D0I:10.13374/1.issnl00I103.2008.04.040 第30卷第4期 北京科技大学学报 Vol.30 No.4 2008年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2008 低碳含铌钢粗大奥氏体的静态再结晶 薛春霞)张玲杨王那)孙祖庆 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用Gleeble1500热模拟机研究了Nb质量分数0.089%的高温热机械轧制钢(4#Nb钢)在粗大奥氏体晶粒条件下 的静态再结晶规律.作为对比，同时研究了一种铌质量分数0.049%的低碳含锟钢(2Nb钢)的静态再结晶规律.实验结果表 明：4*Nb钢的静态再结晶动力学过程比2Nb钢慢，在高温时差异较小：随着形变温度的降低，4Nb钢的静态再结晶动力学 被极大地延迟。根据实验数据建立了静态再结晶模型，该模型对轧制工艺的制定有一定的指导意义， 关键词含锟钢：薄板坯连铸连轧：奥氏体：静态再结晶 分类号TG111.7:TG142.31 Static recrystallization in low-carbon niobium-microalloyed steels with coarse austenite XUE Chunxia),ZHA NG Ling?),YA NG Wangyue2).SUN Zuqing) 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The static recrystallization behavior of a high temperature processing (HTP)steel containing 0.08%Nb(4 Nb steel) with coarse austenite was investigated by using a thermo"mechanical simulator Gleeble 1500.A low carbon steel containing 0.049 Nb(2Nb steel)was also studied as a comparison.The results indicate that the static recrystallization kinetics process of 4Nb steel is slightly slower than that of 2Nb steel at high deformation temperature.The recrystallization of 4 Nb steel is greatly retarded with decreasing deformation temperature.According to experimental data,a mathematical model of static recrystallization was developed, which can provide theoretical guidance for designing the industrial rolling procedure. KEY WORDS niobium"microalloyed steel:thin slab casting and rolling:austenite:static recrystallization 近年来，利用薄板坯连铸连轧(thin slab casting 奥氏体再结晶，从而能够在较高的终轧温度下实现 and rolling,TSCR)工艺生产低合金高强度钢已成 材料生产，既保证了高温下热机械轧制的有效作用 为研究和开发微合金钢的热点，尤其是含铌管线钢 又降低了轧机负荷。目前，在薄板坯连铸连轧生产 的开发成功及批量生产将大大带动其他系列不同用 线上生产HTP钢少有报导.