熱機(jī)軋制最新進(jìn)展 

Recent Developments in Thermomechanical Processing ofSteels

熱機(jī)軋制最新進(jìn)展

?摘要

在過去的幾十年里,熱軋過程中的熱機(jī)械控制軋制對(duì)提高鋼材的機(jī)械性能方面發(fā)揮了重要作用。精確控制再結(jié)晶、相變和應(yīng)變誘導(dǎo)析出等各種冶金過程,業(yè)已成為世界鋼鐵工業(yè)在突破極限,提高鋼鐵性能的主要目標(biāo)。因此,大量的熱軋物理和數(shù)值模擬被開發(fā)來預(yù)測鋼在熱機(jī)械加工過程中的組織和性能,以此來快速優(yōu)化生產(chǎn)過程中的各個(gè)工藝參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室尺度上物理模擬實(shí)際熱軋過程的最常用技術(shù)之一是熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。本文分析了不同牌號(hào)的鋼種模擬熱軋板帶軋制過程中的扭轉(zhuǎn),以確定變形對(duì)各種冶金現(xiàn)象產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明,高溫下的變形會(huì)引起動(dòng)態(tài)相變等異常冶金現(xiàn)象,這會(huì)影響鋼的最終組織和力學(xué)性能。這些新發(fā)現(xiàn)可用于精確控制熱軋后輥道上冷卻時(shí)鋼中相的體積分?jǐn)?shù)。

鋼的熱機(jī)械加工,比如熱軋,包括加熱鋼坯到奧氏體化溫度,然后通過一系列的碾壓塑性變形道次獲得最終的形狀。軋制變形溫度高于或低于非再結(jié)晶溫度(T_nr),這對(duì)鋼的最終組織和力學(xué)性能有重要影響。當(dāng)軋制溫度高于T_nr時(shí),達(dá)到臨界變形量時(shí)候就會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DRX)[1],再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而增大;但隨著應(yīng)變速率的增加,再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。過去的一些實(shí)驗(yàn)工作和數(shù)值模型用來預(yù)測鋼的高溫行為和合金元素的影響[2~ 4]。

最近,文獻(xiàn)中出現(xiàn)了有關(guān)在Ae3溫度以上奧氏體向鐵素體動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變(DT)的各種研究[5~17]。Yada和他的同事在20世紀(jì)80年代末首次發(fā)現(xiàn)了這種不尋常的冶金現(xiàn)象,在這項(xiàng)工作中,他們?cè)?span times="" new="">Ae3線以上166℃的溫度下進(jìn)行了熱壓縮和實(shí)驗(yàn)室軋制模擬,在20年的時(shí)間內(nèi),吸引了大量的研究人員廣泛研究這種不尋常的冶金行為,并確定了DT對(duì)工業(yè)熱軋操作中的影響[19~22]。已經(jīng)提出了幾種熱力學(xué)模型來解釋和預(yù)測動(dòng)態(tài)相變的發(fā)生。動(dòng)態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力可以是位錯(cuò)儲(chǔ)存能[23],外加應(yīng)力的機(jī)械激活[24],或者動(dòng)態(tài)相軟化產(chǎn)生的能量[6]。最近10年來這個(gè)主題得到很大的發(fā)展,其中包括參考文獻(xiàn)5的綜合性綜述論文。

本文綜述了近年來7種不同鋼種的高溫變形(與熱軋有關(guān))結(jié)果,并對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和驗(yàn)證?？偨Y(jié)了動(dòng)態(tài)相變對(duì)軋制過程流動(dòng)應(yīng)力行為的影響,并對(duì)動(dòng)態(tài)相變?cè)谲堉七^程中的意義進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

?材料

在過去的10年里,McGill大學(xué)的熱變形實(shí)驗(yàn)室研究了7種不同成分的鋼,如表1所示。給出了正交平衡(全平衡)和準(zhǔn)平衡的(亞穩(wěn)態(tài))Ae3溫度。正交平衡描述了在相變過程中代位元素和間隙原子都能分配的條件。另一方面,準(zhǔn)平衡態(tài)僅僅考慮間隙原子的分配,如碳的分配。這種差異是由于代位原子比間隙原子半徑要大的多,所以代位原子擴(kuò)散慢得多。

?表1  鋼的化學(xué)成分(wt.%)包括正交平衡和準(zhǔn)平衡的Ae3

上述材料為熱軋鋼板,厚度為12.5 mm,加工成直徑為φ6.3 mm、長度為22.2 mm的扭轉(zhuǎn)試件,所有的熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)都是在McGill大學(xué)中配備紅外輻射爐的MTS扭轉(zhuǎn)機(jī)中進(jìn)行的。變形溫度均高于正交平衡Ae3,分析了在此溫度下的軟化冶金現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)見參考文獻(xiàn)10、15、25和26。對(duì)于試樣1,使用Gleeble 3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了更全面的熱壓縮試驗(yàn)

