Q345E钢奥氏体晶粒长大规律研究

张秀芝　王　宇　李　佳　杨仁杰

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)



Q345E钢奥氏体晶粒长大规律研究

张秀芝王宇李佳杨仁杰

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

摘要：以大型风电法兰常用材料Q345E钢为研究对象，应用金相显微镜分析研究了1 050～1 200℃区间内加热温度与保温时间对Q345E钢奥氏体晶粒长大的影响，并探讨了其动力学规律，获得了该钢奥氏体晶粒在高温下的长大规律，建立了晶粒长大的动力学模型，为Q345E钢大型锻件热加工工艺的制定提供了理论依据。

关键词：大型环锻件；Q345E钢；晶粒长大；动力学模型

风电作为一种环保洁净的绿色可再生能源，有着优化能源结构、改善生态环境、促进社会和经济可持续和谐发展等方面的重大优势，是未来电力能源发展的一个趋势[1]。风电塔筒法兰是风电塔筒的关键连接件、支撑件和受力件，是风电设备中最关键的基础配套件之一，工作条件一般比较严峻，所处地域环境特殊，且为焊接使用，所以要求有较好的综合力学性能，较好的耐低温耐腐蚀性能，良好的焊接工艺性能[2]。Q345E钢作为低合金高强度结构钢的一种，其综合力学性能良好，有足够的强韧性、良好的耐疲劳性能、冲压成形性能和焊接性能，较好的耐低温性能，是应用于风力发电法兰最实用的材料。

大型环锻件的成形流程为锻造、冲孔、扩孔、辗环机上热辗扩。这个过程中存在多火次变形，而多火次之间的温度变化必然会导致材料的微观组织发生改变，最为明显的是材料晶粒的长大。对于重要的承重结构件来讲，材料晶粒组织的长大会严重降低锻件的力学性能[3]。因此有必要研究材料在不同的加热温度、保温时间条件下的晶粒长大规律，为选择合理的锻造温度范围提供理论依据。

1试验材料与方法

试样材料取自锻态Q345E钢，其化学成分如表1所示。试验前，将其加工成10 mm×10 mm×15 mm的试样。奥氏体晶粒长大试验在KBF1400箱式电阻炉中进行，首先将电阻炉以10℃/s加热到所要保温的温度，待温度稳定后将试样放入到电阻炉中进行既定时间的保温，之后放入冰盐水中冷却至室温，以保持其高温的组织状态。实验温度分别为：1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃，保温时间分别为20 min、40 min、60 min、80 min。试样经腐蚀后，用电子显微镜测量奥氏体晶粒尺寸并分析其变化。

表1　试样材料的化学成分(质量分数，%)

2试验结果与分析

2.1温度对奥氏体晶粒尺寸的影响

试验所用试样在不同温度下的平均奥氏体晶粒尺寸变化情况如图1所示。从图1可以看出，随着温度的升高，在相同的保温时间内，奥氏体平均晶粒尺寸逐渐增大。在低于1 100℃阶段，晶粒尺寸的长大速率最快。但是在高于1 100℃后，晶粒长大速率有下降趋势。在低于1 100℃时，晶粒长大速度随保温时间的增加而增大。高于1 100℃后，晶粒长大速度受保温时间影响不明显。

2.2保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响

在不同保温时间下的平均奥氏体晶粒尺寸变化情况如图 2 所示。由曲线走势可以得知，在本次试验范围内，晶粒尺寸随着时间的延长总体呈现增大的趋势，且在加热初期尺寸增大较快，之后变缓。在温度为1 050℃时，随着保温时间的延长，奥氏体平均晶粒尺寸变化很小。温度高于1 100℃后，奥氏体平均晶粒尺寸随着保温时间的增加而长大，而且温度越高，晶粒长得越大。

图 1　平均晶粒尺寸与保温温度的关系

图 2　平均晶粒尺寸与保温时间的关系

3奥氏体晶粒长大模型的建立

奥氏体晶粒长大的方式是晶界的迁移，晶界迁移的驱动力来源于奥氏体的晶界能。作用于晶界的驱动力F可以表示为式(1)。

(1)

可见，由界面能提供的作用于单位面积晶界的驱动力F与界面能g成正比，而与界面曲率半径R成反比，力的方向指向曲率中心。

奥氏体晶界在驱动力F的推动下，以等速ν移动，则速度ν与驱动力F成正比，见式(2)。

(2)