因此，本文利用Gleeble 途的低合金高强度钢品种的开发，考虑到薄板坯连 1500热模拟机研究了一种Nb质量分数0.089%的 铸连轧工艺中轧制道次少、比传统控制轧制过程中 HTP钢(4Nb钢)在粗大奥氏体晶粒条件下的静态 的固溶微合金元素多、道次间隔时间短等特点山， 再结晶规律；作为对比，同时研究了一种Nb质量分 在薄板坯连铸连轧生产线上开发高温热机械轧制 数0.049%的低碳含铌钢(2+Nb钢)的静态再结晶 (high temperature processing,HTP)钢有很大优势， 规律 HTP技术[通过添加含量较高的铌，极大地延迟了 1实验材料及方法 收稿日期：2007-02-24修回日期：2007-04-02 实验用低碳含铌钢在真空感应炉中铸造成 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(No: 40kg的钢锭，其化学成分见表1.为了能够使微合 2007AA03z501):国家自然科学基金资助项目(No.50774008) 金元素在锻造时处于固溶状态，铸坯在1250℃保温 作者简介：薛春霞(1981一)，女，硕士研究生：孙祖庆(1944-)，男， 教授，博士生导师，Email:zqsun(@ustb.edu-cn 3h后始锻，900℃终锻为13mmX500mm的圆棒， 锻后正火，正火工艺为900℃保温20min后空冷.圆
低碳含铌钢粗大奥氏体的静态再结晶 薛春霞1） 张 玲2） 杨王 2） 孙祖庆1） 1） 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 2） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 利用 Gleeble1500热模拟机研究了 Nb 质量分数0∙089％的高温热机械轧制钢（4＃Nb 钢）在粗大奥氏体晶粒条件下 的静态再结晶规律．作为对比同时研究了一种铌质量分数0∙049％的低碳含铌钢（2＃Nb 钢）的静态再结晶规律．实验结果表 明：4＃Nb 钢的静态再结晶动力学过程比2＃Nb 钢慢在高温时差异较小；随着形变温度的降低4＃Nb 钢的静态再结晶动力学 被极大地延迟．根据实验数据建立了静态再结晶模型该模型对轧制工艺的制定有一定的指导意义． 关键词 含铌钢；薄板坯连铸连轧；奥氏体；静态再结晶 分类号 TG111∙7；TG142∙31 Static recrystallization in low-carbon niobium-microalloyed steels with coarse austenite XUE Chunxia 1）ZHA NG Ling 2）Y A NG W angyue 2）SUN Zuqing 1） 1） State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he static recrystallization behavior of a high temperature processing （HTP） steel containing0∙08％ Nb （4＃ Nb steel） with coarse austenite was investigated by using a thermo-mechanical simulator Gleeble1500．A low carbon steel containing0∙049％ Nb （2＃Nb steel） was also studied as a comparison．T he results indicate that the static recrystallization kinetics process of 4＃Nb steel is slightly slower than that of2＃Nb steel at high deformation temperature．T he recrystallization of4＃Nb steel is greatly retarded with decreasing deformation temperature．According to experimental dataa mathematical model of static recrystallization was developed which can provide theoretical guidance for designing the industrial rolling procedure． KEY WORDS niobium-microalloyed steel；thin slab casting and rolling；austenite；static recrystallization 收稿日期：2007-02-24 修回日期：2007-04-02 基金 项 目： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （ No． 