连续变形与冷却工艺对低碳钢微观组织的影响

黄绪传，裴新华，薛 军

(宝钢股份研究院梅钢技术中心，江苏 南京 210039)

1 引言

目前市场上常用的普通低碳钢一般采用碳锰成分体系，不添加任何其他合金，制造成本低廉。因其强度低、硬度低，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件[1]。优质低碳钢轧成薄板，可以用作制作汽车驾驶室、发动机机罩等深冲制品；还可轧成棒材，用于制作强度要求不高的机械零件。随着控轧控冷技术的发展，实践证明合理的生产工艺控制，可以实现细化低碳钢铁素体晶粒而提高其综合性能的目的。国内外众多学者针对此类问题开展大量的实验研究，文献[2-3]研究证实：在大冷速、高应变速率、大应变下，稍高于Ar3温度的形变可使铁素体细化。同时部分学者进一步探索了临界奥氏体区的变形的晶粒细化机理，揭示了形变诱导铁素体及铁素体再结晶是获得超细晶粒的关键[4-5]。另外，有学者通过研究认为在一定范围内适当提高Mn含量可以促进铁素体动态再结晶，从而达到晶粒细化[6]。

本文选用了一种低碳低锰碳素钢作为研究对象，利用Gleeble3500热模拟试验机，采用了一种连续冷却压缩变形及控冷相结合的实验方法，研究了模拟终轧温度及轧后冷却速度对实验钢组织演变规律，研究结果以期为该类钢种的热轧工艺的精细化设计提供参考。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料及试样

实验材料为一种低碳、低锰钢，取自本钢厂生产的供冷轧用的热轧中间坯，该钢种目前主要作为后续冷轧生产的原料，实验钢主要成分见表1。

实验用试样加工成φ8 mm×12 mm圆柱样，试样两端面应平行，并与轴线垂直。为保证试验结果的精确性，试样尺寸加工精度须控制在±0.02 mm，另外，试样两端面的光洁度须控制在7以上，以尽可能地减小试样端面与压缩砧头之间的摩擦力。

2.2 连续冷却压缩实验工艺

实验在Gleeble3500热模拟试验机上进行，采用连续冷却压缩实验方法测定实验钢的铁素体相变温度[7-8]，其测定原理是钢铁材料的不同相组织具有不同强度的特性[9]。利用JMatPro材料计算软件获得实验钢A3=892 ℃、A1=722 ℃，因此将试样加热到1000 ℃奥氏体化，在奥氏体化温度保温5 min后以0.01 s-1的速率将试样匀速压缩70%，压缩终了温度设定为550 ℃，采集连续冷却压缩过程中的变形抗力及温度数值。具体实验工艺路线见图1。

2.3 热连轧模拟实验工艺

参照连续冷却压缩实验工艺，热连轧过程近似为连续冷却压缩与控冷工艺的结合。已有的研究资料显示，热轧终轧温度以及轧后的冷却速度对钢材最终的组织影响明显。因此，本实验重点设计了连续压缩终了温度以及压缩后的冷却速度两个实验变量。具体实验方案是：利用Gleeble3500热模拟试验机，在氩气环境状态下，将试样以10 ℃/s的速率升温到1 200 ℃，保温5 min后以5 ℃/s的冷速降到1 000 ℃，然后开始以0.01 s-1的速率连续冷却压缩变形，总变形量为70%，压缩终了温度分别为880 ℃、850 ℃、830 ℃、800 ℃、750 ℃，压缩结束后分别以5 ℃/s、40 ℃/s两种工艺路线冷却至600 ℃保温15 min后空冷。具体工艺路线见图2。

3 实验结果

3.1 连续冷却压缩实验结果

图3的温度应力关系曲线展示了0.01 s-1变形速率下连续冷却压缩实验结果，压缩变形温度区间为1000～550 ℃。在连续压缩过程中，由于变形温度的降低，压缩变形抗力逐步增加，当温度达到铁素体相变温度Ar3时，由于铁素体强度低于奥氏体，变形抗力出现明显下降，当奥氏体完全转变结束后，变形抗力又恢复到连续增加。因此，根据实验结果所示的温度应力关系曲线上出现的转折点可以确定实验钢的Ar3=835 ℃、Ar1=698 ℃。

3.2 热连轧模拟试验结果

3.2.1模拟终轧温度对实验钢组织的影响

试验分别以880 ℃、850 ℃、830 ℃、800 ℃、750 ℃作为模拟终轧温度，采用了如图2所示的5 ℃/s、40 ℃/s两种轧后模拟冷却工艺路线进行了热连轧工艺模拟。图4(a)～图4(e)分别出示了模拟轧后5 ℃/s冷却条件下880～750 ℃工艺下试样金相分析结果。

