低碳鋼q2-35熱變形超細晶組織的研究

低碳鋼q2-35熱變形超細晶組織的研究

1試驗研究的領域20世紀70年代開發(fā)的微合金化理論、控屑和冷卻技術可以將微鋼板和帶的鐵素體顆粒細分到5.m，屈服強度可以增加到大約200mpa的范圍。近十幾年來,開展了獲得超細晶組織的研究,有效地提高鋼的強度和韌性。其中以普通C-Mn鋼獲得超細晶的工藝機制為研究工作重點,獲得了2~3μm的超細晶鐵素體,屈服強度大于400MPa。日本住友工業(yè)公司軋制出成分為0.1%C-1.7%Mn-0.03%Nb,晶粒尺寸為5.5μm,直徑為32mm的優(yōu)質棒鋼?？刂凭垯C溫度為725℃,圓棒軋材屈服強度為454MPa。未來鋼鐵材料研究發(fā)展方向是以高純潔度、高均勻度和超細晶為主要目標,以節(jié)省資源、降低成本和可回收利用為研究的基本原則。本文通過研究普通低碳鋼(Q235類型)長型材獲得微米級細晶組織的工藝技術和物理冶金原理,采用細化組織方法將低碳鋼屈服強度提高到400MPa級,以適應建筑等行業(yè)對提高強度降低成本的發(fā)展需求。其首要目標是在新的理論研究的基礎上,研究細化晶粒到4~5μm,控制組織為F+P+(B)的軋鋼控制新工藝。2實驗研究中的問題通過對普通碳素鋼Q235(鋼的成分見表1)在Gleeble-2000熱變形模擬試驗機上進行臨界奧氏體溫區(qū)Ae3-Ar3附近,單道次和多道次變形模擬實驗,探討研究得到超細晶組織物理冶金原理及相應的工藝制度。由于試驗條件限制,首先將實驗結果應用到工廠的橫列式軋機上進行軋制實驗,經(jīng)檢測,利用該工藝方案可以軋出屈服強度400MPa以上的?φ12mm的螺紋鋼筋。實驗測得碳素鋼Q235的相應參數(shù)如下:在10℃/s冷卻條件下Ar3~780℃,PS~700℃(珠光體開始共析點溫度),經(jīng)熱力學軟件Thermo-calc計算Ae3~840℃。連鑄坯經(jīng)鍛造和900℃×2h正火后加工成?φ10×12mm試樣,用于變形模擬實驗。3試驗結果與討論3.1變形溫度和變形量對顯微尺寸的影響選定850~1150℃區(qū)間,研究形變參數(shù)對奧氏體的影響。熱變形模擬實驗結果如下:(1)加熱溫度對奧氏體晶粒度的影響見圖1。試驗用Q235鋼在空氣爐加熱條件下,奧氏體晶粒在850~950℃溫度范圍內(nèi)迅速長大,且對均溫時間比較敏感。當溫度從950℃升至1150℃時,晶粒長大傾向明顯減小,晶粒尺寸趨于均勻。(2)不同變形工藝下,奧氏體晶粒尺寸隨變形溫度下降而減小(圖2)。當?shù)来巫冃瘟繛?0%時,4道次變形,變形溫度相同,道次間隔時間短時,得到的奧氏體晶粒細小,且相同變形溫度范圍內(nèi),奧氏體晶粒尺寸變化幅度小,即溫度的影響較小。道次間隔時間短有利于奧氏體晶粒細化。變形量對奧氏體晶粒尺寸的影響:相同溫度下,變形量大,奧氏體晶粒尺寸減小。連續(xù)變形條件下,奧氏體的最小晶粒尺寸可達10μm。3.2單道次變形誘導鐵素體的制備試驗試驗結果表明,對于普通碳素鋼采用傳統(tǒng)的控軋控冷工藝很難細化奧氏體晶粒,以達到細化鐵素體晶粒為4~5μm的目的,需要研究全新軋制工藝。為此對不同的變形溫度、變形量、變形速率、以及變形后的冷卻速率進行了大范圍的實驗研究,結果如下:(1)形變溫度區(qū)間:B.Mintz等人提出Ae3~Ar3-20℃范圍內(nèi)均可誘導析出鐵素體。Yada等認為Ae3~Ar3溫度區(qū)間內(nèi)通過大變形可以獲得等軸均勻的超細晶鐵素體。本試驗選擇變形溫度為Ae3溫度區(qū)、Ae3~Ar3溫度區(qū)間、Ar3~PS(珠光體共析點起始溫度)溫度區(qū)間、PS四個溫度區(qū)間,在Gleebl-2000上進行模擬試驗。試驗參數(shù)為:900℃保溫2min,10℃/s冷卻到變形溫度,一道次80%變形和兩道次50%+50%變形,變形速率30s-1,變形結束后立即水淬。結果表明:在Ae3+30℃~Ar3-30℃區(qū)間內(nèi)大變形均可以獲得等軸均勻誘導析出鐵素體(圖3(a)),可以推論誘導析出的鐵素體溫度比Ae3+30℃還高。