焊接用鋼熱變形行為及其數(shù)學(xué)模型研究

  隨著我國造船、橋梁、壓力容器、輸送管道、建筑等制造工業(yè)和焊接自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，對焊接結(jié)構(gòu)件的需求量呈逐年快速上升，同時對焊接結(jié)構(gòu)件的性能要求越來越高，由此對焊接用鋼的化學(xué)成分、組織狀態(tài)等也提出了更高的要求。為了更有效控制焊接用鋼的組織和性能，有必要研究其熱變形的行為，以便為焊接用鋼在熱軋過程中通過合理的熱軋工藝制度而提高強(qiáng)度、提高塑性、改善拉拔性能 ^[1]。焊接用鋼BH08G是目前寶鋼高線生產(chǎn)的焊接用鋼的主要產(chǎn)品之一， 目前BH08G鋼的研究主要在熱處理工藝或組織性能的研究，而該鋼在高溫變形的動態(tài)再結(jié)晶行為及其動力學(xué)參數(shù)研究工作目前還未見系統(tǒng)的報道。為此本文研究BH08G鋼在不同形變條件下的熱變形行為及其動態(tài)再結(jié)晶過程的各種動力學(xué)參數(shù)，能為數(shù)值模擬提供依據(jù)，同時可以提供合理的熱塑性成形工藝，改進(jìn)材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品力學(xué)性能。

  1、BH08G鋼熱變形行為實(shí)驗(yàn)研究方法

  熱壓縮試驗(yàn)試樣BH08G取自寶鋼高線的退火態(tài)線材，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.077C、0.258Si、1.59Mn、0.34Mo、0.123Ti、0.011P、0.025S 。試樣直徑為φ10 mm，長度為12 mm，在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫壓縮變形。BH08G鋼的試驗(yàn)工藝如圖1所示，應(yīng)變速率 分別為 0.10 、5.0 和 10 (1/s)，形變溫度T分別為 950、1000 和1050 ℃，最大相對應(yīng)變?yōu)?70%．試樣以10 ℃／s的加熱速率加熱至1200℃，保溫5 min，然后以 5 ℃／s的速率降溫至形變溫度，保溫15 S 以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度，最后在變形溫度下等溫變形。所有試樣在變形結(jié)束后迅速淬火，在變形過程中，用石墨片潤滑以減小壓頭與試樣之間的摩擦作用。

   2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

   2．1  BH08G焊接用鋼形變溫度及應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響

   圖2所示為BH08G焊接用鋼在不同變形溫度T和應(yīng)變速率 下的高溫應(yīng)力一應(yīng)變曲線。由圖可見，當(dāng)應(yīng)變速度 較低( =0．1  1/s )時，σε曲線均出現(xiàn)峰值 (見圖2(a))，屬動態(tài)再結(jié)晶型；而當(dāng) 達(dá)到 5 (1/s) (見圖2(b))時，只在變形溫度 T >1000℃時，材料才在變形時發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，T 低于950℃時， σε曲線不出現(xiàn)峰值，材料在變形過程中只發(fā)生動態(tài)回復(fù)，而不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶； 當(dāng) 升高到10（1/s）時，即使 T 升高到950℃， σ—ε 曲線亦不出現(xiàn)峰值(見圖2(c))，仍屬動態(tài)回復(fù)型．這一結(jié)果表明， 較低時，材料中的儲存能較高，從而有利于材料在熱變形過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，且隨T的升高，峰值應(yīng)力下降(見圖2)，即T愈高，愈有利于動態(tài)再結(jié)晶。在生產(chǎn)中，通過升高T 并降低 ，可使材料迅速達(dá)到動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)，從而有利于變形金屬的晶粒細(xì)化。一般認(rèn)為，具有動態(tài)回復(fù)機(jī)制的流變應(yīng)力曲線可分為兩種情況：① 當(dāng)加工硬化和動態(tài)回復(fù)基本達(dá)到平衡時應(yīng)力趨向恒定值；② 動態(tài)回復(fù)發(fā)生后，仍有加工硬化，σε曲線的最后階段仍呈上升趨勢．由圖2(b)、(c)可見，當(dāng)T ≤ 950℃，且 >5（1/ s） 時，曲線為典型的加工硬化和動態(tài)回復(fù)基本平衡類型。

2．2  BH08G焊接用鋼形變激活能及峰值應(yīng)力的確定

在熱變形過程中高溫屈服應(yīng)力決定于變形溫度 T 和應(yīng)變速度 ,該關(guān)系可以用如下蠕變方程表示 ^[2-4]:

式中：Z 為 Zener—Hollomon參數(shù)(溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子)Q 為形變激活能，反映材料熱變形的動態(tài)再結(jié)晶難易程度T 為變形溫度（K）R 為氣體常數(shù)f(σ)為應(yīng)力函數(shù)為變形速率（1/S）當(dāng)變形溫度T愈低、變形速率 愈大時，Z值變大，動態(tài)再結(jié)晶開始的變形量和動態(tài)再結(jié)晶完成的變形量也變大，也就是說需要一個較大的變形量才能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。分析表明 ，峰值應(yīng)力 、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和任意應(yīng)變時刻對應(yīng)的流變應(yīng)力都符合式(1)，f(σ)有兩種表示形式：