2007AA03Z501）；国家自然科学基金资助项目（No．50774008） 作者简介：薛春霞（1981—）女硕士研究生；孙祖庆（1944—）男 教授博士生导师E-mail：zqsun＠ustb．edu．cn 近年来利用薄板坯连铸连轧（thin slab casting and rollingTSCR）工艺生产低合金高强度钢已成 为研究和开发微合金钢的热点尤其是含铌管线钢 的开发成功及批量生产将大大带动其他系列不同用 途的低合金高强度钢品种的开发．考虑到薄板坯连 铸连轧工艺中轧制道次少、比传统控制轧制过程中 的固溶微合金元素多、道次间隔时间短等特点［1］ 在薄板坯连铸连轧生产线上开发高温热机械轧制 （high temperature processingHTP）钢有很大优势． HTP 技术［2］通过添加含量较高的铌极大地延迟了 奥氏体再结晶从而能够在较高的终轧温度下实现 材料生产既保证了高温下热机械轧制的有效作用 又降低了轧机负荷．目前在薄板坯连铸连轧生产 线上生产 HTP 钢少有报导．因此本文利用 Gleeble 1500热模拟机研究了一种 Nb 质量分数0∙089％的 HTP 钢（4＃Nb 钢）在粗大奥氏体晶粒条件下的静态 再结晶规律；作为对比同时研究了一种 Nb 质量分 数0∙049％的低碳含铌钢（2＃ Nb 钢）的静态再结晶 规律． 1 实验材料及方法 实验用低碳含铌钢在真空感应炉中铸造成 40kg的钢锭其化学成分见表1．为了能够使微合 金元素在锻造时处于固溶状态铸坯在1250℃保温 3h后始锻900℃终锻为●13mm×500mm的圆棒 锻后正火正火工艺为900℃保温20min后空冷．圆 第30卷 第4期 2008年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．4 Apr．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．04．040
第4期 薛春霞等：低碳含铌钢粗大奥氏体的静态再结晶 375 棒经机加工成8mm×20mm的圆柱试样，在Glee~ ble1500热模拟机上进行单向热压缩实验， 表1实验用钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental materials % 钢种 C Mn Si Nb Al N 2Nb 0.060 1.24 0.29 0.0036 0.010 0.049 ≤0.01 0.0025 4Nb 0.032 1.25 0.36 0.0053 0.010 0.089 ≤0.01 0.0027 实验用钢的静态再结晶研究可以采用加载卸 别为第1和第2道次应变为2%时的应力值，如 载实验]，也称为Double hit实验，其工艺如图1 图2所示应力应变曲线与虚线的交点 所示.试样经奥氏体化后以15℃·s1速度冷至 变形后等温不同时间的显微组织（图1中的位 1150~900℃进行两道次变形，每50℃为一间隔. 置A)可以直接利用金相显微镜观察，淬火的试样 道次停留时间t从0.4s到1000s,应变速率为1,2 沿中心轴剖开后制成金相试样，采用苦味酸十缓蚀 和5s1,应变量为0.2,0.3和0.35，两道次的应变 剂浸蚀奥氏体组织，利用网格法统计再结晶百分 量相同，为了获得与TSDR生产的铸态组织相当的 数，由于在再结晶接近完成时已发生再结晶的晶粒 粗大奥氏体晶粒，4Nb钢在1330℃奥氏体化，保 与未再结晶晶粒在一定程度上难以区分，所以利用 温5min,原始奥氏体平均晶粒尺寸约为817m; 截线法统计平均晶粒尺寸时不区分已发生再结晶的 2#Nb钢在1350℃奥氏体化保温5min后的原始奥 晶粒与未再结晶的晶粒 氏体平均晶粒尺寸约为807m.利用加载卸载实 验得到的应力一应变曲线如图2所示.软化分数 2实验结果与讨论 X可以利用下式确定： 2.1静态再结晶组织 Xn=(Gm-G2)/(Gm-01) (1) (1)铌处于固溶状态时的静态再结晶组织. 