一种低碳钢热变形机制的研究

何群才　赵科（本钢技术中心，辽宁本溪 117000）

一种低碳钢热变形机制的研究

何群才赵科
（本钢技术中心，辽宁本溪 117000）

本文利用热模拟试验机对本钢紧流程（CSP）生产的一种低碳钢高温变形行为进行了研究，通过单向压缩实验测定了应力～应变曲线，确定了不同变形温度、变形速率、变形程度与变形抗力的关系，建立了金属塑性变形抗力的数学模型。利用origin软件对模型进行了多元非线性曲线拟合，证明该模型具有良好的精度，可为轧制工艺、力能参数的确定提供理论依据。

热模拟 再结晶 变形抗力 数学模型

随着现代工业的连续化，自动化不断进步，用户对板材的尺寸精度要求越来越高，而在板带轧制生产中，高精度的轧制力计算是获得高精度尺寸带钢的核心问题，而轧制力取决于钢的变形抗力和轧制规程［1］。金属塑性变形抗力是指金属阻止发生塑性变形的能力，其数值等于使其发生塑性变形时所施加的外力。金属塑性变形抗力是轧制工艺和设备力能参数设计的最基本参数之一，研究变形抗力的变化过程，可以从宏观的角度进一步了解材料在变形过程中微观组织和性能的变化，研究塑性变形的机理［2］。影响变形抗力的因素很多，包括材料的化学成分，还有变形过程中的温度，应变速率、应变量等因素，在高温变形的过程中，金属的微观组织可以产生动态回复、再结晶，静态回复、再结晶等复杂的变化过程，本文对本钢紧凑流程（CSP）生产钢种进行模拟尝试，因其冶金过程同传统流程相比存在着较大差别，所以对于其轧制过程中变形抗力的研究对于工业化生产的板型控制及组织演变具有重要的理论意义。

1　实验条件

表1　实验所用钢的化学成分

1.1实验方法

试样采用紧流程生产的一种低碳钢铸坯，铸坯经过高温落水处理，使其室温组织为铸态组织。直接从钢锭上截取钢棒，不经过任何变形处理，加工成Φ8mm×15mm的圆柱形。试验在Gleeble2000热模拟实验机上进行，采用单向压缩方式测得各种工艺条件下的应力～应变曲线。为了保证试验精度，在试验过程中采用MoS2及钽片作为润滑剂。试验过程中主要控制参数为应变量、变形温度和变形速率。

1.2钢的化学成分（如表1）

1.3实验工艺

试样以100℃/s快速升温到1250℃，保温30s，随后以10℃/s冷速冷却至1150℃，保温两分钟，而后以5℃/s的冷速冷却到变形温度，保温10s进行单道次压缩变形。变形条件为：变形量为70%（真应变1.204）；应变速率为：0.1/s～20/s；变形温度为：850～1100℃。

2　实验结果分析

在不同的条件下，利用Gleeble热模拟试验机进行单道次压缩试验，得到真应力~应变曲线，在origin软件中，找出对应条件下想对应的应力值。根据实验结果，分析形变温度、形变量和形变速率对变形抗力的影响。

2.1温度与变形抗力的关系

从实验结果的应力应变曲线（图1）中可以看出，变形温度对变形抗力的影响较为显著，变形温度随着温度的升高而减小，这符合一般低碳钢变形抗力和变形温度的关系。这是因为随着变形温度的增加，原子的热振动振幅增大，从而使金属原子间的结合力大大减小，滑移面的运动阻力降低，有利于滑移系的开动，这样，新的滑移系统和交滑移不断的形成和开动，有利于金属的发生弹性变形和塑性变形，因此金属的变形抗力随温度的升高而降低。另外，随着温度的不复和再

……

……

结晶现象，引起金属软化，使变形抗力降低。

2.2变形速率与变形抗力的关系

变形速率与变形抗力之间的关系较为复杂，其中主要包括两个方面，第一是变形速率高，这样就不利于金属发生动态在结晶，由图1可以看出，变形速率为10和20的未发生动态在结晶，变形抗力随着变形速率的升高而升高。第二是应变速率高，产生大量的变形热量，有利于发生动态再结晶，因此，变形速率对变形抗力的影响要考虑这两个方面。由图中可以看出，在温度为1050℃，变形速率1/s，应变量大于0.4时（图1a），在动态回复和再结晶的作用下，变形抗力开始增加减缓。

2.3变形程度余变形抗力的关系

变形程度对变形抗力的关系，可以从应力～应变曲线上直观的看出，见图1，在不发生动态再结晶的情况下，同一的变形速率和变形温度，随着变形程度的增加变形抗力越来越大，。在850℃变形温度和20/s的变形速率条件下，变形抗力增加尤其明显，符合其他钢种的一般规律。从图上还可以看出，当应变量大于0.2时，随变形程度的增大，变形抗力的增加变得缓和，在低应变速率0.1/s温度1100℃的时候，变形抗力随着变形程度的增加而保持不变，这是因为随变形程度的进一步增加，金属的内部缺陷增多，从而促进了动态回复与再结晶，导致金属出现软化现象。

2.4变形抗力数学模型

通过上述对变形抗力影响因素的分析，并参考有关文献，对金属塑性变形抗力数学模型进行比较及精度的分析，最后确定金属塑性变形抗力数学模型为［2］：

对上式进行可用最小二乘法多元线性回归分析，利用origin软件进行各项分析，分别求得lna，b，c，d的期望值为ln。从实验结果应力～应变曲线可以看出，在高的变形温度，低的应变速率下，容易发生动态回复与再结晶，减缓了加工硬化，变形抗力随变形程度增加到0.3之后变得缓和；当变形速率较大，动态回复和再结晶不容易发生，变形抗力随变形程度的增加而一致增加。因此，本试验在建立变形抗力数学模型时采用高应变速率进行回归。变形速率为1/s，10/s，20/s时，求得：

3　结语

（1）通过热模拟试验机，模拟出不同条件下的应力应变曲线，分析了应变速率、应变量和温度对变形抗力的影响关系。

（2）通过热模拟试验和数值分析，建立了实验用钢的变形抗力数学模型，为轧制该钢的力能参数计算提供依据。

［1］周纪华，管克智.金属塑性变形阻力.机械工业出版社，1989.

［2］李曼云，孙本荣.钢的控制轧制和控制冷却技术手册.冶金工业出版社，1990.