式中： 、 、 為常數(shù)， n為應(yīng)力指數(shù)。一般認(rèn)為，式（2）適用于應(yīng)力較高的熱變形，式（3）適用于應(yīng)力較低的熱變形，兩式如應(yīng)用于不合適的應(yīng)力條件，則會造成較大誤差。通過對多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對于寶鋼高線的軋制條件的熱變形工藝狀況，用式（2）計(jì)算BH08G焊接用鋼形變激活能是比較適合的。式（3）中的 一般認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)應(yīng)力 ，但由于 的精度受測量精度的影響較大，故一般用峰值應(yīng)力 代替 。所以Z因子與峰值應(yīng)力 的關(guān)系可以表示為：

由BH08G焊接用鋼的高溫應(yīng)力—應(yīng)變曲線上采集 、 、 值，對（6）式進(jìn)行線性回歸，從而確定其中的參數(shù) 、 、 。這樣可以求得BH08G焊接用鋼動態(tài)再結(jié)晶的形變激活能 ，而 ， （MPa-1）。所以：

在本文的研究條件下，BH08G焊接用鋼的

2．3  BH08G焊接用鋼峰值應(yīng)力 、應(yīng)變 、動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變 和完成應(yīng)變 與 的關(guān)系 ^[5-7]

為了進(jìn)一步確定變形參數(shù)與 Z 因子的關(guān)系，建立峰值應(yīng)力 、應(yīng)變 、動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變 與Z 因子的關(guān)系，便于軋制生產(chǎn)中對BH08G焊接用鋼的動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行有效的控制。根據(jù)應(yīng)變 與Z 因子的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線（如圖3所示）和峰值應(yīng)力 與Z 因子的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線（如圖3所示），回歸出它們之間的關(guān)系。

根據(jù)動態(tài)再結(jié)晶完成應(yīng)變 與Z 因子的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線（如圖4所示），回歸出它們之間的關(guān)系。

焊接用鋼的動態(tài)再結(jié)晶完成應(yīng)變 與ln(Z) 因子的關(guān)系為：

從圖3、圖4看出，峰值應(yīng)力 、應(yīng)變 、動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變 和動態(tài)再結(jié)晶完成應(yīng)變 與 的關(guān)系見， 與lnZ基本上是線性關(guān)系，并且隨lnZ增加而增大。隨著變形溫度的升高和變形速率的減小，Z因子值降低，動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變量 和動態(tài)再結(jié)晶的完成應(yīng)變量 也逐漸減小，即容易發(fā)生和完成動態(tài)再結(jié)晶。

2．4  BHO08G鋼的動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖

確定BHO08G鋼動態(tài)再結(jié)晶開始的臨界應(yīng)變 、動態(tài)再結(jié)晶的完成應(yīng)變量 對實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用是很重要的，它們對建立BHO08G鋼動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程也有著重要的意義。根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)回歸建立的BHO08G鋼動態(tài)再結(jié)晶開始的臨界應(yīng)變 、動態(tài)再結(jié)晶的完成應(yīng)變量 與Z因子的關(guān)系，可以建立BHO08G鋼動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖（如圖5所示）。

由圖5可見，隨著 Z因子的降低，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變降低。圖中還標(biāo)出了不同熱變形條件下奧氏體所處的組織狀態(tài)，其中，A 區(qū)為完全動態(tài)再結(jié)晶區(qū)；B 區(qū)為部分動態(tài)再結(jié)晶區(qū)；C區(qū)為未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶區(qū)，即加工硬化區(qū)。動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖能衡量不同形變條件下鋼中動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的程度。通過應(yīng)變速率和變形溫度對變形機(jī)制產(chǎn)生影響的分析，升高變形溫度和降低變形速率均有利于變形過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，從而有利于變形晶粒的細(xì)化，改善材料的機(jī)械性能。

3、結(jié)論

3）建立BHO08G鋼動態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)圖，可以確定不同形變條件下鋼中動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的程度和奧氏體所處的組織狀態(tài)。

（4）在寶鋼高線的實(shí)際生產(chǎn)中，BH08G焊接用鋼線材軋制時的粗軋變形溫度為980—1050℃，應(yīng)變速率為10（1/s）以下，道次變形量不小于30%，因此BH08G焊接用鋼在上述工藝條件下可以發(fā)生和完成動態(tài)再結(jié)晶。而予精軋和精軋變形溫度為930—980℃，盡管應(yīng)變速率大于10（1/s），但由于軋制道次之間的間隙時間很短，可以抑制靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，獲得較大的累積形變儲能而引發(fā)動態(tài)再結(jié)晶，從而有利于變形晶粒的細(xì)化，改善材料的機(jī)械性能。