式中，om为第一道次结束时的应力值；o1和2分 图3是2#Nb钢和4#Nb钢在1100℃、2s1、变形 0.3并保温不同时间后的显微组织演变，其中再结 T 晶百分数X为实际测量值，在此温度下微合金元 2℃·s 15℃·8 E=E 素Nb处于固溶状态，钢中加入微合金元素Nb会 1300℃ T.e M M 影响基体材料的再结晶过程，处于固溶状态的微合 20℃s+ 淬火 金元素Nb原子在晶界附近偏聚，对晶界产生拖曳 作用，固溶的微合金元素越多，对晶界的拖曳作用 时间tmin 越大[).4*N钢的固溶N含量比2#Nb钢高，因 此对再结晶的阻碍作用更大，从图3可以看出，在 图1静态再结晶实验工艺图 同一变形条件下4Nb钢的再结晶比2#Nb钢进行 Fig.1 Schematic diagram of the static recrystallization process 得慢.2Nb钢在1100℃变形后等温1s时，再结晶 百分数已接近50%，再结晶晶粒已占据原始奥氏体 120 晶界、亚晶界、形变带及孪晶界等位置，并向晶内推 100 1s. 进.而4Nb钢的再结晶百分数仅为30%，组织中 80 仍有粗大奥氏体晶粒.随着等温时间的延长再结晶 d. 百分数增加，再结晶组织逐渐消耗未再结晶区并向 407 4#Nb D=817μm 原奥氏体晶内推进，到5s时2#Nb钢已基本完成静 20 1100℃.2s 态再结晶，部分晶粒可能已经发生长大，而4Nb钢 0 02 0.4 0.6 在10s时再结晶才基本完成. 真应变 (2)铌发生析出时的显微组织.随着形变温度 图24÷Nb在1100℃，2s预变形0.3后等温不同时间的应力 降低，微合金元素在钢中的固溶度降低，等温过程 一应变曲线 中，铌元素开始以碳、氮化物的形式析出，析出颗粒 Fig-2 Stressto strain curves of 4 Nb steel deformed to 0.3 at 由于钉扎作用限制了晶界的移动和位错的重排，能 1100C and 2swith different holding time periods 延缓甚至阻止再结晶过程的进行可，实验用钢在
棒经机加工成●8mm×20mm的圆柱试样在 Glee- ble1500热模拟机上进行单向热压缩实验． 表1 实验用钢的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of experimental materials ％ 钢种 C Mn Si S P Nb Al N 2＃Nb 0∙060 1∙24 0∙29 0∙0036 0∙010 0∙049 ≤0∙01 0∙0025 4＃Nb 0∙032 1∙25 0∙36 0∙0053 0∙010 0∙089 ≤0∙01 0∙0027 实验用钢的静态再结晶研究可以采用加载—卸 载实验［3］也称为 Double—hit 实验其工艺如图1 所示．试样经奥氏体化后以15℃·s —1速度冷至 1150～900℃进行两道次变形每50℃为一间隔． 道次停留时间 t 从0∙4s 到1000s应变速率为12 和5s —1应变量为0∙20∙3和0∙35两道次的应变 量相同．为了获得与 TSDR 生产的铸态组织相当的 粗大奥氏体晶粒4＃ Nb 钢在1330℃奥氏体化保 温5min原始奥氏体平均晶粒尺寸约为817μm； 2＃Nb钢在1350℃奥氏体化保温5min 后的原始奥 氏体平均晶粒尺寸约为807μm．利用加载—卸载实 验得到的应力—应变曲线如图2所示．软化分数 Xsrx可以利用下式确定： Xsrx＝（σm—σ2）／（σm—σ1） （1） 式中σm 为第一道次结束时的应力值；σ1和σ2分 图1 静态再结晶实验工艺图 Fig．1 Schematic diagram of the static recrystallization process 图2 4＃Nb 在1100℃、2s —1预变形0∙3后等温不同时间的应力 —应变曲线 Fig．2 Stress-to-strain curves of 4＃ Nb steel deformed to 0∙3 at 1100℃ and2s —1with different holding time periods 别为第1和第2道次应变为2％时［3］的应力值如 图2所示应力—应变曲线与虚线的交点． 变形后等温不同时间的显微组织（图1中的位 置 A）可以直接利用金相显微镜观察．淬火的试样 沿中心轴剖开后制成金相试样采用苦味酸＋缓蚀 剂浸蚀奥氏体组织．