?討論

?平均流動(dòng)壓力

在熱變形研究中,平均流動(dòng)應(yīng)力(MFS)是用應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積除以應(yīng)變量來測量的。MFS的值提供了高溫變形過程中各種軟化和硬化機(jī)制的發(fā)生,如應(yīng)變硬化、相變、沉淀析出和再結(jié)晶。7個(gè)不同合金試樣變形溫度和MFS之間的關(guān)系見圖1所示[10,15,25,26]。圖1a(試樣1)、1b(試樣2)、1c(試樣3)和1d(試樣4)曲線中的單個(gè)數(shù)據(jù)均來自獨(dú)立的熱扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)見參考文獻(xiàn)25。這四種材料在高于Ae3的溫度下顯示出明顯的軟化(見曲線的最小值)。動(dòng)態(tài)軟化發(fā)生在高于正交平衡Ae3溫度90℃(圖1d)。這種軟化與奧氏體向鐵素體的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變有關(guān)[5],這將會(huì)更詳細(xì)地討論。

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圖1  試樣1 (a)[25]、試樣2 (b)[25]、試樣3 (c)[25]和試樣4 (d)[25]的平均流動(dòng)應(yīng)力(MFS)隨溫度的變化關(guān)系。在這里,單個(gè)試樣在指定的溫度下進(jìn)行一個(gè)道次變形。并對(duì)熱軋過程進(jìn)行了多道次扭轉(zhuǎn)模擬。給出了試樣1 (e)[10],試樣5 (f)[10],試樣6 (g)[15]和試樣7 (h)[26]的MFS對(duì)溫度的依賴性。結(jié)果表明,在Ae3溫度以上出現(xiàn)了意想不到的動(dòng)態(tài)軟化

圖1e(試樣1)、圖1f(試樣5)、圖1g(試樣6)和圖1h(試樣7)采用了不同的實(shí)驗(yàn)方法。在這些實(shí)驗(yàn)中,每條曲線的單個(gè)數(shù)據(jù)取自一個(gè)具有不同溫度下多個(gè)變形的扭轉(zhuǎn)樣品。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)見參考文獻(xiàn)10、15和26。該方法模擬了實(shí)際的帶鋼和/或板帶軋制過程。因此,這些數(shù)字中的數(shù)據(jù)非常接近實(shí)際的制造過程。與圖1a-1d相似,軋制模擬結(jié)果顯示MFS低于預(yù)期值,這與變形過程中鐵素體的形成有關(guān)。在軋制模擬實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)了更高程度的軟化,因?yàn)樵谲堉频来沃g保留下來的加工硬化有所增加。有趣的是,對(duì)于試樣1,在單一奧氏體區(qū)域的任何溫度下都有軟化的痕跡[7],這似乎表明在Ae3以上的任何溫度下都有可能誘發(fā)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變,其程度主要取決于合金元素的數(shù)量和類型[6]。.一般來說,較高含量的鐵素體穩(wěn)定元素提供了一個(gè)較高的溫度范圍,在此可以發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變[6]。另一方面,鈮等微合金化元素的存在可以釘扎奧氏體晶界,延緩動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的發(fā)生。

?連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)換曲線分析

從流動(dòng)應(yīng)力曲線上觀察到的軟化現(xiàn)象是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)恢復(fù)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變共同作用的結(jié)果。到目前為止,還沒有方法來隔離單個(gè)的冶金影響因素;然而,對(duì)熱軋鋼的塑性變形行為,建模中需要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變DT。盡管上述試樣DT鐵素體的微觀結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)10、11、15、25、26中有所顯示,但冶金學(xué)界關(guān)注的一個(gè)問題是在淬火過程中可能會(huì)形成靜態(tài)鐵素體。上述所有熱變形實(shí)驗(yàn)均在1秒內(nèi)從高于Ae3的溫度淬火冷卻至室溫。為了驗(yàn)證文獻(xiàn)中觀察結(jié)果的有效性,使用JMatPro熱力學(xué)軟件計(jì)算了所有7種合金的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線,該軟件使用New Brunswick大學(xué)的合金設(shè)計(jì)和材料測試研究實(shí)驗(yàn)室(AD-MTRL)的通用鋼模塊。模擬的CCT曲線如圖2所示。可以認(rèn)為,試樣1(圖2a)、試樣2(圖2b)、試樣5(圖2e)和試樣6(圖2f)可能產(chǎn)生微量的靜態(tài)鐵素體相。然而,對(duì)于這些試樣,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化后的鐵素體體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)70%[`11]。因此,雖然靜態(tài)鐵素體可能存在,但從以前的工作中觀察到的大部分鐵素體是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變形成的。另一方面可以看出,試樣3(圖2c)、試樣4(圖2d)和試樣7(圖2g)很難形成靜態(tài)鐵素體,因此,這些試樣中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變DT的鐵素體的顯示的微觀結(jié)構(gòu)是相當(dāng)準(zhǔn)確的[25,26]。

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圖2  試樣1 (a)、試樣2 (b)、試樣3 (c)、試樣4 (d)、試樣5 (e)、試樣6 (f)、試樣7 (g)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線