图4所示的模拟轧后5 ℃/s冷却条件下金相组织显示，模拟终轧温度在880 ℃、850 ℃、830 ℃时，获得均匀的铁素体的组织，模拟终轧温度在800 ℃、750 ℃时，获得粗细不一的混晶组织。

图5(a)～图5(e)分别出示了模拟轧后40 ℃/s冷却条件下880～750 ℃工艺下试样金相分析结果。

图5所示的模拟轧后40 ℃/s冷却条件下金相组织显示，模拟终轧温度在880 ℃、850 ℃获得均匀的铁素体的组织，模拟终轧温度在830 ℃、800 ℃时获得粗细不一的混晶组织，模拟终轧温度在750 ℃时获得条状铁素体组织。

3.2.2模拟终轧后的冷却速度对实验钢组织的影响

对照图4和图5可以看出：轧后冷却速度对实验钢组织影响明显。一方面从组织形态来看，5 ℃/s冷却下，830 ℃及以上均获得了均匀的组织，830 ℃以下获得混晶组织；40 ℃/s冷却下，850 ℃及以上均获得了均匀的组织，850 ℃以下获得混晶或条(带)状组织；另一方面从可见晶粒度来看，40 ℃/s冷却下获得的组织明显细于5 ℃/s冷却下获得的组织。

4 结果讨论

由于金属材料的实际热轧工艺过程是伴随着冷却和压缩，连续冷却压缩(即CCC)实验更容易揭露奥氏体相变临界温度变形对Ar3温度的影响，因此通过该方法测定的Ar3温度理论上应更具应用价值。

依据热连轧工艺特点，本文采用了连续冷却压缩实验方法近似模拟了热轧精轧工艺过程，分别考察了变形终了温度和变形后的冷却速度对实验钢最终组织的影响。从试验结果可以看出，当变形终了温度在Ar3以上时，实验钢均获得均匀的组织，表明了实验钢在850 ℃及以上的奥氏体变形时，奥氏体组织发生了动态再结晶，在随后的冷却过程中过冷奥氏体转变为均匀的等轴状铁素体组织；当变形终了温度降低至Ar3温度附近的830 ℃时，奥氏体动态再结晶被抑制，此时由于变形能的积累，会发生形变诱导铁素体相变[10]，形变诱导铁素体相变是一个晶粒细化的过程，温度越低，形变诱导铁素体相变越容易发生，最终冷却后得到较细的铁素体晶粒[11],但由于本文所述的实验变形特点，试样变形是一个连续过程，形变诱导铁素体相变存在先后顺序，因此最终极易出现粗细不一的晶粒组织状态；当变形终了温度降至Ar3温度以下时，由于变形终了前已存在形变诱导铁素体和部分先共析铁素体[12]，已有的铁素体经压缩变形后如完成再结晶，晶粒组织将呈现明显的混晶状态，如变形后的铁素体未完成再结晶，晶粒将呈现等轴与条状的复合特征[13]。另一方面，试验结果显示变形终了后的冷却工艺对前述的三个阶段的最终组织影响显著，在变形终了温度在Ar3以上时，对比图4(a)、图5(a)以及图4(b)、图5(b)，变形后缓冷会导致铁素体晶粒长大，快冷缩短了铁素体晶粒在高温停留时间，获得了细小的晶粒组织；在变形终了温度在Ar3附近时，对比图4(c)、图5(c)，变形后缓冷有助于形变诱导铁素体的再结晶而获得均匀组织，快冷导致铁素体再结晶不充分而混晶；当变形终了温度在Ar3以下时，混合形变铁素体在冷却时完全再结晶则呈混晶状态，未完全再结晶则出现如图5(e)所示的带状组织特征。

5 结论

(1)采用连续压缩冷却(CCC)实验方法测定了实验钢的动态相变温度，Ar3=835 ℃、Ar1=698 ℃，利用JMatPro材料计算软件获得实验钢A3=892 ℃，A1=722 ℃；

(2)模拟终轧温度及轧后冷却速度对实验钢最终组织形态影响明显，模拟终轧温度在Ar3以上温度时，实验钢获得均匀的等轴状组织，加快轧后冷却速度可获得细小的晶粒组织；当模拟终轧温度在Ar3温度附近时，实验钢会发生形变诱导铁素体相变，轧后缓冷有利于组织均匀，快冷容易导致混晶；当模拟终轧温度在Ar3温度以下时，轧后不论缓冷、快冷均获得混晶甚至明显的变形带组织；

(3)从试验结果来看，模拟终轧温度在A3～Ar3，在保证变形奥氏体再结晶充分的情况下，轧后快冷可获得细小的晶粒组织，但由于实际生产温度控制的偏差，轧后采用先缓冷后快冷的工艺可达到拓宽控制窗口的目的。

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