低于共析溫度形變,會出現(xiàn)變形的鐵素體和變形珠光體的特征組織,并且會導致微觀組織具有條帶狀(圖3(c)),在PS~PS+50℃變形,部分鐵素體具有形變帶,形變誘導鐵素體會出現(xiàn)變形奧氏體的遺傳特征,呈現(xiàn)胞狀組織(圖3(b))。一道次和兩道次變形具有共同的規(guī)律。變形量達80%時,在870~760℃獲得尺寸數(shù)量相同的超細鐵素體(約2μm),因此大變形條件下鐵素體晶粒尺寸和數(shù)量受溫度的影響小(圖4(a))。(2)變形速率的影響:形變速率提高,將會提高誘導鐵素體所需的形變量。試驗選擇形變速率范圍30~350s-1,一道次,80%變形量,變形溫度870℃(圖4(b))。結果表明:隨著變形速率的提高鐵素體的含量(體積百分比)下降,鐵素體的形貌由均勻等軸變?yōu)獒槧?、塊型、非等軸形貌等復合形貌,表明誘導析出鐵素體發(fā)生動態(tài)再結晶的過程逐漸減弱,表現(xiàn)出了誘導鐵素體和其再結晶的動態(tài)變化過程。同時表明,形變速率的提高,相當于相對減小變形量,不利于鐵素體的誘導析出量和晶粒的均勻化。(3)變形量和應力:試驗結果表明,通過形變誘導鐵素體獲得超細晶組織隨變形量的變化而發(fā)生變化。因此,獲得等軸均勻的鐵素體細晶組織必須要大于相應的臨界變形量。圖5為830℃單道次不同變形量的應力應變曲線。當應變值在0.4附近,應力達到峰值,而小于0.4的應變量變形時,曲線一直沒有峰值出現(xiàn)。在870~760℃,單道次80%變形和兩道次50%+50%變形的應力應變曲線具有以上共同規(guī)律。對于長型材孔型軋制,研究多道次累積變形對形變誘導鐵素體的影響尤為重要。MatsumuraY.的實驗表明,當變形道次間隔時間小于2s時,多道次的累積變形和一道次變形獲得超細晶鐵素體的效果相同。本研究結果表明:不同的道次間隔時間,影響材料組織成分,晶粒尺寸也不盡相同。變形量的不同,誘導鐵素體的含量和晶粒尺寸將會不同(圖4(a)),變形量的增加,會增加鐵素體的含量和減小尺寸,同時誘導鐵素體的形貌也會發(fā)生變化,小于0.4變形量時將不發(fā)生鐵素體動態(tài)再結晶。圖6為80%和40%變形的微觀組織的對比,80%變形可獲得等軸均勻的微觀組織,而40%變形出現(xiàn)的組織是非均勻的。Hodgson的研究結果表明形變誘導鐵素體不易控制均勻組織成分和鐵素體含量。因此,利用形變誘導鐵素體機制獲得超細晶組織,將需要嚴格的工藝制度。3.3試驗控冷和冷卻速度對晶粒尺寸的影響由于碳素鋼Q235沒有微合金元素的合金析出粒子的晶界釘扎作用,誘導出的超細晶鐵素體非常容易長大。軋后的控冷成為控制晶粒尺寸的有效方法。試驗參數(shù):以10℃/s冷到變形溫度,壓縮變形ε=34%,形變速率10s-1,變形后以不同冷速冷卻。結果見表2,選擇適當冷卻速度可以控制晶粒尺寸(約5μm)和組織成分,獲得良好強度性能。表中σs、σb、ψ分別為屈服強度、抗拉強度和斷面收縮率。3.4工藝路線及效果基于實驗室研究結果,提出了臨界奧氏體控軋的工藝方案,即在Ae3~Ar3奧氏體亞穩(wěn)溫區(qū)附近進行控軋的工藝方案,并且在唐山鋼鐵公司橫列式軋機上進行了400MPa級碳素鋼鋼筋軋制試驗。通過降低開軋溫度方法實現(xiàn)低溫軋制和控制終軋溫度的方案,并且采取軋后水冷+空冷的方法控制晶粒度,實現(xiàn)了既定的工藝路線。采取遠紅外線測溫儀多點測試方法對溫度測試和對溫度的控制。結果獲得了400MPa級性能良好的?φ12mm碳素鋼螺紋鋼筋,鋼筋的前段、中間段、后段性能一致。圖7表明了不同工藝條件下軋制鋼筋的不同晶粒尺寸與屈服強度的關系,表明利用該工藝,通過細晶的獲得,可以提高鋼筋強度。同樣工藝在兩相區(qū)軋制,也可以獲得超細晶組織,但是對溫度區(qū)間需嚴格控制。用該工藝方案軋制20MnSi,可使其屈服強度提高到700MPa以上。圖8為軋制的400MPa碳素鋼筋外表及其微觀組織照片。目前正著手在連續(xù)式棒線材軋機上利用該工藝技術進行試驗研究。4ae3ar3周邊的大變形反應(1)在孔型軋制條件下,在Ae3~Ar3附近,大的