SA508 Gr.3Cl.1钢动态再结晶行为研究

马 璟，刘建生，郭 桢

(1.太原科技大学 材料科学与工程学院,山西 太原 030024；2.河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023)

0 引言

SA508 Gr.3Cl.1钢由于具有优良的低温冲击韧性、淬透性、抗中子辐照性能及切削加工性能，广泛用于制造压水堆核电站压力容器等核电设备的关键零件[1-2]。根据美国材料与试验协会ASTME112标准，这些锻件的晶粒尺寸应为5级或更细，目前，这些零件都是通过自由锻工艺加工制造的。在材料热变形过程中，动态再结晶对金属材料内部微观组织的变化起着至关重要的作用。在工业加工过程中，动态再结晶是控制金属组织和性能有效且可行的常用方法[3-4]。因此，详细了解其动态再结晶行为对工业生产具有重要意义。

目前，研究人员对SA508 Gr.3Cl.1钢组织、性能及成形过程进行了许多研究。文献[5]通过微观分析的方法研究了核电SA508-3钢高温回火过程中，M-A岛对冲击韧性的影响，深冷或回火预处理可改善正火态SA508-3钢650 ℃高温回火后析出相聚集区中M3C的尺寸、 形态和分布，进而在一定程度上提高了SA508-3钢低温冲击韧性，其中400 ℃预回火处理效果最佳。文献[6]研究了热处理工艺参数对显微组织、强度和低温冲击韧性的影响，结果表明：随着冷速下降，材料的强度和冲击韧性同时降低，冷速在10～50 ℃/s时发生马氏体相变，SA508-3钢可以达到强度和低温冲击韧性的良好结合。文献[7]研究了SA508-3钢粗大非平衡组织重新加热时的静态再结晶机制及晶粒长大规律，发现奥氏体晶核优先在晶界处以球状形成，在晶内有少数晶核形成，在900 ℃以上，奥氏体晶粒长大速率缓慢，大于1 000 ℃时，奥氏体晶粒迅速粗化。文献[8]发现了SA508-3钢热处理工艺参数对微观组织的影响规律。文献[9-10]通过物理模拟和数值模拟相结合的方法建立了SA508-3钢高温变形本构模型，并应用于封头的成形过程，验证了该模型与试验结果吻合良好。文献[11]研究了SA508-3钢的奥氏体晶粒生长过程，通过试验分析了奥氏体晶粒随加热温度和加热时间的变化规律，并建立了与试验结果吻合的奥氏体晶粒生长的数学模型。文献[12]研究了SA508-3钢的奥氏体晶粒长大规律，在低温条件下由于晶界钉扎作用奥氏体化晶粒尺寸很快达到极值，而在高温条件下由于沉淀相融化，在所研究加热时间内晶粒尺寸迅速增大，但并未达到极值。然而，对其动态再结晶动力学及再结晶晶粒尺寸模型的研究较少。由于大型锻件质量达数十吨甚至上百吨，对其采用实物模拟研究耗时长、试验成本过高，采用缩比试验与实际成形过程相差较大，因此多采用数值模拟的方法进行研究，而提高数值模拟精度的关键就是建立精确的动态再结晶的数学模型[13-16]。本文通过等温压缩热模拟试验研究了SA508 Gr.3Cl.1钢热变形行为，基于改进的Avrami方程建立了动态再结晶动力学模型，以变形温度和应变速率为变量建立了再结晶晶粒尺寸模型，可为SA508 Gr.3Cl.1钢锻件的热加工工艺参数提供理论依据和指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验所用的钢材是由太原重工股份有限公司锻造分公司提供的锻态SA508 Gr.3Cl.1钢，材料的化学成分见表1。

表1 SA508 Gr.3Cl.1钢的化学成分 %

1.2 试验方法

对淬火后的试样进行镶嵌、打磨和抛光，用过饱和苦味酸溶液腐蚀试样，在光学显微镜下观察试验材料热变形后的晶粒形貌，借助Image-Pro Plus分析软件测得晶粒尺寸。