為了進(jìn)一步分析具有形成靜態(tài)鐵素體能力的合金,采用JMatPro熱力學(xué)軟件計(jì)算淬火后的相的體積分?jǐn)?shù)。假設(shè)試樣在1秒內(nèi)從高于Ae3的溫度冷卻到室溫。試樣1(圖3a)、試樣2(圖3b)、試樣5(圖3c)、試樣6(圖3d)的仿真結(jié)果如圖3所示。試樣1、試樣2、試樣5和試樣6的靜態(tài)鐵素體體積分?jǐn)?shù)分別為3.48%、0.10%、0.14%和0.09%,這個(gè)量不足以干擾文獻(xiàn)中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變DT鐵素體的體積分?jǐn)?shù)[11,15,25]。

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圖3  試樣1 (a)、試樣2 (b)、試樣5 (c)和試樣6 (d)水淬后相的計(jì)算體積分?jǐn)?shù)。從高于Ae3的溫度到室溫的冷卻時(shí)間為1秒

雖然在此處提到的實(shí)驗(yàn)測量冷卻率是在1秒(或更少)的時(shí)間內(nèi)將高于Ae3溫度降低到室溫,使用兩秒中的冷卻時(shí)間,來推斷相的體積分?jǐn)?shù),是哪一個(gè)合金元素在水淬火期間最容易對(duì)靜態(tài)鐵素體起到作用。仿真結(jié)果如圖4所示,試樣1、試樣2、試樣5和試樣6的靜態(tài)鐵素體體積分?jǐn)?shù)分別為19.08%、0.50%、0.71%和0.38%。從這些數(shù)字可以看出,如果冷卻時(shí)間在2秒左右,試樣1的定量動(dòng)態(tài)相分?jǐn)?shù)分析可能不可靠。然而,需要注意的是,文獻(xiàn)中試樣1中有大量的DT鐵素體(約70%),這是使用Gleeble 3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的[7],其冷卻速率高達(dá)5000℃/秒,因此,可以很容易地避免靜態(tài)鐵素體的形成。

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圖4  試樣1 (a)、試樣2 (b)、試樣5 (c)和試樣6 (d)水淬后相的計(jì)算體積分?jǐn)?shù)。從高于Ae3的溫度到室溫的冷卻時(shí)間為2秒

?DT的工業(yè)意義

熱機(jī)械加工的最新進(jìn)展表明,在熱軋帶鋼和板材軋制過程中會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變DT現(xiàn)象。這種冶金現(xiàn)象影響了軋制道次之間形成的鐵素體和殘余鐵素體的體積分?jǐn)?shù)。鋼的動(dòng)態(tài)軟化(引起軋制負(fù)荷的降低)不僅是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和回復(fù)的結(jié)果,也可以歸因于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的發(fā)生。動(dòng)態(tài)相變也會(huì)導(dǎo)致通過軋機(jī)時(shí)秒流量的增加(由于密度的輕微增加)。此外,在終軋后的帶鋼運(yùn)行在輥道上或者加速冷卻鋼板時(shí)候,DT后碳分配到殘余奧氏體能夠造成不希望馬氏體組織的出現(xiàn)。

?結(jié)論

在本工作中,回顧和檢驗(yàn)了7種不同類型的鋼種在高溫變形過程中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變DT的證據(jù)。MFS值低于預(yù)期的原因是DRX、DRV和DT的組合作用,這些觀察被文獻(xiàn)中的微觀組織結(jié)構(gòu)所支持。進(jìn)行了熱力學(xué)模擬以驗(yàn)證發(fā)表在期刊上的結(jié)果?？磥泶蠖鄶?shù)鋼具有較低的傾向形成靜態(tài)鐵素體,因此,文獻(xiàn)中的對(duì)相的定量測量是準(zhǔn)確的。此外,試樣1在水淬過程中會(huì)形成不希望的靜態(tài)鐵素體;然而,在高達(dá)5000℃/秒的冷卻速率能夠得到理想的組織,避免了靜態(tài)鐵素體的形成。DT的發(fā)生可以改變最終相組分,因此,它可能會(huì)影響鋼材的整體力學(xué)性能。

?致謝

作者感謝加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會(huì)、加拿大創(chuàng)新基金會(huì)、New Brunswick創(chuàng)新基金會(huì)和Harrison McCain基金會(huì)提供的資金。

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作者

C. Aranas:Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, University ofNew Brunswick, Fredericton, N.B., Canada (clod.aranas@unb.ca)

S.F. Rodrigues:Federal Institute of Maranhao, Jardim Renascenca, SL, Brazil

C. Ghosh:Research and Development, Tata Steel Ltd., Jamshedpur, JH, India

F. Siciliano:Dynamic Systems Inc., Poestenkill, N.Y., USA

J.J. Jonas:(right) Professor Emeritus, McGill University, Montreal, Que., Canada (john.jonas@mcgill.ca)

唐杰民2020年12月在安徽黃山屯溪翻譯自美國《鋼鐵技術(shù)》2020年12月期刊,水平有限,不妥和錯(cuò)誤之處請(qǐng)給于指正。

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