(3)

积分得，

(4)

基于上式，目前比较常用的奥氏体晶粒长大模型是Sellars[5]提出的模型和Anelli提出的改进模型[6]，分别如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中，d为变化后的晶粒尺寸(μm)；d0为原始晶粒尺寸(μm)；t为保温时间(s)；T为加热温度(K)；R为气体常数；Q为晶粒长大激活能；A、n、B、m为实验系数。

Sellars模型是在分析C-Mn钢晶粒等温长大数据后提出的，而Q345E钢是一种含Mn为1.6%的钢，因此采用Sellars模型来表征此钢的奥氏体晶粒长大行为。由于式(5)中有A、n、Q三个未知量，不能直接用线性拟合的方式对这三个系数进行确定。本文先给定n的值，然后通过实验获得的数据来拟合A、Q的值和其误差值，误差的平方和作为n的函数，以回归误差平方和的最小值作为优化目标[7]。误差平方和y随n的变化曲线如图 3 所示。根据实验数据点拟合得到的误差平方和y随n值变化情况如式(7)所示。

y=0.73997-0.10673n+0.00505n2+0.00322n3-0.0004793n4+0.0000197744n5

(7)

图 3　误差平方和y与实验系数n的关系

按式(7)对n求导，可得到y的极小值所对应的n为4.375。n值确定后，对公式(5)取自然对数，可得式(8)：

(8)

按式(8)对1/T求偏导并进行线性拟合，可得：

A=3.789×1023/s

Q=504 998.46J/mol

因此，Q345E晶粒长大模型见式(9)。

(9)

4结论

(1)在一定时间内，Q345E 钢奥氏体晶粒尺寸在低于1 100℃阶段，晶粒尺寸的长大速率最快，在高于1 100℃后，晶粒长大的速率略有下降。在相同温度时，保温时间越长，晶粒长大越快。

(2)在一定温度下，Q345E钢奥氏体晶粒尺寸随着保温时间的增长而逐渐长大。在低温条件下，随着保温时间的延长，奥氏体平均晶粒尺寸变化很小。在高于1 100℃后，奥氏体平均晶粒尺寸随着保温时间的增加而长大，而且温度越高，晶粒尺寸长得越大，故此钢的晶粒粗化温度为1 100℃。

参考文献

[1]李军军，吴政球，等.风力发电及其技术发展综述[J].电力技术，2011,32(8):64-72.

[2]曹秀梅.风力发电塔架法兰的制造工艺要求及质量控制[J].工程技术，2008(1):28-30.

[3]申鹏，周勇.大型铸锻件粗晶及其解决方法的探讨[J].大型铸锻件，2009(3):14-17.

[4]刘宗昌，等.材料组织结构转变原理.北京：冶金工业出版社，2003.

[5]Sellars C M, Whiteman J A.Recrystallization and grain growth in hot rolling[J].Mater Sci，1979,13(3):187-194.

[6]Devadas C, Samarasekera I V, Hawbolt B. The thermal and Mertallurgical state of steel strip during Hot Rolling[J].Metalluring Transations A，1991,22(A):335-349.

[7]杨小红，张士宏.GH4169合金等温条件下晶粒长大数学模型的研究.沈阳理工大学学报，2007,26(3).

编辑李韦萤

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Study on Austenite Grain Growth Behavior for Q345E Steel

Zhang Xiuzhi, Wang Yu, Li Jia, Yang Renjie

Abstract：By taking the Q345E steel as the study object, which is the common material used for heavy wind power flange, the influence of heating temperature in the range of 1 050～1 200℃and holding time on the austenite grain growth phenomenon of Q345E steel has been studied by means of the metallographic microscope analysis. Meanwhile, the law of dynamics has been discussed. Eventually, the growth behavior of the austenite grain under high temperature has been obtained. Therefore, the dynamical model of grain growth phenomenon has been established, so as to provide the theoretical basis for the preparation of hot working processes of heavy forgings which is made of Q345E steel.

Key words：heavy ring forging; Q345E steel; grain growth; dynamical model

作者简介：张秀芝，博士，副教授。E-mail：zhangxiuzhi@tyust.edu.cn

基金项目：太原市科技资助项目(120224)

收稿日期：2015—05—13

中图分类号：TG115.21

文献标志码：B