終了溫度分別為880 ℃、850 ℃、830 ℃、800 ℃、750 ℃，壓縮結束后分別以5 ℃/s、40 ℃/s兩種工藝路線冷卻至600 ℃保溫15 min后空冷。具體工藝路線見圖2。

3 實驗結果

3.1 連續冷卻壓縮實驗結果

圖3的溫度應力關系曲線展示了0.01 s-1變形速率下連續冷卻壓縮實驗結果，壓縮變形溫度區間為1000～550 ℃。在連續壓縮過程中，由于變形溫度的降低，壓縮變形抗力逐步增加，當溫度達到鐵素體相變溫度Ar3時，由于鐵素體強度低于奧氏體，變形抗力出現明顯下降，當奧氏體完全轉變結束后，變形抗力又恢復到連續增加。因此，根據實驗結果所示的溫度應力關系曲線上出現的轉折點可以確定實驗鋼的Ar3=835 ℃、Ar1=698 ℃。

3.2 熱連軋模擬試驗結果

3.2.1模擬終軋溫度對實驗鋼組織的影響

試驗分別以880 ℃、850 ℃、830 ℃、800 ℃、750 ℃作為模擬終軋溫度，采用了如圖2所示的5 ℃/s、40 ℃/s兩種軋后模擬冷卻工藝路線進行了熱連軋工藝模擬。圖4(a)～圖4(e)分別出示了模擬軋后5 ℃/s冷卻條件下880～750 ℃工藝下試樣金相分析結果。

圖4所示的模擬軋后5 ℃/s冷卻條件下金相組織顯示，模擬終軋溫度在880 ℃、850 ℃、830 ℃時，獲得均勻的鐵素體的組織，模擬終軋溫度在800 ℃、750 ℃時，獲得粗細不一的混晶組織。

圖5(a)～圖5(e)分別出示了模擬軋后40 ℃/s冷卻條件下880～750 ℃工藝下試樣金相分析結果。

圖5所示的模擬軋后40 ℃/s冷卻條件下金相組織顯示，模擬終軋溫度在880 ℃、850 ℃獲得均勻的鐵素體的組織，模擬終軋溫度在830 ℃、800 ℃時獲得粗細不一的混晶組織，模擬終軋溫度在750 ℃時獲得條狀鐵素體組織。

3.2.2模擬終軋后的冷卻速度對實驗鋼組織的影響

對照圖4和圖5可以看出：軋后冷卻速度對實驗鋼組織影響明顯。一方面從組織形態來看，5 ℃/s冷卻下，830 ℃及以上均獲得了均勻的組織，830 ℃以下獲得混晶組織；40 ℃/s冷卻下，850 ℃及以上均獲得了均勻的組織，850 ℃以下獲得混晶或條(帶)狀組織；另一方面從可見晶粒度來看，40 ℃/s冷卻下獲得的組織明顯細于5 ℃/s冷卻下獲得的組織。

4 結果討論

由于金屬材料的實際熱軋工藝過程是伴隨著冷卻和壓縮，連續冷卻壓縮(即CCC)實驗更容易揭露奧氏體相變臨界溫度變形對Ar3溫度的影響，因此通過該方法測定的Ar3溫度理論上應更具應用價值。

依據熱連軋工藝特點，本文采用了連續冷卻壓縮實驗方法近似模擬了熱軋精軋工藝過程，分別考察了變形終了溫度和變形后的冷卻速度對實驗鋼最終組織的影響。從試驗結果可以看出，當變形終了溫度在Ar3以上時，實驗鋼均獲得均勻的組織，表明了實驗鋼在850 ℃及以上的奧氏體變形時，奧氏體組織發生了動態再結晶，在隨后的冷卻過程中過冷奧氏體轉變為均勻的等軸狀鐵素體組織；當變形終了溫度降低至Ar3溫度附近的830 ℃時，奧氏體動態再結晶被抑制，此時由于變形能的積累，會發生形變誘導鐵素體相變[10]，形變誘導鐵素體相變是一個晶粒細化的過程，溫度越低，形變誘導鐵素體相變越容易發生，最終冷卻后得到較細的鐵素體晶粒[11],但由于本文所述的實驗變形特點，試樣變形是一個連續過程，形變誘導鐵素體相變存在先后順序，因此最終極易出現粗細不一的晶粒組織狀態；當變形終了溫度降至Ar3溫度以下時，由于變形終了前已存在形變誘導鐵素體和部分先共析鐵素體[12]，已有的鐵素體經壓縮變形后如完成再結晶，晶粒組織將呈現明顯的混晶狀態，如變形后的鐵素體未完成再結晶，晶粒將呈現等軸與條狀的復合特征[13]。另一方面，試驗結果顯示變形終了后的冷卻工藝對前述的三個階段的最終組織影響顯著，在變形終了溫度在Ar3以上時，對比圖4(a)、圖5(a)以及圖4(b)、圖5(b)，變形后緩冷會導致鐵素體晶粒長大，快冷縮短了鐵素體晶粒在高溫停留時間，獲得了細小的晶粒組織；在變形終了溫度在Ar3附近時，對比圖4(c)、圖5(c)，變形后緩冷有助于形變誘導鐵素體的再結晶而獲得均勻組織，快冷導致鐵素體再結晶不充分而混晶；當變形終了溫度在Ar3以下時，混合形變鐵素體在冷卻時完全再結晶則呈混晶狀態，未完全再結晶則出現如圖5(e)所示的帶狀組織特征。

5 結論

(1)采用連續壓縮冷卻(CCC)實驗方法測定了實驗鋼的動態相變溫度，Ar3=835 ℃、Ar1=698 ℃，利用JMatPro材料計算軟件獲得實驗鋼A3=892 ℃，A1=722 ℃；

(2)模擬終軋溫度及軋后冷卻速度對實驗鋼最終組織形態影響明顯，模擬終軋溫度在Ar3以上溫度時，實驗鋼獲得均勻的等軸狀組織，加快軋后冷卻速度可獲得細小的晶粒組織；當模擬終軋溫度在Ar3溫度附近時，實驗鋼會發生形變誘導鐵素體相變，軋后緩冷有利于組織均勻，快冷容易導致混晶；當模擬終軋溫度在Ar3溫度以下時，軋后不論緩冷、快冷均獲得混晶甚至明顯的變形帶組織；

(3)從試驗結果來看，模擬終軋溫度在A3～Ar3，在保證變形奧氏體再結晶充分的情況下，軋后快冷可獲得細小的晶粒組織，但由于實際生產溫度控制的偏差，軋后采用先緩冷后快冷的工藝可達到拓寬控制窗口的目的。

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