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1、2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 128 低碳高铌HTP钢的动态再结晶数学模型研究 邹天来，许云波，王国栋，刘相华 （东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳） 摘摘 要：要：采用 Gleeble-2000 热/力模拟试验机模拟了高 Nb 钢 HTP(High Temperature Processing)的动态软化行为，并建 立了动态再结晶数学模型，得出了峰值应力、峰值应变与 Z 参数之间的关系，为制定合理的轧制工艺提供实验和理 论依据。 关键词：关键词：数学模型；HTP；动态再结晶 Research of Dynamic Recrysta
2、llization Modeling for High Nb Micro-alloyed Steels ZOU Tianlai, XU Yunbo, WANG Guodong, LIU Xianghua (The State Key Lab of Rolling Technology and Automation, Northeastern University, Shenyang) Abstract: Dynamic recrystallization action of high Nb micro-alloyed steels has been simulated by Gleeble-2
3、000 thermal/mechanical simulation tester. Dynamic recrystallization modeling has been developed. The relationship of Peak stress, peak strain and Z parameters has been investigated. Research results can provide some advice for high Nb micro-alloyed steel rolling. Key words: mathematical modeling, hi
4、gh temperature processing, dynamic recrystallization 1 前言 由于金属热变形中内部组织结构的变化非常复杂,对于低碳高铌HTP钢流变应力的预测也就较为 困难。探讨热轧轧制过程中的组织演变行为是研究其组织与性能预报的重要内容之一。在热轧过程 中主要的微观组织变化可分为三类,一是动态变化,即变形过程中发生的加工硬化和动态回复或动态 再结晶；二是静态变化,即轧制间歇时间内静态回复或静态再结晶、晶粒长大;三是介于动态和静态之 间的状态变化,即亚动态再结晶。影响再结晶行为的因素很多,其发生都有一定的条件。 本文以低碳高铌HTP钢为研究对象,在热模拟实验
5、的基础上,分析了该钢种高温变形时动态再结 晶行为,对该钢种高温轧制过程中动态再结晶数学模型进行了探讨。 2 实验材料及方法 测试样品主要化学成分 （质量分数， %） 为： 0.024C， 0.099Nb， 0.169Si， 1.49Mn， 0.011Ti， 0.027Al， 0.26Cu，0.154Ni。将板材加工成8mm15mm的圆柱形试样。本实验在Gleeble2000热模拟试验机上 进行。采用单道次压缩，测试真应力-真应变曲线。 将试样以20/s 的速度加热到1200，保温3分钟后以10/s 的速度冷却到不同温度，保温30s以 消除试样的温度梯度，然后进行压缩变形，变形温度范围为8001
6、150，应变速率分别为0.01、0.1、 1.0和5.0s-1，应变量为1.0。具体实验工艺见图1。 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 129 图 1 单道次压缩实验图 Fig.1 Schematic illustration of single hit test 2 实验结果与分析 变形条件对高铌HTP钢流变应力的影响如图2所示。从图中整体来看，变形速率越大变形温度越 低， 动态再结晶越不容易发生。 变形速率为0. 1 s-1时， 1050时发生动态再结晶， 而变形速率为1.0 s-1 时，1100仍没有发生明显的动态再结晶，当变形速率为5.0 s-
7、1时，在实验范围内的变形温度下变形 均不发生动态再结晶。 图2 变形条件对真应力的影响 Fig.2 Effects of deformation conditions on true stress 如图 3 所示，在相同的温度下,随应变速率的增大,相同应变对应的流变应力增大,同时应变峰值 （ p ）向应变增大的方向移动。应变峰值右移说明了在大应变速率条件下动态再结晶启动困难。低 温大应变速率条件下,基本观察不到峰值应变。 图3 不同变形条件下的应力-应变曲线 Fig.3 Stress- strain curves at different deforming conditions 1200/3
8、min 20/ s 10/ s 8501150 Time/s Temperature/ 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 True stress(MPa) True strain (a) 1050 1.0s-1 0.1s-1 0.01s-1 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 1150 1100 1050 1000 950 True stress(MPa) True strain (b
9、) 0.1s-1 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 True stress (MPa) True strain (d) 5.0s-1 1000 950 1050 1100 1150 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 130 另外，通过定量描述分析不同变形条件对峰值应力（ p ）和峰值应变（ p ）的影响，如图4。 可看出, 随着变形温度的降低和应变速率的增加, 峰值应力（ p ）和峰值应变（ p ）均呈增加趋势。 6.97.07.17.27.
