稀土Nd对Q345B钢热轧变形行为的影响

李相前

1 前言

稀土在钢中已得到广泛应用，其主要作用有：净化、变质、微合金化［1-3］。Q345B钢综合性能好，是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢，大多在热轧状态下使用。热轧过程中的变形行为将直接影响热轧显微组织，进而影响其力学性能，因此对热轧过程钢的变形行为进行研究是非常重要的。稀土元素对钢的轧制过程以及相应的组织性能的影响已多有报道，研究结果表明［4-5］，稀土能够提高动态再结晶的激活能，推迟钢的动态再结晶，细化组织，改善力学性能。但研究中选用的大多是轻稀土元素如La、Ce等［4-5］，而对添加Nd稀土元素的研究极少。本研究以Q345B含Nd钢为对象，利用Gleeble1500-D热模拟试验机模拟不同轧制条件下钢的热变形行为，利用金相显微镜等表面分析技术，探讨热轧过程中不同变形条件对Q345B含Nd钢显微组织演变规律以及再结晶行为的影响，以期为更合理地制定轧制工艺提供一定的理论依据。

2 试验材料及方案

试验基料为Q345B连铸坯，其化学成分见表1。

表1 Q345B钢的化学成分（质量分数）%

在实验室真空感应熔炼炉（ZG-0.01）冶炼得到加入稀土钕的5 kg铸坯，稀土Nd含量为150×10-6。将铸坯按加热温度1 180℃保温后进行锻造，锻为40 mm×40 mm的矩形，经钼丝切割机加工为Φ8 mm×15 mm的圆柱形试样。

利用Gleeble1500-D热模拟机模拟实际生产Q345B钢的轧制过程，研究稀土Nd对铸坯组织及热轧过程的影响，通过单道次大变形量的方法得出动态再结晶的临界应变［4-5］；通过比较连铸坯轧制前的奥氏体原始晶粒大小及模拟热连轧制后组织晶粒大小，分析稀土Nd对组织细化的影响。为尽可能获得与现场铸坯组织相当的奥氏体晶粒及微合金元素存在状态，具体工艺流程如图1所示。

图1 热模拟试验工艺路线

在热模拟机上将试样以10℃/s的速度加热到1 250℃，保温3 min使奥氏体均匀化；以5℃/s的速度降到850℃，模拟连铸坯快速冷凝后温度的下降过程；而后以5℃/s的速度升温至1 100℃，保温3 min，模拟再入均热炉均热。单道次变形是以5℃/s的速度冷却到不同温度进行压缩变形，变形温度分别为1 060℃、1 020℃、980℃、940℃、900℃、860℃，应变速率均为5 s-1，变形量为70%，变形结束后立即空冷。热模拟轧制过程为950℃开轧，以道次间隔时间1.5 s、1.0 s、0.5 s连续4道次压下后，以15℃/s冷却到600℃后空冷。

3 试验结果分析

3.1 稀土对奥氏体晶粒的影响

图2为Q345B、Q345BNd两种试验钢依据实际工艺模拟连铸过程到850℃时得到的奥氏体晶粒组织。用Image-Tool软件对奥氏体晶粒尺寸进行统计，Q345B钢为92.10μm（见图2a），Q345BNd钢为76.42μm（见图2b）。说明连铸坯850℃时，Q345B钢加入稀土后能够细化奥氏体晶粒。在更高温度（1 060℃）的对比试验表明，添加稀土对奥氏体的晶粒尺寸影响不大。

低温（850℃）时稀土能够细化奥氏体晶粒主要由于稀土是一种表面活性元素，具有强烈的晶界偏聚效应［6］，一方面降低了界面能；另一方面对基体原子的晶界扩散起到阻碍作用。而在1 060℃高温时，奥氏体晶粒长大迅速，长大速度接近于未含稀土钢，这应与稀土在高温下的扩散行为有关，此温度稀土原子的扩散速度与铁原子的扩散速度接近，稀土原子对晶界的拖曳作用几乎消失，导致奥氏体晶粒的迅速长大。

图2 模拟铸坯连铸过程到850℃的时奥氏体晶粒

3.2 稀土对动态再结晶行为的影响

单道次热变形过程中能否发生动态再结晶取决于钢的临界应变量εD［7］，εD是一个很重要的参数，但其值在真应力—应变曲线上很难确定，而峰值应变εP比较容易确定。εD几乎与应力应变曲线上的峰值 εP相等，确切定量，εD≈（0.8～0.9）εP。Q345B钢在不同温度下的真应力—真应变曲线如图3所示。利用εD=0.85εP计算动态再结晶临界应变量，如表2所示。