利用网格法统计再结晶百分 数．由于在再结晶接近完成时已发生再结晶的晶粒 与未再结晶晶粒在一定程度上难以区分所以利用 截线法统计平均晶粒尺寸时不区分已发生再结晶的 晶粒与未再结晶的晶粒． 2 实验结果与讨论 2∙1 静态再结晶组织 （1） 铌处于固溶状态时的静态再结晶组织． 图3是2＃ Nb 钢和4＃ Nb 钢在1100℃、2s —1、变形 0∙3并保温不同时间后的显微组织演变其中再结 晶百分数 Xsrx为实际测量值在此温度下微合金元 素 Nb 处于固溶状态．钢中加入微合金元素 Nb 会 影响基体材料的再结晶过程处于固溶状态的微合 金元素 Nb 原子在晶界附近偏聚对晶界产生拖曳 作用．固溶的微合金元素越多对晶界的拖曳作用 越大［4］．4＃Nb 钢的固溶 Nb 含量比2＃Nb 钢高因 此对再结晶的阻碍作用更大．从图3可以看出在 同一变形条件下4＃Nb 钢的再结晶比2＃Nb 钢进行 得慢．2＃Nb 钢在1100℃变形后等温1s 时再结晶 百分数已接近50％再结晶晶粒已占据原始奥氏体 晶界、亚晶界、形变带及孪晶界等位置并向晶内推 进．而4＃Nb 钢的再结晶百分数仅为30％组织中 仍有粗大奥氏体晶粒．随着等温时间的延长再结晶 百分数增加再结晶组织逐渐消耗未再结晶区并向 原奥氏体晶内推进到5s 时2＃Nb 钢已基本完成静 态再结晶部分晶粒可能已经发生长大而4＃Nb 钢 在10s 时再结晶才基本完成． （2） 铌发生析出时的显微组织．随着形变温度 降低微合金元素在钢中的固溶度降低．等温过程 中铌元素开始以碳、氮化物的形式析出析出颗粒 由于钉扎作用限制了晶界的移动和位错的重排能 延缓甚至阻止再结晶过程的进行［5］．实验用钢在 第4期 薛春霞等： 低碳含铌钢粗大奥氏体的静态再结晶 ·375·
.376. 北京科技大学学报 第30卷 950℃、2s1变形0.3后保温20s及100s的显微组 温100s时增加到约20%，如图4(a,b)所示；4Nb 织如图4所示.在此温度下，虽然铌元素已经开始 钢含Nb量较高，析出对再结晶的阻碍作用较大，再 析出，但是由于Nb含量较低，2#Nb钢的再结晶过 结晶过程很慢，如图4(d)所示，在100s内都没有观 程仍能进行，保温20s时再结晶百分数约为8%，保 察到静态再结晶 a (c) 100μm 100um )4m 图32Nb钢和4Nb钢在1100℃，2，变形0.3保温不同时间后的组织演变.(a)2°Nb钢，t=1,Xa=48%;(b)2Nb钢，t=5s, Xa=86%;(c)2*Nb钢，t=10s,Xa=98%;(d)4Nb钢，t=1s,Xa=31%:(e)4*Nb钢，t=5s,Xa=77%;()4Nb钢，t=10 s,Xa=86% Fig-3 Microstructure evolution of the tested stee deformed toat 1100C and 2swith different holding time periods:(a)2Nb steel. 1s.X=48%:(b)2 Nb steel.t=5s.Xn=86%:(c)2 Nb steel.t=10s.Xn=98%:(d)4 Nb steel.t=1s.n=31%:(e)45 Nb steel.t=5s.n=77%:(f)4#Nb steel.t=10s:X.n=86% 00m 100m 图4实验用钢在950℃、2s-1变形0.3后的显微组织.(a)2#Nb钢，t=20s,Xm=8%;(b)2Nb钢，t=100s,Xm=20%;(c)4°Nb 钢，t=20,Xa=0:(d)4Nb钢，t=100s,Xa=0 Fig-4 Microstructure evolution of the tested steels deformed to 0.3 at 950 C and 2s:(a)2Nb steel.t=20s.%:(b)2Nb steel. t=100s.X.n=20%:(c)4 Nb steel.t=20s.X.n=0:(d)4Nb stecl.t=100s.Xn=0 2.2静态再结晶动力学 导析出而引起应力硬化.实验用钢在1150~ 在道次停留时间内，试样会因发生静态回复和 900℃，2s1预变形0.3时的软化曲线如图5所示. 静态再结晶而引起应力软化，也会因为发生形变诱 从图中可以看到，实验用钢在形变温度高于1000℃
