热轧过程中热机械控制对钢材性能的影响及动态相变研究

摘要

过去几十年，热轧过程中的热机械控制轧制在提高钢材机械性能方面起到重要作用。精确控制再结晶等各种冶金过程，已经成为世界钢铁工业突破极限、提高钢铁性能的主要目标。精确控制相变等各种冶金过程，已经成为世界钢铁工业突破极限、提高钢铁性能的主要目标。精确控制应变诱导析出等各种冶金过程，已经成为世界钢铁工业突破极限、提高钢铁性能的主要目标。因此，开发了大量的热轧物理模拟和数值模拟，用于预测钢在热机械加工过程中的组织和性能，目的是快速优化生产过程中的各个工艺参数。在实验室尺度下，热扭转试验是模拟实际热轧过程最常用的技术之一。本文分析了不同牌号钢种在模拟热轧板带轧制过程中的扭转情况，以确定变形对各种冶金现象产生的影响。结果表明，高温下的变形会引发动态相变等异常的冶金现象。这些异常冶金现象会对钢的最终组织和力学性能产生影响。这些新的发现能够被用于在热轧后辊道上冷却时，精确地控制钢中相的体积分数。

钢的热机械加工，像热轧这样的方式，包含将钢坯加热到奥氏体化温度这一过程。接着，通过一系列的碾压塑性变形道次，从而获得最终的形状。轧制变形的温度，要么高于非再结晶温度(Tnr)，要么低于非再结晶温度(Tnr)，这种温度情况对钢的最终组织以及力学性能会产生重要的影响。当轧制温度高于 Tnr 时，若达到临界变形量，就会出现动态再结晶(DRX)[1]。此时，再结晶晶粒的体积分数会随着温度的升高而变大；然而，随着应变速率的增加，再结晶晶粒的体积分数会逐渐变小。以往的一些实验工作以及数值模型被用于预测钢的高温行为和合金元素的影响[2~4]。

最近，文献中出现了关于在 Ae3 温度之上奥氏体向铁素体进行动态转变（DT）的各类研究。这些研究涵盖了 5 到 17 的范围。Yada 及其同事在 20 世纪 80 年代末首次察觉到这种不同寻常的冶金现象。在这项工作中，他们在高于 Ae3 线 166℃的温度下进行了热压缩以及实验室轧制模拟。在 20 年的时间跨度里，吸引了众多研究人员对这种不同寻常的冶金行为展开广泛研究，并确定了 DT 对工业热轧操作所产生的影响[19~22]。已经有几种热力学模型被提出，用于解释和预测动态相变的发生。动态相变的驱动力可能是位错储存能，如[23]所提及；也可能是外加应力的机械激活，像[24]中所讲；还可能是动态相软化产生的能量，如同[6]所表明。在最近 10 年里，这个主题取得了很大的发展，其中包含参考文献 5 的综合性综述论文。

本文综述了近年来 7 种不同钢种高温变形（与热轧相关）的结果。对这些结果进行了检验和验证。总结了动态相变对轧制过程流动应力行为的影响。对动态相变在轧制过程中的意义进行了评价。

材料

在过去的 10 年中，McGill 大学的热变形实验室对 7 种不同成分的钢进行了研究，其情况如表 1 所示。给出了正交平衡（全平衡）以及准平衡的（亚稳态）Ae3 温度。正交平衡阐述了在相变过程中，代位元素和间隙原子都能够进行分配的这种条件。而另一方面，准平衡态仅仅将间隙原子的分配纳入考虑，例如碳的分配。代位原子比间隙原子半径大得多，所以导致了这种差异，进而使得代位原子扩散慢得多。

表1 钢的化学成分(wt.%)包括正交平衡和准平衡的Ae3

上述材料是厚度为 12.5mm 的热轧钢板，将其加工成了直径为φ6.3mm、长度为 22.2mm 的扭转试件。所有的热扭转试验是在 McGill 大学中，于配备红外辐射炉的 MTS 扭转机里进行的。变形温度都比正交平衡 Ae3 要高，对在此温度下的软化冶金现象进行了分析。实验细节可参考参考文献 10、15、25 和 26。试样 1 使用了 Gleeble 3800 热模拟实验机进行热压缩试验，且该试验更为全面。

