加工奧氏體的再結(jié)晶

1、加工奧氏體的再結(jié)晶8  關(guān)子控制軋制·控制冷卻的基礎(chǔ)研究對(duì)于與控制軋制、控制冷卻(TMCP)以及與直接淬火“技術(shù)，有直接關(guān)系的主要機(jī)理等，從第4章到第7章已經(jīng)論述過了。這些幾乎都是隨需求應(yīng)運(yùn)而生的鋼鐵公司內(nèi)部所作的研究。從70年代開始，有關(guān)這些機(jī)理，出現(xiàn)了很多視野更廣的學(xué)院研究。以下試就與技術(shù)相關(guān)的、較深的、在大學(xué)和企業(yè)中所作的幾個(gè)基礎(chǔ)研究稍作論述。 81  加工奧氏體的再結(jié)晶由于奧氏體熱變形和由此帶來的再結(jié)晶變化是控制軋制·控制冷卻的基本機(jī)理，有關(guān)這方面的研究很多，但要在此涉及所有的研究是不可能的，因此具體的請(qǐng)參閱專門的介紹和技術(shù)資料等。有關(guān)這些課題，

2、在70年代后半期，日本國內(nèi)普遍對(duì)此關(guān)注，鋼鐵基礎(chǔ)共同研究會(huì)設(shè)置“高溫變形部門(19771982年)，開展了積極的產(chǎn)業(yè)界和官方、大學(xué)的共同研究，該活動(dòng)由日本鋼鐵協(xié)會(huì)的熱軋工藝冶金研究部門承辦，有關(guān)這些活動(dòng)發(fā)表了5份報(bào)告。并且于1981年在匹茲堡召開了國際“微合金化奧氏體的熱機(jī)械處理”的演講會(huì)，會(huì)上發(fā)表了眾多有意義的研究成果。811  熱變形、再結(jié)晶的研究手段對(duì)熱變形后的奧氏體再結(jié)晶的研究，大多數(shù)是通過軋制后急冷各狀態(tài)的奧氏體凍結(jié)組織，用添加了表面活性劑的腐蝕液顯現(xiàn)前奧氏體晶界進(jìn)行觀察的“直接法”來展開的。但是該方法不適用于淬火性低的鋼，并且不能正確捕捉動(dòng)態(tài)再結(jié)晶或迅速進(jìn)行的靜態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)

3、象。為此，引入了從中斷熱變形中的-曲線或變形的2級(jí)變形中的軟化度，間接地推動(dòng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶或靜態(tài)恢復(fù)過程(回復(fù)、再結(jié)晶)的研究手段。Rossard等開發(fā)了可在廣范圍的應(yīng)變速度和應(yīng)變量中，測定熱扭變形應(yīng)力的熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程下的變形應(yīng)力的研究，后來還將該方法應(yīng)用在了再結(jié)晶的模擬研究中。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)是可穩(wěn)定試驗(yàn)至大的應(yīng)變?yōu)橹梗绻菍?shí)心試樣，由于試樣斷面的應(yīng)變不均勻，因此在處理時(shí)要注意。另一方面開發(fā)了通過直接通電加熱試樣，進(jìn)行程序式的拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)，引進(jìn)了通過降低2段變形時(shí)的應(yīng)力研究恢復(fù)過程的方法，這是在給予第1級(jí)變形卸載，過一段時(shí)間后給予第2級(jí)變形，評(píng)價(jià)軟化度Xs的方法。式中，1

4、、m分別是第1級(jí)加工時(shí)的屈服應(yīng)力和變形中斷時(shí)應(yīng)變?yōu)闀r(shí)的變形應(yīng)力，是第2級(jí)加工時(shí)的屈服應(yīng)力。根據(jù)Xs的時(shí)間變化，可知道加工后的靜態(tài)回復(fù)過程(回復(fù)、再結(jié)晶)的變化情況。Diaic等進(jìn)而通過可精密控制的壓縮試驗(yàn)裝置研究變形后短時(shí)間進(jìn)行的回復(fù)過程。大內(nèi)等開發(fā)了可以從4x10-4/s到10/s的應(yīng)變速度進(jìn)行程序化的壓縮變形，且變形后在0.01s以內(nèi)可急冷試樣的裝置，利用該裝置可進(jìn)行精密的試驗(yàn)，以后將逐漸采用這樣的裝置。812  動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及其后的靜態(tài)再結(jié)晶對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶本身以及后來迅速發(fā)展的靜態(tài)恢復(fù)過程的研究，采用借助軋制的直接手段是很困難的，只有在采用上述的變形應(yīng)力或2級(jí)變形的手段后才變?yōu)榭赡?/p>