950℃、2s —1变形0∙3后保温20s 及100s 的显微组 织如图4所示．在此温度下虽然铌元素已经开始 析出但是由于 Nb 含量较低2＃Nb 钢的再结晶过 程仍能进行保温20s 时再结晶百分数约为8％保 温100s 时增加到约20％如图4（ab）所示；4＃Nb 钢含 Nb 量较高析出对再结晶的阻碍作用较大再 结晶过程很慢如图4（d）所示在100s 内都没有观 察到静态再结晶． 图3 2＃Nb 钢和4＃Nb 钢在1100℃、2s —1变形0∙3保温不同时间后的组织演变．（a）2＃Nb 钢t＝1sXsrx＝48％；（b）2＃Nb 钢t＝5s Xsrx＝86％；（c）2＃Nb 钢t＝10sXsrx＝98％；（d）4＃Nb 钢t＝1sXsrx＝31％；（e）4＃Nb 钢t＝5sXsrx＝77％；（f）4＃Nb 钢t＝10 sXsrx＝86％ Fig．3 Microstructure evolution of the tested steel deformed to0∙3at1100℃ and2s —1with different holding time periods：（a）2＃Nb steelt＝ 1sXsrx＝48％；（b）2＃Nb steelt＝5sXsrx＝86％；（c）2＃Nb steelt＝10sXsrx＝98％；（d）4＃Nb steelt＝1sXsrx＝31％；（e）4＃Nb steelt＝5sXsrx＝77％；（f）4＃Nb steelt＝10sXsrx＝86％ 图4 实验用钢在950℃、2s —1变形0∙3后的显微组织．（a）2＃Nb 钢t＝20sXsrx＝8％；（b）2＃Nb 钢t＝100sXsrx＝20％；（c）4＃Nb 钢t＝20sXsrx＝0；（d）4＃Nb 钢t＝100sXsrx＝0 Fig．4 Microstructure evolution of the tested steels deformed to0∙3at 950℃ and2s —1：（a）2＃Nb steelt＝20sXsrx＝8％；（b）2＃Nb steel t＝100sXsrx＝20％；（c）4＃Nb steelt＝20sXsrx＝0；（d）4＃Nb steelt＝100sXsrx＝0 2∙2 静态再结晶动力学 在道次停留时间内试样会因发生静态回复和 静态再结晶而引起应力软化也会因为发生形变诱 导析出而引起应力硬化．实 验 用 钢 在 1150～ 900℃、2s —1预变形0∙3时的软化曲线如图5所示． 从图中可以看到实验用钢在形变温度高于1000℃ ·376· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 薛春霞等：低碳含铌钢粗大奥氏体的静态再结晶 377 时，在道次停留时间内主要发生静态回复和静态再 分数与实际测量的再结晶百分数相近，即认为此时 结晶，再结晶（软化）动力学曲线具有完整的$ 的静态再结晶百分数等于软化分数，当形变温度低 形6].随着形变温度降低，微合金元素Nb在基体 于1000℃时，如2#Nb钢在950℃变形0.3后等温 中的溶解度降低，铌元素开始析出，析出颗粒通过钉 20s时的静态再结晶百分数只有8%左右 扎作用阻碍静态再结晶，如图5中当形变温度低于 (图4(a),远小于图5(a)中的软化分数30%.同 1000℃时，静态再结晶受到析出的阻碍而变缓，软 样，4Nb钢在950℃变形0.3后等温100s时显微 化曲线不再是完整的S形曲线，会出现一个平台或 组织没有发生静态再结晶（图4(d),但是图5(b)中 凸起(hump)[.对比图5中的软化分数与图3和 的软化分数已经有20%，因此可以认为软化曲线中 图4测量得到的再结晶百分数可以得到，在形变温 约20%的软化是由静态回复引起的，这和Palmiere 度高于1000℃时，由于静态再结晶发生较快，软化 等门的报道是一致的 曲线中由静态回复引起的软化所占比例较小，软化 从图5可以看出，当铌的质量分数从0.049% 100(a) 100(b)4"Nb 口1150℃ e-0.3,e=2s 口1150℃ m1000T 80o1100℃ 80F 604 △1050℃o 01100℃ 围1000℃ 60 △1050℃ ●9509℃ 950℃ 0 4900℃ % 900T 20 ◆2"Nb 20 0 石名上平小6 e0.3,e=2s1 0 0.1 10 1001000 10 100 1000 时间s 时间s 图5实验用钢在1150~900℃、2s-1变形0.3时的软化曲线.