Nb微合金化高强耐候角钢的变形抗力行为研究

贾阳光，吕若玢，韩方丁，韩 迪，陈 曦，侯 蔚，刘丽敏

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；2.内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头 014030)

变形抗力不仅是衡量材料可变形性优劣的重要标志，还是设备选择、轧辊安全校核、轧制工艺规程制定的依据[1-2]。耐候角钢具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和焊接性能，且环境友好，全寿命成本低，是输电铁塔建设的理想材料。随着电压等级提高，要求铁塔承载能力不断增强，又要尽量降低塔重和走廊占地，对高强耐候角钢需求迫切。近年来，国内轧钢厂对加热装置、精炼和轧制设备等进行了改造升级，完全具备使Nb发挥最佳强韧化的能力，因此，研究加工时的变形抗力规律，对Nb微合金化高强耐候角钢实际生产中轧制工艺参数的选取和优化工艺具有重要意义[3]。本文利用Gleeble -1500热模拟试验机和光学显微镜，分析轧制过程的变形温度、变形速率和变形程度对变形抗力的影响。

1 试验材料

试验钢所取材料为80 mm×80 mm×80 mm的锻后方坯，采用真空感应熔炼炉熔炼，单道次压缩试验压缩试样为φ8 mm×15 mm，实测成分见表1。

表1 试验钢的实测成分(质量分数) (%)

通过激光共聚焦显微镜观察轧后试验钢的纵截面显微组织(见图1)，室温组织为带状的铁素体和珠光体， 为典型的轧制后组织。其中， 黑色为珠光体，白色为铁素体，两者交替呈条带分布。应用Image-pro软件来测量晶粒，进一步进行带状组织的评级，试制钢的晶粒尺寸为7.3 μm。

图1 轧后试验钢的纵截面显微组织

2 试验钢的连续冷却转变规律

钢的动态连续冷却转变曲线(CCT曲线)可以反映在不同冷却速度下，过冷奥氏体的转变产物、转变量和硬度的变化。在新钢种的研制开发和新工艺的研究中，特别是在控制轧制和控制冷却工艺的研究过程中，CCT曲线得到了越来越广泛的应用[4-7]。

为了制定合理的变形温度和变形速率，利用Gleeble -1500热模拟试验机和光学显微镜等分析了试验钢在不同冷速下的室温组织特征，研究了试验钢的连续冷却相变组织的演变规律，试验钢的CCT曲线如图2所示。结合轧后室温组织，以及不同冷速下的室温组织特征，优选5 ℃/s。

图2 试验钢的CCT曲线

3 试验钢的再结晶规律

结合实际生产和CCT曲线，利用Gleeble -1500热模拟试验机测得在不同变形温度下变形后保温一段时间后的软化率Xs，研究试验钢奥氏体变形后轧制间歇时间内的静态再结晶行为。通常情况下静态软化分数Xs=10%～15%时即可认定为开始发生再结晶，静态软化分数Xs≥90%时就可以认为已完成再结晶[8-10]。

试验钢的静态软化动力学曲线如图3所示。由图3可以看出，在1 100 ℃变形时，间隙时间达到2 s时，就可以认为静态再结晶已经进行完全，随着温度的降低，完成静态再结晶所需要的时间逐渐增加，1 050和1 000 ℃在10 s的间隙时间内完成静态再结晶。当温度降低到950 ℃、间隙时间为90 s时，仍然没有完成静态再结晶。

图3 试验钢的静态软化动力学曲线

4 压缩试验结果分析

试验钢的单道次压缩试验工艺图如图4所示。单道次压缩试验主要包括如下步骤：第1步为参数设置阶段，保温温度为1 200 ℃，加热/冷却速度为5 ℃/s，保温5 min，应变量为0.7，测试温度即变形温度分别为1 100、1 050、1 000、950、900和850 ℃，变形速率分别为0.1、1和10 s-1；第2步为压缩试验阶段，先进行抽真空处理，然后依次加热、保温、冷却至测试温度保温1 min后进行压缩试验，变形结束后立即水淬。

图4 试验钢的单道次压缩试验工艺图

4.1 真应力-真应变曲线

b) T=1 000 ℃

4.2 变形温度对变形抗力的影响

应用Origin软件对真应力-真应变曲线数据进行非线性回归，耐候角钢在不同变形速率下，变形抗力与变形温度之间的关系如图6所示。由图6可以看出，在相同变形速率下，变形抗力σ随变形温度T的升高呈指数降低统计规律，即lnσ随着变形温度的升高呈直线降低的趋势，变形速率越低，统计规律越明显。

图6 试验钢的变形抗力与变形温度之间的关系图

4.3 变形速率对变形抗力的影响

图7 试验钢的变形抗力与变形速率之间的关系图

4.4 变形程度对变形抗力的影响

整体来看，当应变量<0.2时，应力随应变量增加而增加，变形温度越低和变形速率越慢，真应力-真应变曲线处于加工硬化主导阶段。当0.2<应变量<0.35时，应力随应变量增加而增加，变形温度越高，效果越显著，真应力-真应变曲线处于由加工硬化向动态再结晶型转变阶段。当应变量>0.35时，应力随应变量增加而趋于稳定甚至降低，变形温度越高和变形速率越慢，效果越显著，真应力-真应变曲线处于动态再结晶型主导阶段。当变形速率≤1 s-1、变形温度≥950 ℃时，变形抗力首先随着变形程度的增加而快速增大，直至出现峰值，变形抗力随变形程度增加而逐渐减小，最后趋于稳定。当变形速率>1 s-1、变形温度<950 ℃时，变形抗力随着变形程度的增加而不断增大，变形抗力的增加速率与变形程度的大小成反比[11]。

5 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)在低的变形速率和高的变形温度下，Nb微合金化高强耐候角钢才发生动态再结晶。

2)在变形温度和变形程度一定时，变形抗力随着变形速率的增加而增大。在高变形温度和低变形速率下，Nb微合金化高强耐候角钢才发生动态再结晶，变形抗力随着变形程度的增加而增大，出现峰值后，变形抗力则逐渐减小。在低变形温度和高变形速率下，变形抗力则随着变形程度的增加不断增大。在低变形温度和低变形速率下或者高变形温度和高变形速率下，变形抗力与变形程度关系较为复杂。