5、。有關(guān)這方面的研究，從70年代初就開始了，有關(guān)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的現(xiàn)象變得明朗。但是，對(duì)應(yīng)于大多數(shù)的研究是在10/s以上的軋制應(yīng)變速度，而是以10-410-1/s左右的低應(yīng)變速度進(jìn)行的，這對(duì)理解現(xiàn)象的本質(zhì)是有用的，但要注意它對(duì)軋制時(shí)的現(xiàn)象并不適用。Diaic等為了弄清熱軋道次間的再結(jié)晶變化，采用2級(jí)變形法的軟化度進(jìn)行了研究。他們以10-310-1的低應(yīng)變速度使0.14-0.68C的鋼變形。作為變形后的軟化過程，有被稱作：(1)靜態(tài)回復(fù)；(2)靜態(tài)(古典的)再結(jié)晶；(3)無核生成潛伏期的亞動(dòng)態(tài)(或后動(dòng)態(tài))的再結(jié)晶，因加工應(yīng)變量不同，軟化過程也不同(圖8-1，汪：根據(jù)Djaic等的結(jié)果，筆者作了調(diào)整)。如

6、果是在再結(jié)晶的臨界應(yīng)變量以下，則只進(jìn)行回復(fù)，進(jìn)而如果是在對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力的應(yīng)變(p)以下，則進(jìn)行回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶；如果超過p則進(jìn)行回復(fù)·亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶；如果變形至發(fā)展動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的正常應(yīng)力狀態(tài)，則進(jìn)行回復(fù)、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶中已經(jīng)生成了再結(jié)晶核，因此沒有必要生成新的晶核。對(duì)于這一說法，也有看法認(rèn)為所謂的亞動(dòng)態(tài)過程是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒在變形中斷后再繼續(xù)靜態(tài)再結(jié)晶，沒有必要進(jìn)行特殊的再結(jié)晶。有關(guān)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，有作井等作了研究，他們對(duì)0.16C-0.5Mn鋼，拉伸應(yīng)變速度為10-71/s(包括部分18/s在內(nèi))時(shí)的動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程，在得到很多變形條件下的-曲線的同時(shí)，將

7、共與變形中的組織作了對(duì)比。他們提示出如果是進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的高應(yīng)變區(qū)，再結(jié)晶粒徑(d)由初始最大應(yīng)力p(依賴于T，)來決定。式中，K、N是常數(shù)，N0.7。另外，他們還揭示出-曲線隨初期粒徑do和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶粒徑d之間的大小關(guān)系而顯示有特點(diǎn)的變化。即再結(jié)晶顆粒細(xì)化時(shí)(d<do)變?yōu)閱我环逯档那€；在顆粒粗大時(shí)(d>do)顯示出周期性的應(yīng)力振動(dòng)。在該研究發(fā)展的基礎(chǔ)上，酒井等幾位對(duì)-曲線的形狀認(rèn)為，假設(shè)d為穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶粒徑，則do/ds=2是決定究竟為單一峰值還是振動(dòng)型的臨界值。關(guān)于此類-曲線的特點(diǎn)，可作如下說明，結(jié)晶粒粗大時(shí)再結(jié)晶核少，由于再結(jié)晶的發(fā)展在各處是不均勻的，因此總體上來說是

8、變成單一峰值，而結(jié)晶粒細(xì)小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)晶核，由于再結(jié)晶及其后的加工硬化總體上是同步發(fā)展的，因此軟化、加工硬化成為反復(fù)振動(dòng)型。牧先生等幾位對(duì)從低碳鋼到高合金鋼的廣范圍的材料在10-310-1/s的應(yīng)變速度時(shí)的拉伸變形的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行了研究。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶粒徑(d)按Zener-Hollomon的參數(shù)(z)有以下關(guān)系，初期粒徑和正常應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變量不產(chǎn)生影響。式中，B、p是常數(shù)，每種材料取不同的值，P為0.30.4左右。因此，在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)下，越是高應(yīng)變速度和低溫變形，越是變成細(xì)晶粒。他們對(duì)合金元素的影響也作了調(diào)查，即使是在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)，鈮也會(huì)抑制再結(jié)晶，尤其是低溫側(cè)的再結(jié)晶。并且，大量添加C