图3 ε=70%、ε=5 s-1不同温度下的真应力—真应变曲线

表2 不同温度下动态再结晶临界应变量εD

从图3明显看出，在热变形过程中，变形温度越高，对应的峰值应力值σp越低，并且随着变形温度的降低，应力峰值σp向变形量增大的方向移动，而其对应的峰值应变εP随变形温度的降低而增加，开始发生动态再结晶的临界变形量εD也随温度的降低而增加，即温度越低再结晶发生越困难。随变形温度的升高，动态再结晶的临界应变量减小，这是因为随温度的升高，金属原子热震动的振幅增大，原子间键力减弱，金属原子间的结合力降低，从而使金属的流变应力降低，同时再结晶的形核是个热激活的过程，因此变形温度越高，空位和原子扩散以及位错交滑移和攀移的驱动力越大，越容易发生再结晶行为。

从表2中可以看出，加入稀土元素以后能够明显的推迟动态再结晶的发生，并且随着温度的升高，推迟量有明显减弱的趋势，其原因是由于稀土的固溶强化及与碳原子的交互作用使钢的强度增大，峰值应力、峰值应变也随之增大。稀土Nd加入推迟了Q345B钢的动态再结晶，这与文献［7］研究的实验规律是一致的，但添加的稀土元素不同，其推迟量存在着明显区别，这可能是由于不同稀土的元素对钢的影响量不同造成的。

3.3 稀土对动态再结晶激活能的影响

从真应力—真应变曲线中可知：当变形温度越低时，峰值应力及其所对应的峰值应变就越大，就越不容易发生动态再结晶。这一关系可以通过Zener-Hollomon因子Z来表示［8］：

通过采集单道次变形曲线中的数值计算得出，Q345B钢的动态再结晶激活能为283.4 kJ/mol，而添加稀土的Q345BNd钢动态再结晶激活能为334.7 kJ/mol。加入Nd能够提高Q345B钢激活能为51.3 kJ/mol。因为发生动态再结晶与动态激活能有很大的关系，动态激活能越小，越容易发生动态再结晶。因此，通过激活能的计算表明：添加稀土能够抑制Q345B动态再结晶的发生。

3.4 稀土Nd对热连轧后组织的影响

图4为模拟热连轧4道次真应力—真应变曲线，可以看出，添加稀土的Q345BNd钢在前3个轧制道次中应力峰值随应变的增加一直在增加，直到第4道次开始发生动态再结晶；而Q345B钢前两道次应力峰值随应变的增加在增加，但第3道次由于静态软化的作用，应力峰值低于第2道次；第4道次都发生了完全的动态再结晶，这是由于变形存储能的释放，导致试验钢软化，发生了再结晶过程。

图4 模拟热连轧4道次真应力—真应变曲线

图5 为热轧4道次后试验钢的金相组织，通过相同的控轧控冷工艺所得组织类型均为铁素体和少量珠光体组织，显微组织中都存在一定的混晶现象。采用Image-Tool软件对Q345B钢组织的平均晶粒尺寸进行统计，得出Q345B钢平均晶粒尺寸为5.24μm（见图5a），Q345BNd钢为4.40μm（见图5b）。稀土元素Nd的加入对Q345B钢晶粒有明显的细化作用。

图5 试验钢轧制方案轧后金相组织

4 结 论

4.1 Q345B钢中添加稀土元素Nd，对连铸铸坯的奥氏体晶粒组织有一定的细化作用。

4.2 Q345B钢中添加稀土元素Nd，能够推迟Q345B钢的动态再结晶过程的发生，能够提高Q345B钢的动态激活能51.356 kJ/mol。

4.3 Q345B钢中添加稀土元素Nd，经相同的控轧控冷工艺后，得到的显微组织明显更细小均匀，稀土Nd同样具有晶粒细化作用。

［1］ 王龙妹，兰德年，岳丽杰.稀土元素在高强韧钢中的作用及应用前景［J］.稀土，2003，24（5）：10.

［2］ 王龙妹.稀土元素在新一代高强韧钢中的作用和应用前景［J］.中国稀土学报，2004，22（1）：48-54.

［3］ 王龙妹.发展新一代高强韧钢的重要元素——稀土［J］.新材料产业，2004（9）：18-23.

［4］ 叶文，郭世宝，林勤，等.稀土对含铌钢再结晶动力学的影响［J］.中国稀土学报，1995，13（1）：45-47.

［5］ 余泽金，金自力，任慧平.基于CSP工艺X65稀土管线钢热变形时再结晶行为研究［J］.热加工工艺，2010，39（10）：31-32.

［6］ 丁柏群，田永君，郭景海，等.稀土元素对60CrMnMo钢奥氏体晶粒长大倾向的影响［J］.东北重型机械学院学报，1989，13（3）：65-69.

［7］ 权国政，刘克威，周杰，等.基于热力耦合的塑性成形动态再结晶仿真分析［J］.热加工工艺，2009，38（19）：13-20.

［8］ 胡良均，尚成嘉，王学敏，等.弛豫-析出-控制相变技术中冷却速度对组织的影响［J］.北京科技大学学报，2004，26（3）：260-263.