(a)2*Nb钢：(b)4*Nb钢 Fig-5 Softening curves of the tested steels deformed to 0.3 at 1150 to 900 C and 2s:(a)2Nb steel:(b)4Nb steel 增加到0.089%时，发生50%再结晶所需的时间 奥氏体晶粒较粗大时取m=18], (t0.5x)有所增加，再结晶过程被延迟.高温时两个 为了容易比较两个钢种的再结晶动力学，拟合 钢种的差异较小，如在1150℃时2Nb钢的t0.5s t0.5公式时力求用相同形式，对式(3)两边取对 为0.62s,而4#Nb钢为1.19s;在1050℃时，2#Nb 钢的t0.5a为2.62s,4Nb钢为4.05s,相差不到 数，得到1a0sa℃品，则直线的斜率即为所求的激 2s·这说明形变温度较高时，固溶铌含量对再结晶 活能，如图6(a)所示.2*N钢的激活能Q为 动力学的影响较小，而在低温时差异很明显，如在 249.4 kJ'mol-1,4*Nb钢为256.2 kJ.mol-1.从激 950℃时2#Nb钢的t0.5n为20s左右，4#Nb钢则 活能的差值可以看出，2#Nb钢和4#Nb钢在Nb完 延长到约1000s左右，再结晶过程受到了极大地阻 全固溶时的静态再结晶动力学相差较小，利用最小 碍 二乘法拟合实验数据后得到： 2.3静态再结晶模型 t0.5n=3.23X10-15D0e-4.2-0.13 Q 如前所述，当微合金元素铌处于固溶状态时，奥 exp RT) (4) 氏体的静态再结晶动力学曲线呈$型，动力学遵循 对式(2)两边取双对数可知lnln Avrami方程[4)， Xm=1-exp-0.693 ,直线的斜率即为n,据本实验所测的数 2 to.5 to.5ar 据拟合得到n值为l,如图6(b)所示，与Fernandez 式中，Xn是静态再结晶百分数或软化分数，n是 等[8]所得到的n值接近· Avrami指数，to.5是发生50%再结晶时所对应的 当形变温度高于1000℃时，两个钢种在10s内 时间，可表示为[闺 均能够完成静态再结晶，大量研究表明，完成再结 Q t0.5a-AD8E P exp RT (3) 晶后的晶粒尺寸与形变温度等无关，而与应变量及 原始奥氏体晶粒尺寸的关系可以表示为0]： 式中，D0为原始奥氏体晶粒尺寸，A、m、p和q是 D=ADBE (5) 与材料有关的常数，Q是激活能，R是气体常数，在
时在道次停留时间内主要发生静态回复和静态再 结晶再结晶 （软化） 动力学曲线具有完整的 S 形［6］．随着形变温度降低微合金元素 Nb 在基体 中的溶解度降低铌元素开始析出析出颗粒通过钉 扎作用阻碍静态再结晶．如图5中当形变温度低于 1000℃时静态再结晶受到析出的阻碍而变缓软 化曲线不再是完整的 S 形曲线会出现一个平台或 凸起（hump） ［6］．对比图5中的软化分数与图3和 图4测量得到的再结晶百分数可以得到在形变温 度高于1000℃时由于静态再结晶发生较快软化 曲线中由静态回复引起的软化所占比例较小软化 分数与实际测量的再结晶百分数相近即认为此时 的静态再结晶百分数等于软化分数．当形变温度低 于1000℃时如2＃Nb 钢在950℃变形0∙3后等温 20s 时 的 静 态 再 结 晶 百 分 数 只 有 8％ 左 右 （图4（a））远小于图5（a）中的软化分数30％．同 样4＃Nb 钢在950℃变形0∙3后等温100s 时显微 组织没有发生静态再结晶（图4（d））但是图5（b）中 的软化分数已经有20％因此可以认为软化曲线中 约20％的软化是由静态回复引起的这和 Palmiere 等［7］的报道是一致的． 从图5可以看出当铌的质量分数从0∙049％ 图5 实验用钢在1150～900℃、2s —1变形0∙3时的软化曲线．（a）2＃Nb 钢；（b）4＃Nb 钢 Fig．5 Softening curves of the tested steels deformed to0∙3at 1150to900℃ and2s —1：（a）2＃Nb steel；（b）4＃Nb steel 增加到0∙089％时发生50％再结晶所需的时间 （ t0∙5srx）有所增加再结晶过程被延迟．