9、r、Mn、Ni也有抑制效果。大內(nèi)等M)通過900-1200的溫度范圍，應(yīng)變速度為10-410/s的壓縮試驗(yàn)，研究了添加Nb的HSLA鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶源于p×0.8的應(yīng)變，始于晶界的局部“鼓凸”，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)的晶界顯示出不規(guī)則的形狀(圖8-2)。Nb在-曲線上，是提高和p(圖2-11)。高應(yīng)變速度范圍的的提高(抑制再結(jié)晶)與其說是Nb(CN)的動(dòng)態(tài)析出，還不如說是固溶Nb帶來的。在1000以上，在應(yīng)變速度為10-1/s、應(yīng)變量為0.7的條件下，雖進(jìn)行完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但在對(duì)應(yīng)實(shí)際軋制的應(yīng)變速度(10/s)和應(yīng)變量下，則不進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，事實(shí)上不把動(dòng)態(tài)再結(jié)晶視為問題也行。如果

10、使初期粒徑變細(xì)，則加工硬化區(qū)的會(huì)上升，但這并不影響動(dòng)態(tài)結(jié)晶粒徑，該粒徑完全由正常變形應(yīng)力決定。在對(duì)初期粒徑細(xì)化時(shí)，在。-曲線的正常變形部分，可看到的周期性波動(dòng)。對(duì)此，可按與酒井等相同的理由解釋為，因細(xì)粒組織的核發(fā)生頻率高，容易進(jìn)行再結(jié)晶。大內(nèi)等進(jìn)一步對(duì)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶奧氏體呈對(duì)比性的回復(fù)的鐵素體也作了研究。他們對(duì)鐵素體系的Fe-1.8Al合金鐵素體，在800l100的溫度下，進(jìn)行了與上面相同的壓縮試驗(yàn)，該材料在穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)下顯示出典型的動(dòng)態(tài)回復(fù)型-曲線，觀察到的組織是明顯的亞晶粒。亞晶粒的大小由Z或正常變形應(yīng)力決定，初期粒徑不產(chǎn)生影響。在變形到正常狀態(tài)后保持穩(wěn)定時(shí)的靜態(tài)恢復(fù)過程中，首先在靜態(tài)回復(fù)階

11、段發(fā)展亞晶粒的粗大化，該過程在初期晶界的3個(gè)重點(diǎn)生成靜態(tài)再結(jié)晶粒。新結(jié)晶粒的生成機(jī)理產(chǎn)生于亞晶粒的聚合體。有關(guān)鐵素體的理論有利于理解在2相區(qū)的軋制現(xiàn)象。813  軋制帶來的組織變化等問題工廠軋制的特點(diǎn)是高的應(yīng)變速度，每個(gè)道次的壓下率不太大，在這種情況下產(chǎn)生種種固有問題，但通過在實(shí)驗(yàn)室對(duì)軋制所作的基礎(chǔ)研究，可弄清原因，并設(shè)法確定解決措施。有關(guān)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的可能性，大內(nèi)等用14/s的應(yīng)變速度對(duì)Nb鋼進(jìn)行1個(gè)道次的軋制，3s后水冷，調(diào)查了奧氏體的再結(jié)晶狀態(tài)(圖2-13b)。該圖分成高溫、高應(yīng)變側(cè)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)和中溫靜態(tài)再結(jié)晶區(qū)，再結(jié)晶粒度，前者由加工溫度決定，后者由壓下量決定。另一方面