2 试验结果分析

2.1 流动应力-应变曲线

金属材料的高温塑性变形是一个加工硬化和加工软化共同作用的过程。一方面，随着变形的增加，位错增殖和位错纠缠增加，导致加工硬化；另一方面，动态回复(dynamic recovery,DRV)和动态再结晶(dynamic recrystallization,DRX)则会引起加工软化。动态回复和动态再结晶是金属热变形过程中两种典型的软化机制[17-18]。 SA508 Gr.3Cl.1在变形温度为950～1 200 ℃、应变速率为0.001-1s-1、0.01-1s-1、0.1-1s-1和1 s-1时的流变应力-应变曲线如图1所示，流变应力与变形温度和应变速率关系密切。从图1a和图1b中可以看出：在应变速率为0.001～0.01 s-1、变形温度950～1 200 ℃的条件下，流变应力曲线均出现了明显的动态再结晶特征。以1 050 ℃、0.01 s-1为例，在变形初始阶段(变形量ε≤临界应变εc，见图1b)，流变应力曲线显示出明显的加工硬化特征，流变应力随应变的增加快速增加。在这一阶段，由应变增加引起金属晶格畸变，产生大量的位错增殖和位错纠缠。加工硬化导致的应力增加大于原子扩散和位错湮灭引起的软化导致的应力减小。当ε>εc时，应力曲线出现峰值，加工硬化速率随着应变的增加而降低。在这一阶段，位错密度随着应变的增加持续增加，导致再结晶驱动力增加，促进动态再结晶速率增加，位错密度运动速率增大，同时变形时间充足，增加了位错湮灭的可能性，导致软化作用增强。故流变应力增加，速度减小，当加工硬化速率达到0时，流变应力达到峰值应力。接着，由于应变的增加，动态再结晶持续产生，动态回复和动态再结晶导致的软化速率超过硬化速率，流变应力逐渐减小。当硬化和软化达到平衡时，流变应力曲线出现一段水平阶段。图1c和图1d与图1a和图1b对比可以看出：当变形温度较低时，以1 000 ℃、1 s-1为例，流变应力曲线未出现动态再结晶特征，流变应力随应变的增加持续增加，达到峰值以后趋于平稳。在此变形条件下，在变形初期，其流变应力曲线变化趋势与图1a和图1b中相同；而在变形后期，随着应变的增加，位错密度增加，由于位错的相互干扰形成位错堆垛、位错塞积及位错林，从而阻碍位错运动。同时，低的变形温度和高的应变速率阻碍了动态再结晶的产生[19]。综上，在高温低应变速率下，SA508 Gr.3Cl.1钢更容易发生动态再结晶。

2.2 热变形参数对动态再结晶组织的影响

SA508Gr.3Cl.1钢在不同变形条件下的晶粒形貌如图2所示。变形温度、压下量和应变速率对动态再结晶均产生一定的影响。由图2a～图2c可以看出：当应变速率为0.1 s-1、压下量为50%、变形温度为950 ℃时，原始晶粒被拉长，动态再结晶仅在晶界处少量出现，可看到少量的细小等轴晶晶粒；温度升高至1 050 ℃时，新的等轴状再结晶晶粒已布满晶界并向晶内扩展，原始晶粒被新的等轴状再结晶晶粒取代，说明动态再结晶已发生完全；温度升至1 150 ℃时，动态再结晶晶粒尺寸明显长大。由图3d～图3f可以看出：变形温度为1 050 ℃、压下量为10%时，由于变形量较小，仍然为原始粗大晶粒，动态再结晶基本没有发生；当压下量为30%时，新的等轴状再结晶晶粒已大量出现；当压下量增大至50%时，新的细小动态再结晶晶粒已布满整个基体。对比图3b、图3f和图3g可以看出：在变形温度为1 050 ℃、压下量为50%时，应变速率为0.1～0.001 s-1，动态再结晶均完全产生，但随着应变速率的降低，由于变形时间增加，会使新的细小动态再结晶晶粒产生明显的长大。综上所述，随着温度的升高、压下量增大、应变速率降低，动态再结晶驱动力增加，材料动态再结晶更容易产生。而且当动态再结晶充分发生的情况下，随着变形温度的升高和变形速率的降低，新的动态再结晶晶粒产生一定的长大。