10、37.47.57.67.77.87.98.0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 p /MPa (10000/T)/K-1 1.0s -1 0.1s -1 0.01s -1 (a) 6.97.07.17.27.37.47.57.67.77.87.98.0 -2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 lnp (10000/T)/K-1 1.0s -1 0.1s -1 0.01s -1 (b) 图 4 变形条件对峰值应力(a)和峰值应变(b)的影响 Fig.4 Effects of deformati
11、on conditions on peak stress(a) and peak strain(b) 3 动态再结晶模型 3.1 热变形方程式 动态再结晶是一个由热激活控制的过程，流变应力和变形条件之间的关系通常用 Zener-Hollomon因子Z来表示1,2： )/(expRTQZ d = (1) 式中 d Q再结晶激活能，J/mol ； R 气体常数，R = 8.31J/ (molK)； T 热变形的绝对温度(K)。 据文献 3 Z 因子与 p 的关系可以表示为： )exp( P BAZ= (2) 式中 A、B为常数。 由式(1)和(2)可得： )exp()/(exp Pd BARTQ=
12、 (3) 对式(3)两边取对数： ARTQB dP ln)/(ln+= (4) 然后整理式(4)得： A BBRT Q B d p ln 1 ln 1 += (5) 根据实验结果， 如图5所示， 经回归分析确定B和 d Q 的值， 最终得出：B=0.0706 1 )( MPa ， d Q =365.975 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 131 kJ/mol，A= 19 103086. 9 s 。所以： )0706. 0exp(103086. 9 31. 8 10975.365 exp 9 3 p T Z= = (6) ln -5.0 -4.5 -4.0 -
13、3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 60 70 80 90 100 110 120 130 140 p/MPa 1050 1100 1150 B=0.0706 (a) 7.07.17.27.37.47.57.67.77.8 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 p/MPa (10000/T)/K-1 0.01s-1 0.1s-1 1.0s -1 Qd=365.975kJ/mol (b) 图5 各形变参数和流变应力的关系曲线 Fig.5 The curve of forging parameters
14、and flow stress 3.2 峰值应力 p 和峰值应变 p 与lnZ的关系 根据 p 与Z因子的实验关系曲线和 p 与Z因子的实验关系曲线(图6) ,回归出它们之间的关系 式。 p 与Z因子的关系式为: p =14.0031lnZ-321.77107 (7) p 与Z因子的关系式为: p =0.04488lnZ-1.11784 (8) 图6 p (a)、 p (b)与lnZ的关系 Fig.6 p and p versus ln Z 26.6 27.3 28.0 28.7 29.4 30.1 30.8 31.5 32.2 32.9 50 60 70 80 90 100 110 120
15、130 140 150 p/MPa (a) 26.6 27.3 28.0 28.7 29.4 30.1 30.8 31.5 32.2 32.9 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 p/% (b) lnZ 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 132 如上所述 p 和 p 与ln Z基本上是线性关系,它们随ln Z的增加而增大。随着变形温度的升高和变 形速率的减小，Z因子的值变小，动态再结晶的临界应变 C 也减小,因此容易发生动态再结晶。 4 结论 (1) 低碳高铌管线钢的动态再结晶激活能为365.975 kJ/mol，其
16、热变形方程式为： )0706. 0exp(103086. 9 31. 8 10975.365 exp 9 3 p T Z= = (2) 在本实验的热变形条件下,该钢种的峰值应力 p 和峰值应变 p 与ln Z基本上呈线性关系， 其具 体公式为： p =14.0031lnZ-321.77107 p =0.04488lnZ-1.11784 参考文献 1 C. M. Sellars and W. J. McG. Hot workabilityJ, Int. Metall. Rev., 1972,17:1-24. 2 C. M. Sellars: Hot Working and Forming Processes, ed. by C. M. Sellars and G. J. Davies, TMS, London, (1980), 3. 3 程晓茹，李虎兴. X65 管线钢高温变形动态再结晶研究.金属学报，1997，33(12):1275-1281.