12、，從圖中可了解到由軋制應(yīng)變量發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，一般在工廠軋制中難以實(shí)現(xiàn)，并且他們還揭示出添加0.02左右的Ti，得到的TiN析出物對(duì)控制再結(jié)晶后晶粒成長極其有效，關(guān)根等對(duì)C-Mn鋼同樣地作了軋制一個(gè)道次后水冷1s的實(shí)驗(yàn)，調(diào)查了再結(jié)晶狀態(tài)(圖2-13a)，他們弄清楚了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶的邊界線(cd)和靜態(tài)再結(jié)晶的界線(cs)受初始奧氏體粒徑的影響，晶粒越細(xì)，這些邊界越向低溫側(cè)移動(dòng)，在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)任何一種情況下，都容易再結(jié)晶。此外，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶粒徑(d)，從實(shí)驗(yàn)角度用下式表示：根據(jù)以上見解，他們對(duì)過去不曾過多討論的粗軋階段中的靜態(tài)再結(jié)晶帶來的奧氏體晶粒細(xì)化的可能性提出了建議。Nb鋼的控制軋制經(jīng)常

13、產(chǎn)生混晶奧氏體組織，這些相變后的鐵素體+粗大貝氏體組織帶來韌性劣化的問題，田中等查明了產(chǎn)生這些混晶組織的原因，弄清楚了Nb鋼如果在促使再結(jié)晶發(fā)展的臨界應(yīng)變量以下進(jìn)行軋制，則奧氏體晶粒因應(yīng)變誘發(fā)晶界移動(dòng)而合成一體，四處散開，并迅速生成比初期粒徑還要巨大的晶粒。通過實(shí)驗(yàn)揭示出：一旦產(chǎn)生這樣巨大的晶粒，即使是通過后面的大壓下軋制也不能將其消除，而且在這樣的晶粒中，即使是進(jìn)行未再結(jié)晶區(qū)軋制，也難以導(dǎo)人變形段。取1150的軋制實(shí)例，即使反復(fù)進(jìn)行上述再結(jié)晶的臨界應(yīng)變以下的軋制，在到處都有變形·回復(fù)晶粒的巨大晶粒組織的狀態(tài)下，不發(fā)展再結(jié)晶，但是，如果反復(fù)進(jìn)行部分再結(jié)晶的10道次的軋制，則每個(gè)道次逐

14、次進(jìn)行再結(jié)晶，最終全面再結(jié)晶，但在這種情況下，后續(xù)道次產(chǎn)生的再結(jié)晶，在未再結(jié)晶奧氏體部發(fā)展，再結(jié)晶奧氏體部不會(huì)反復(fù)有選擇地再結(jié)晶。要防止產(chǎn)生混晶組織，需避免進(jìn)行臨界應(yīng)變量以下的軋制。對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶帶來的奧氏體晶粒細(xì)化，大內(nèi)等進(jìn)行了以下研究，壓下率相同，板厚越薄，輥徑越大，再結(jié)晶晶粒越細(xì)，考察了詳細(xì)的軋制條件和再結(jié)晶粒徑之間關(guān)系，即假設(shè)單位體積相當(dāng)?shù)脑俳Y(jié)晶核生成數(shù)與參與核生成的界面積(Sv=Sv()和有奧氏體加工的殘存能量之積成比例，對(duì)再結(jié)晶粒徑(d)，導(dǎo)出了(8-5)式，從實(shí)驗(yàn)方面證實(shí)了其成立，此處的殘存能量表示單位界面積的核生成能，即：式中，Km是變形阻抗，Q是壓下力函數(shù)，C是常數(shù)，輥徑或板厚

15、的影響通過Q作用。他們將上述軋制條件進(jìn)行最佳化，得到6m的細(xì)粒奧氏體。熱軋時(shí)的材料變形阻抗，一般認(rèn)為是由材料的化學(xué)成分、加工溫度、應(yīng)變量、應(yīng)變速度決定。但是，像控制軋制那樣的軋制道次的加工硬化，在到下一個(gè)道次期間不軟化時(shí)，情況就不同了，需要考慮殘留應(yīng)變的影響。大內(nèi)等認(rèn)為一般情況下，第i道次的實(shí)效軋制應(yīng)變i，是第i道次的軋制應(yīng)變i和在此以前的各道次殘留應(yīng)變i之和，并進(jìn)一步對(duì)殘留應(yīng)變系數(shù)i作了定義：他們根據(jù)3段壓縮試驗(yàn)的結(jié)果決定i，基于此再根據(jù)有效應(yīng)變計(jì)算軋制荷載，用實(shí)際的厚板軋制確認(rèn)了它的成立。與Nb鋼的控制軋制其最終階段的道次壓下應(yīng)變?yōu)?.10相對(duì)，實(shí)效應(yīng)變?cè)诟鞯来芜_(dá)到0.50，軋制荷載表現(xiàn)出