讨论平均流动压力

在热变形的研究范畴里，平均流动应力（MFS）是通过用应力 - 应变曲线下方的面积除以应变量的方式来进行测量的。MFS 的值能够体现出在高温变形过程中各种软化和硬化机制的发生情况，像应变硬化、相变、沉淀析出以及再结晶等。从图 1 可以看出 7 个不同合金试样的变形温度与 MFS 之间的关系[10,15,25,26]。图 1a（试样 1）的曲线中的单个数据来自独立的热扭转实验，图 1b（试样 2）的曲线中的单个数据来自独立的热扭转实验，图 1c（试样 3）的曲线中的单个数据来自独立的热扭转实验，图 1d（试样 4）的曲线中的单个数据来自独立的热扭转实验。这些实验的细节在参考文献 25 中可见。这四种材料在高于 Ae3 的温度下有明显的软化，可从曲线的最小值看出。动态软化在高于正交平衡 Ae3 温度 90℃时发生，如图 1d 所示。这种软化与奥氏体向铁素体的动态转变存在关联。[5] 这一情况将会被更详细地进行讨论。

图 1 中，试样 1 (a)[25]、试样 2 (b)[25]、试样 3 (c)[25]以及试样 4 (d)[25]的平均流动应力（MFS）会随着温度发生变化。单个试样是在指定温度下进行一个道次的变形。同时，对热轧过程进行了多道次的扭转模拟。给出了试样 1（e）以及其在[10]条件下的情况，试样 5（f）及在[10]条件下的情况，试样 6（g）及在[15]条件下的情况，还有试样 7（h）及在[26]条件下的情况的 MFS 对温度的依赖性。结果显示，在 Ae3 温度之上出现了未曾预料到的动态软化。

图 1e（试样 1）采用了不同的实验方法，其每条曲线的单个数据取自一个具有不同温度下多个变形的扭转样品；图 1f（试样 5）也采用了不同的实验方法，其每条曲线的单个数据同样取自一个具有不同温度下多个变形的扭转样品；图 1g（试样 6）采用的实验方法不同，其每条曲线的单个数据取自一个具有不同温度下多个变形的扭转样品；图 1h（试样 7）采用的实验方法不同，其每条曲线的单个数据取自一个具有不同温度下多个变形的扭转样品。这些实验的实验细节见参考文献 10、15 和 26。该方法模拟了实际的带钢和/或板带轧制过程。所以，这些数字中的数据非常接近实际的制造过程。轧制模拟结果显示 MFS 低于预期值，这与图 1a - 1d 相似，且与变形过程中铁素体的形成有关。在轧制模拟实验中，发现了更高程度的软化，原因是在轧制道次之间保留下来的加工硬化有所增加。有趣的是，对于试样 1 而言，在单一奥氏体区域的各个温度下都能看到软化的迹象[7]。这似乎意味着在 Ae3 以上的任何温度下都有诱发动态转变的可能性，其转变的程度主要由合金元素的数量和类型来决定[6]。一般来讲，铁素体稳定元素含量较高的话，就会提供一个较高的温度范围，在这个范围内可以发生动态转变[6]。一方面，铌等微合金化元素是存在的。这些元素能够钉扎奥氏体晶界。并且，它们还可以延缓动态转变的发生。

连续冷却转换曲线分析

从流动应力曲线上观察到存在软化现象，这种软化现象是动态再结晶、动态恢复和动态转变共同作用所导致的结果。到现在为止，尚未有方法能够将单个的冶金影响因素隔离开来；然而，对于热轧钢的塑性变形行为，在建模过程中需要把动态转变 DT 考虑进去。文献 10、11、15、25、26 中显示了上述试样 DT 铁素体的微观结构，但冶金学界关注的一个问题是在淬火过程中可能会形成静态铁素体。上述所有热变形实验都是在 1 秒内从高于 Ae3 的温度淬火冷却至室温的。为了验证文献中观察结果的有效性，我们使用了 JMatPro 热力学软件来计算所有 7 种合金的连续冷却转变（CCT）曲线。该软件采用了 New Brunswick 大学的合金设计和材料测试研究实验室（AD-MTRL）的通用钢模块。模拟得到的 CCT 曲线如图 2 所示。认为试样 1（图 2a）可能产生微量静态铁素体相，试样 2（图 2b）可能产生微量静态铁素体相，试样 5（图 2e）可能产生微量静态铁素体相，试样 6（图 2f）可能产生微量静态铁素体相。然而，对于这些试样，动态转化后的铁素体体积分数能高达 70%[`11]。所以，尽管静态铁素体或许存在，但从前的工作中观察到的大部分铁素体是通过动态转变形成的。所以，这些试样中动态转变 DT 的铁素体所显示的微观结构是相当准确的[25,26]。