(a) 950 ℃-0.1 s-1-50% (b) 1 050 ℃-0.1 s-1-50% (c) 1 150 ℃-0.1 s-1-50% (d) 1 050 ℃-0.01 s-1-10%

2.3 动态再结晶临界应变的确定

(Ⅰ)对真实应力-真实应变曲线上的应力对应变求一阶倒数，得到加工硬化率-流动应力(θ-σ)曲线，如图3所示。

图3 θ-σ曲线

(Ⅱ)将峰值应力之前的θ-σ曲线用三阶多项式拟合，

θ=Aσ3+Bσ2+Cσ+D。

(1)

(Ⅲ)方程(1)对σ求二阶导数，得：

(2)

(3)

图曲线

(a) σc与Z之间的关系

εc=0.000 37Z0.173 46;

(4)

σc=0.415 738Z0.145 30。

(5)

2.4 动态再结晶动力学模型

引入动态再结晶体积分数，采用修正的Avrami方程来描述SA508 Gr.3Cl.1钢的动态再结晶在热变形过程中的进程。数学表达式[21]为：

(6)

其中：Xd为动态再结晶体积分数；Kd和nd为材料常数；εc和εp为临界应变和峰值应变。同时，动态再结晶引起的软化分数Xd可由式(7)估算：

(7)

其中：σss为流动应力中的稳态应变；σp、σss可以在试验的应力-应变曲线上直接得出。

将方程 (6)两边取自然对数，得：

(8)

(9)

根据方程(9)得到不同热变形条件下，SA508 Gr.3Cl.1钢动态再结晶体积分数Xd与变形量ε之间的关系曲线，如图6所示。由图6a～图6d可以看出：温度一定时，Xd随着应变的增加而增加。由图6a可知：在应变速率为0.001 s-1时，ε超过0.6以后，Xd在试验温度范围内均接近1，即发生了充分的动态再结晶。在变形温度为1 200 ℃时，随着应变速率的增加，Xd接近1的最小应变值逐渐增大，当应变速率增大至1，应变达到0.7时的Xd为0.9，仍然没有发生充分的动态再结晶。因此，在较高温度或较低应变时，Xd数值更接近或等于1，即动态再结晶更充分。

2.5 动态再结晶晶粒尺寸模型

动态再结晶晶粒尺寸与变形温度和应变速率密切相关，因此选择以变形温度和应变速率两个参数为变量的晶粒尺寸模型，数学表达式[22]为：

(10)

其中：dDRX为动态再结晶晶粒尺寸；f1、f2为与材料有关的常数；Q为动态再结晶激活能，J/mol；R为气体常数，R=8.314 J/mol；T为开尔文温度，K。对方程(10)两边取对数，得：

(11)

将试验测得的再结晶晶粒尺寸和温度、应变速率的数据代入式(11)，通过线性拟合(见图7)可得：f1=30 272.25，f2=-0.211 4，Q=-89 323.78 J/mol，所以，SA508 Gr.3Cl.1钢的动态再结晶模型为：

(12)

为验证模型的准确性，将动态再结晶晶粒尺寸实测值与计算值进行对比，如图8所示。试验值与计算值之间的相关系数R为0.97，平均相对误差为6.43%，均方根误差为7.52，因此，该模型可以比较精确地预测SA508 Gr.3Cl.1在热变形时的动态再结晶晶粒尺寸。

图8 动态再结晶晶粒尺寸实测值与计算值对比

3 结论

(1) SA508 Gr.3Cl.1钢的流动应力曲线可以分为有稳态阶段和没有稳态阶段两种。前一阶段的变形机制以动态再结晶或动态回复为主导，而后一阶段以应变硬化为主导。在高温低应变速率下，更容易发生动态再结晶，在动态再结晶进行充分的情况下，温度越高或变形速度越小，动态再结晶晶粒尺寸越大。

(2) 采用P-J法确定了SA508 Gr.3Cl.1钢动态再结晶开始发生的临界应力和临界应变，并且建立了σc、εc与Z之间关系的数学模型。考虑变形温度和应变速率对动态再结晶晶粒尺寸的影响，建立了精度较高的动态再结晶晶粒尺寸模型。所建立的数学模型可以为SA508 Gr.3Cl.1高温热变形生产实践提供理论参考。