16、大幅度的增加。814  微量添加元素和奧氏體再結(jié)晶的相互作用眾所周知，Nb、Ti等微量添加元素會(huì)抑制加工后的奧氏體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)再結(jié)晶，其抑制機(jī)理對(duì)工業(yè)非常重要的靜態(tài)再結(jié)晶，在80年代初，基本上已了解，下面對(duì)這方面的情況進(jìn)行闡述。Nb鋼加熱到1250，在950時(shí)進(jìn)行50的1個(gè)道次的軋制(應(yīng)變速度2.6/s)，保持到950-800再急冷，通過再結(jié)晶體積百分率和抽樣復(fù)制，測量了Nb(CN)的析出量。其結(jié)果，盡管Nb所起的抑制效果中也有固溶Nb的緣故，但Nb(CN)的析出帶來的效果要大得多。抑制效果可從核生成潛伏時(shí)間的增加和再結(jié)晶速度降低這兩方面看到。加工奧氏體中的應(yīng)變誘發(fā)析出分兩階段進(jìn)行。

17、第1階段是向奧氏體晶界和變形帶析出，第2階段是在未再結(jié)晶粒內(nèi)的下部組織析出，這些析出物通過“針狀阻止效果”而表現(xiàn)出抑制效果。再結(jié)晶因高溫而迅速發(fā)展時(shí)，與再結(jié)晶粒中Nb(CN)沒有加工時(shí)一樣，在長時(shí)間段析出。再結(jié)晶和析出是相互作用的現(xiàn)象，加工奧氏體的下部組織會(huì)促進(jìn)析出，這些析出物又抑制再結(jié)晶。為了說明這樣的相互作用效果，他們提出了RPTT(再結(jié)晶/析出/溫度/時(shí)間)線圖的建議。Luton等為明確固溶Nb、析出Nb的效果，使用0.05C-0.054Nb鋼，并對(duì)其作濕氫處理，將C、N的濃度定為0.001(無間隙，IF)鋼以及0.055C鋼，通過2段壓縮變形法研究了靜態(tài)再結(jié)晶。加熱到1150后，以應(yīng)變

18、速度10-2/s、10-1/s和9001000的溫度加工并保持，其結(jié)果歸納為：首先，如果是IP鋼，固溶Nb以1.5位數(shù)的數(shù)量級(jí)抑制再結(jié)晶，這是由于晶界移動(dòng)活性化能上升的緣故。但是，如果是Nb(CN)析出的鋼，在900、950的加工期間或加工后有20m左右大小的Nb(CN)析出，靜態(tài)回復(fù)·再結(jié)晶中的任何一個(gè)都受到抑制。Nb(CN)體積百分率如果在0.02以上，則靜態(tài)再結(jié)晶完全停止?？刂栖堉圃趯?shí)用中，通過添加微量元素阻止再結(jié)晶溫度是決定軋制條件的重要因素。Cuddy對(duì)各種微量添加元素對(duì)阻止再結(jié)晶溫度帶來的影響作了調(diào)查。他將基本成分定為0.07C-1.4Mn，使各元素固溶，按每道次10-17給予5個(gè)道次的軋制加工，在10-18s后水冷，調(diào)查奧氏體組織得到圖2-18的結(jié)果。每克原于的抑制效果按VAlTiNb的順序越來越大。作為抑止機(jī)理，一般認(rèn)為是析出物帶來的晶界或亞晶界“針狀阻止效果”。山本等以0.006C濕氫處理后，得到了0.002以下的C和0.02O.04C，并以此為基本成分，用來對(duì)其添加了Nb、Ti、V的鋼，通過10-410/s的應(yīng)變速度的2段壓縮變形研究了靜態(tài)恢復(fù)過程。例如，對(duì)Nb系中C的影響，將得到圖8-3那樣的結(jié)果。對(duì)于Ti、V也得到了類似結(jié)果。處于固溶狀態(tài)的這些元素會(huì)抑制加工奧氏體的