图 2 中，试样 1 的连续冷却转变（CCT）曲线为（a）；试样 2 的连续冷却转变（CCT）曲线为（b）；试样 3 的连续冷却转变（CCT）曲线为（c）；试样 4 的连续冷却转变（CCT）曲线为（d）；试样 5 的连续冷却转变（CCT）曲线为（e）；试样 6 的连续冷却转变（CCT）曲线为（f）；试样 7 的连续冷却转变（CCT）曲线为（g）。

为了进一步对具有形成静态铁素体能力的合金进行分析，使用 JMatPro 热力学软件来计算淬火后的相的体积分数。假定试样能够在 1 秒内从高于 Ae3 的温度冷却至室温。试样 1 的仿真结果如图 3a 所示，试样 2 的仿真结果如图 3b 所示，试样 5 的仿真结果如图 3c 所示，试样 6 的仿真结果如图 3d 所示。试样 1 的静态铁素体体积分数是 3.48%，试样 2 的静态铁素体体积分数是 0.10%，试样 5 的静态铁素体体积分数是 0.14%，试样 6 的静态铁素体体积分数是 0.09%，这些量都不足以干扰文献中动态转变 DT 铁素体的体积分数[11,15,25]。

图 3 中，试样 1 水淬后相的计算体积分数为(a)；试样 2 水淬后相的计算体积分数为(b)；试样 5 水淬后相的计算体积分数为(c)；试样 6 水淬后相的计算体积分数为(d)。从高于 Ae3 的温度冷却至室温，所用时间为 1 秒。

在此处提到的实验测量的冷却率是在 1 秒（或更少）时间内把高于 Ae3 温度降至室温。使用两秒的冷却时间来推断相的体积分数，就是要确定在水淬火期间哪一个合金元素最容易对静态铁素体起作用。仿真结果呈现于图 4 。试样 1 的静态铁素体体积分数是 19.08% ，试样 2 的是 0.50% ，试样 5 的是 0.71% ，试样 6 的是 0.38% 。从这些数字能够得知，倘若冷却时间约为 2 秒，那么试样 1 的定量动态相分数分析或许就不可靠了。然而，需要注意的是，文献中的试样 1 含有大量的 DT 铁素体，大约占 70%。这是通过使用 Gleeble 3800 热模拟实验机进行实验得到的，该实验机的冷却速率高达 5000℃/秒。因此，能够很轻易地避免静态铁素体的形成。

图 4 中，试样 1 水淬后相的计算体积分数为(a)部分所示；试样 2 水淬后相的计算体积分数为(b)部分所示；试样 5 水淬后相的计算体积分数为(c)部分所示；试样 6 水淬后相的计算体积分数为(d)部分所示。从高于 Ae3 的温度冷却到室温，这个冷却时间是 2 秒。

DT的工业意义

热机械加工的最新进展表明，热轧带钢和板材轧制过程中会出现动态转变 DT 现象。这种冶金现象对轧制道次间形成的铁素体和残余铁素体的体积分数产生了影响。钢的动态软化使得轧制负荷降低，这不仅是动态再结晶和回复的结果，也与动态转变的发生有关。动态相变还会导致通过轧机时秒流量增加，原因是密度有轻微增加。此外，带钢在终轧后运行在辊道上时，DT 后碳分配到残余奥氏体会造成不希望的马氏体组织出现；带钢在加速冷却钢板时，DT 后碳分配到残余奥氏体也会造成不希望的马氏体组织出现。

结论

本工作回顾并检验了 7 种不同类型钢种在高温变形时出现动态转变 DT 的证据。MFS 值低于预期，原因是 DRX、DRV 和 DT 共同作用。这些观察得到了文献中微观组织结构的支持。进行了热力学模拟来验证发表在期刊上的结果。看来大多数钢形成静态铁素体的倾向较低，所以文献中对相的定量测量是准确的。此外，试样 1 在水淬时会形成不期望的静态铁素体；但是，当冷却速率高达 5000℃/秒时，能够得到理想的组织，从而避免了静态铁素体的形成。DT 的发生能够改变最终的相组分，所以，它有可能会对钢材的整体力学性能产生影响。

致谢

作者感谢 Harrison McCain 基金会提供的资金。

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