Nb微合金化高強(qiáng)耐候角鋼的變形抗力行為研究

賈陽光，呂若玢，韓方丁，韓 迪，陳 曦，侯 蔚，劉麗敏

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

變形抗力不僅是衡量材料可變形性優(yōu)劣的重要標(biāo)志，還是設(shè)備選擇、軋輥安全校核、軋制工藝規(guī)程制定的依據(jù)[1-2]。耐候角鋼具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和焊接性能，且環(huán)境友好，全壽命成本低，是輸電鐵塔建設(shè)的理想材料。隨著電壓等級提高，要求鐵塔承載能力不斷增強(qiáng)，又要盡量降低塔重和走廊占地，對高強(qiáng)耐候角鋼需求迫切。近年來，國內(nèi)軋鋼廠對加熱裝置、精煉和軋制設(shè)備等進(jìn)行了改造升級，完全具備使Nb發(fā)揮最佳強(qiáng)韌化的能力，因此，研究加工時的變形抗力規(guī)律，對Nb微合金化高強(qiáng)耐候角鋼實(shí)際生產(chǎn)中軋制工藝參數(shù)的選取和優(yōu)化工藝具有重要意義[3]。本文利用Gleeble -1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)和光學(xué)顯微鏡，分析軋制過程的變形溫度、變形速率和變形程度對變形抗力的影響。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼所取材料為80 mm×80 mm×80 mm的鍛后方坯，采用真空感應(yīng)熔煉爐熔煉，單道次壓縮試驗(yàn)壓縮試樣為φ8 mm×15 mm，實(shí)測成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼的實(shí)測成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

通過激光共聚焦顯微鏡觀察軋后試驗(yàn)鋼的縱截面顯微組織(見圖1)，室溫組織為帶狀的鐵素體和珠光體， 為典型的軋制后組織。其中， 黑色為珠光體，白色為鐵素體，兩者交替呈條帶分布。應(yīng)用Image-pro軟件來測量晶粒，進(jìn)一步進(jìn)行帶狀組織的評級，試制鋼的晶粒尺寸為7.3 μm。

圖1 軋后試驗(yàn)鋼的縱截面顯微組織

2 試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律

鋼的動態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)可以反映在不同冷卻速度下，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物、轉(zhuǎn)變量和硬度的變化。在新鋼種的研制開發(fā)和新工藝的研究中，特別是在控制軋制和控制冷卻工藝的研究過程中，CCT曲線得到了越來越廣泛的應(yīng)用[4-7]。

為了制定合理的變形溫度和變形速率，利用Gleeble -1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)和光學(xué)顯微鏡等分析了試驗(yàn)鋼在不同冷速下的室溫組織特征，研究了試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻相變組織的演變規(guī)律，試驗(yàn)鋼的CCT曲線如圖2所示。結(jié)合軋后室溫組織，以及不同冷速下的室溫組織特征，優(yōu)選5 ℃/s。

圖2 試驗(yàn)鋼的CCT曲線

3 試驗(yàn)鋼的再結(jié)晶規(guī)律

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和CCT曲線，利用Gleeble -1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)測得在不同變形溫度下變形后保溫一段時間后的軟化率Xs，研究試驗(yàn)鋼奧氏體變形后軋制間歇時間內(nèi)的靜態(tài)再結(jié)晶行為。通常情況下靜態(tài)軟化分?jǐn)?shù)Xs=10%～15%時即可認(rèn)定為開始發(fā)生再結(jié)晶，靜態(tài)軟化分?jǐn)?shù)Xs≥90%時就可以認(rèn)為已完成再結(jié)晶[8-10]。

試驗(yàn)鋼的靜態(tài)軟化動力學(xué)曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在1 100 ℃變形時，間隙時間達(dá)到2 s時，就可以認(rèn)為靜態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)進(jìn)行完全，隨著溫度的降低，完成靜態(tài)再結(jié)晶所需要的時間逐漸增加，1 050和1 000 ℃在10 s的間隙時間內(nèi)完成靜態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)溫度降低到950 ℃、間隙時間為90 s時，仍然沒有完成靜態(tài)再結(jié)晶。

圖3 試驗(yàn)鋼的靜態(tài)軟化動力學(xué)曲線

4 壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)鋼的單道次壓縮試驗(yàn)工藝圖如圖4所示。單道次壓縮試驗(yàn)主要包括如下步驟：第1步為參數(shù)設(shè)置階段，保溫溫度為1 200 ℃，加熱/冷卻速度為5 ℃/s，保溫5 min，應(yīng)變量為0.7，測試溫度即變形溫度分別為1 100、1 050、1 000、950、900和850 ℃，變形速率分別為0.1、1和10 s-1；第2步為壓縮試驗(yàn)階段，先進(jìn)行抽真空處理，然后依次加熱、保溫、冷卻至測試溫度保溫1 min后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，變形結(jié)束后立即水淬。

圖4 試驗(yàn)鋼的單道次壓縮試驗(yàn)工藝圖

4.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

b) T=1 000 ℃

4.2 變形溫度對變形抗力的影響

應(yīng)用Origin軟件對真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸，耐候角鋼在不同變形速率下，變形抗力與變形溫度之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，在相同變形速率下，變形抗力σ隨變形溫度T的升高呈指數(shù)降低統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即lnσ隨著變形溫度的升高呈直線降低的趨勢，變形速率越低，統(tǒng)計(jì)規(guī)律越明顯。

圖6 試驗(yàn)鋼的變形抗力與變形溫度之間的關(guān)系圖

4.3 變形速率對變形抗力的影響

圖7 試驗(yàn)鋼的變形抗力與變形速率之間的關(guān)系圖

4.4 變形程度對變形抗力的影響

整體來看，當(dāng)應(yīng)變量<0.2時，應(yīng)力隨應(yīng)變量增加而增加，變形溫度越低和變形速率越慢，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線處于加工硬化主導(dǎo)階段。當(dāng)0.2<應(yīng)變量<0.35時，應(yīng)力隨應(yīng)變量增加而增加，變形溫度越高，效果越顯著，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線處于由加工硬化向動態(tài)再結(jié)晶型轉(zhuǎn)變階段。當(dāng)應(yīng)變量>0.35時，應(yīng)力隨應(yīng)變量增加而趨于穩(wěn)定甚至降低，變形溫度越高和變形速率越慢，效果越顯著，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線處于動態(tài)再結(jié)晶型主導(dǎo)階段。當(dāng)變形速率≤1 s-1、變形溫度≥950 ℃時，變形抗力首先隨著變形程度的增加而快速增大，直至出現(xiàn)峰值，變形抗力隨變形程度增加而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)變形速率>1 s-1、變形溫度<950 ℃時，變形抗力隨著變形程度的增加而不斷增大，變形抗力的增加速率與變形程度的大小成反比[11]。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)在低的變形速率和高的變形溫度下，Nb微合金化高強(qiáng)耐候角鋼才發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

2)在變形溫度和變形程度一定時，變形抗力隨著變形速率的增加而增大。在高變形溫度和低變形速率下，Nb微合金化高強(qiáng)耐候角鋼才發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，變形抗力隨著變形程度的增加而增大，出現(xiàn)峰值后，變形抗力則逐漸減小。在低變形溫度和高變形速率下，變形抗力則隨著變形程度的增加不斷增大。在低變形溫度和低變形速率下或者高變形溫度和高變形速率下，變形抗力與變形程度關(guān)系較為復(fù)雜。