Fe-C-Si-Mn-V钢的显微组织及热变形行为研究

刘成宝，许宝玉，朱京军，易红亮

（莱芜钢铁集团有限公司 技术研发中心，山东 莱芜 271104）

1 前言

随着低成本、节能、轻量化的发展要求，低合金高强度钢的研究日益受到重视。在钢中添加钒元素进行微合金化，实现细晶强化和沉淀强化，提高钢材的强度［1］，并且主要通过热机械控制轧制（TMCP）［2］控制晶粒尺寸和碳氮化钒的析出。TMCP主要依靠附加超快冷或在线热处理等设备实现。对于型钢等产品，受制于产品规格、形状及设备等原因，很难实现均匀的TMCP。因此，开发无须TMCP工艺、常规空冷过程就能够晶粒细化和沉淀强化的钢具有一定的意义。另外，通常在钢中加入的钒元素质量分数＜0.1%，而且多是针对低碳含量钢进行微合金化［3］，对碳含量和微合金化元素较高的研究较少。本研究分析质量分数为0.26%C、0.3%V的Fe-C-Si-Mn-V钢，研究其组织与性能，以期为适合常规空冷工艺的含钒钢的研发提供一定参考。

2 试验方法

试验钢采用真空感应炉熔炼，浇注成30kg钢锭。试验钢的化学成分（质量分数）：0.26%C、0.8%Si、1.2%Mn、0.3%V、0.03%Al、0.06%Ti，其余为Fe和杂质。钢锭在1200℃加热后，经空气锤锻造成若干根100mm×60mm的锻件。锻件在1200℃加热2 h后，在Φ450mm的轧机上轧制，开轧温度1100℃，终轧温度900℃，轧制7道次成10mm厚的板材，随后在空气中冷却。钢板取样后，在WDW-300E微机控制电子式万能试验机上按照GB/T 228—2010标准进行拉伸性能测试。利用SUPRATM55热场发射扫描电子显微镜和光学电镜对微观组织进行观察。

压缩试验在Gleeble-1500试验机上进行，热模拟试样为Φ8mm×12mm的圆柱体。试验时，试样以20℃/s快速升温到1250℃，保温30 s，以10℃/s冷速冷却到变形温度，保温2min进行变形，以一定的变形速率进行压缩，变形量为80%。采用了4个变形温度，分别为1050、1000、950和900 ℃，采用的3个变形速率为0.1、1和10 s-1。试样变形后立即喷水冷却，以保留原有高温变形组织。

3 试验结果及分析

3.1 显微组织及拉伸性能

试验钢的显微组织如图1所示，主要为铁素体+珠光体，含有少量的马氏体。其中珠光体组织的含量约为25%。在微合金化钢轧制后的冷却过程中，钒元素超过其固溶度，以碳化物的形式析出［4］，但由于试验钢中碳含量和钒含量较高，碳化物尺寸较大。图2显示钢中存在着尺寸约为0.3μm的碳化物，部分碳化物分布在晶界处。试验钢的拉伸性能为：屈服强度823MPa，抗拉强度1011MPa，伸长率为8.5%。从图3a中的拉伸断口形貌可以看出，试样断裂的方式为解理断裂。碳化物与基体的界面在拉伸过程中容易开裂，从图3b断口的进一步放大可以看到粗大的碳化物，较为粗大的或者沿晶界分布的碳化物应是伸长率较低的原因。

3.2 单道次压缩曲线

图4a、b、c分别是试验钢在变形速率为0.1 s-1、1 s-1和10 s-1时的热压缩曲线，在变形速率相同时，随着变形温度的增加，变形抗力逐渐降低。根据Poliak和Jonas的理论［5］，当应力—应变曲线的加工硬化率为0时，达到了峰值应力（σP），此时的应变为峰值应变（εP），试验钢的峰值应变和峰值应力如表1所示。从表1中可以看出，相同温度时，应变速率增加，材料的变形抗力增加。

图1 试验钢的金相组织

图2 试验钢碳化物扫描电镜形貌

图3 试验钢试样拉伸断口形貌

图4 试验钢不同变形速率的真应力－真应变曲线

表1 不同条件下试验钢的峰值应变和峰值应力

3.3 热模拟分析

金属的热变形过程通常用概括变形温度和应变速率的参数来描述，即Zener-Hollomon参数［6-7］：

同时Z与峰值温度之间的关系式为：

式（1）和式（2）中：Qd为激活能，J/mol；R为气体常数，8.314 J/（mol·K）；T为绝对温度，K；A、n为材料的常数；α值为0.012～0.013MPa-1，取0.012MPa-1。由式（1）和式（2）可以得到：

对于式（3），当温度一定时，对lnε·求导数，存在如下关系：

在变形温度相同的条件下，ln sinh（ασP）与lnε之间满足线形关系（见图5），其斜率的倒数即为n。900、950、1000和1050 ℃的n值分别为3.9、4.6、5.5和8.0，其平均值为5.5。

对于（3）式，当变形速率一定时，对（1/T）求导数，Qd与（1/T）的关系为：

图5 ln sinh（ασP）与lnε的关系

其中b为直线斜率。从ln sinh（ασP）和温度的关系（见图6）可求出0.1、1和10 s-13个变形速率下的斜率分别为6614、8205和12823，其平均值为9507。当n＝5.5时，代入式（5），可求得变形奥氏体动态再结晶的名义激活能为435 kJ/mol。

图6 ln sinh（ασP）和温度的关系

分别计算y=ε·exp(-Qd/RT)和x=Z/A=［sinh(ασP)］n，利用y作纵坐标、x为横坐标，做出图7，直线的斜率即为A值，求得A=9.6×1014。将Qd、n、和A代入式（3），可以得到峰值应力、应变速率和变形温度之间的关系为：

4 结论

4.1 试验钢的屈服强度为823MPa，抗拉强度1011MPa，伸长率8.5%。较为粗大的或者沿晶界分布的碳化物应是伸长率较低的原因。

4.2 质量分数为0.26%C、0.3%V的Fe-C-Si-Mn-

图7 y与x之间的关系

V钢峰值应力、应变速率和变形温度间的关系为：

［1］ 瞿小平，刘天模.钒微合金化钢工艺优化探讨［J］.材料导报，2007，21（5A）：479-481.

［2］ Funakawa Y,Shiozaki T,Tomita K,et al.Development of high strength hot-rolled sheet steel consisting of ferrite and nanometer-sized carbides［J］.ISIJInternational,2004,44:1945.

［3］ 曹萌之，付俊岩.中国含钒低、微合金化钢的开发与前景［J］.钢铁钒钛，2000，21（9）：1-11.

［4］ 斯坦尼什洛·扎维克.含钒钢的沉淀和晶粒细化［J］.钢铁钒钛，2002，23（1）：35-48.

［5］ Poliak E.I.,Jonas J.J..A one-parameter approach to determining the critical conditions for the initiation ofdynamic recrystallization［J］.Actamater,1996,44（1）:127-136.

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［7］ 叶健松，徐祖耀.35CrMo钢动态再结晶的试验研究与数值模拟［J］.轧钢，2004，21（5）：23-27.