高温时两个 钢种的差异较小如在1150℃时2＃Nb 钢的 t0∙5srx 为0∙62s而4＃Nb 钢为1∙19s；在1050℃时2＃Nb 钢的 t0∙5srx 为2∙62s4＃ Nb 钢为4∙05s相差不到 2s．这说明形变温度较高时固溶铌含量对再结晶 动力学的影响较小而在低温时差异很明显．如在 950℃时2＃Nb 钢的 t0∙5srx为20s 左右4＃ Nb 钢则 延长到约1000s左右再结晶过程受到了极大地阻 碍． 2∙3 静态再结晶模型 如前所述当微合金元素铌处于固溶状态时奥 氏体的静态再结晶动力学曲线呈 S 型动力学遵循 Avrami 方程［4］： Xsrx＝1—exp —0∙693 t t0∙5srx n （2） 式中Xsrx 是静态再结晶百分数或软化分数n 是 Avrami 指数t0∙5srx是发生50％再结晶时所对应的 时间可表示为［4］： t0∙5srx＝ AD m 0ε—pε ·—q exp Q RT （3） 式中D0 为原始奥氏体晶粒尺寸A、m、p 和 q 是 与材料有关的常数Q 是激活能R 是气体常数在 奥氏体晶粒较粗大时取 m＝1［8］． 为了容易比较两个钢种的再结晶动力学拟合 t0∙5srx公式时力求用相同形式．对式（3）两边取对 数得到 ln t0∙5srx∝ Q RT 则直线的斜率即为所求的激 活能如图6（a） 所示．2＃ Nb 钢的激活能 Q 为 249∙4kJ·mol —14＃ Nb 钢为256∙2kJ·mol —1．从激 活能的差值可以看出2＃Nb 钢和4＃Nb 钢在 Nb 完 全固溶时的静态再结晶动力学相差较小．利用最小 二乘法拟合实验数据后得到： t0∙5srx＝3∙23×10—15D0ε—4∙2ε ·—0∙13exp Q RT （4） 对式（2）两边取双对数可知 ln ln 1 1—Xsrx ∝ nln t t0∙5srx 直线的斜率即为 n据本实验所测的数 据拟合得到 n 值为1如图6（b）所示与 Fernández 等［8］所得到的 n 值接近． 当形变温度高于1000℃时两个钢种在10s 内 均能够完成静态再结晶．大量研究表明完成再结 晶后的晶粒尺寸与形变温度等无关而与应变量及 原始奥氏体晶粒尺寸的关系可以表示为［9—10］： Dsrx＝ AD p 0ε—q （5） 第4期 薛春霞等： 低碳含铌钢粗大奥氏体的静态再结晶 ·377·
.378. 北京科技大学学报 第30卷 3.0 (a) 2(b) 2.5 Q-256.2 kJ.mol 2.0 A2'Nb 31.5 ■4°Nb ■ 1 星10 -2 0.5 △2'Nb Q-249.4kJ-mo1 -4 ■4"Nb 0 -5 0.5 -6 7.0 7.2 7.47.6 7.88.0 6543210123 (1000/T)K-4 In(t/ts) 图6lnto.ia与1/T(a)lnln[1/(1-Xa)]}与ln(t/to.5a)(b)的线性关系 Fig-6 Linear relationships of In to.5 and 1/T (a).In(In[1/(1-)]and In(t/to.s)(b) 在传统热轧条件下式(5)中的系数值A处于 2006,6(2):1 0.743~1.9之间9=01.在本次实验中，对式(5)两 (Hulka K,Bordignon P,Gray M.含铌0.06%~0.l0%低碳 HSLA钢的生产经验.微合金化技术，2006,6(2)：1) 边取对数，利用最小二乘法拟合实验所测的晶粒尺 [3]Li G.Maccagno T M.Bai D Q.et al.Effect of initial grain size 寸后得到A约为0.8.本实验所得到的p和q值分 on the static recrystallization kinetics of Nb microalloyed steels. 别为0.56和1，和Bey non町在传统热轧条件下所得 1S1J1m,1996,36(12):1479 到的值接近 [4]Medina F,Mancilla J E.Influence of alloying elements in solu- tion on static recrystallization kinetics of hot deformed steels.ISI 3结论 1,1996,36(8):1063 [5]Zurob HS.Hutchinson C R.Brechet Y,et al.Rationalization of 对2#Nb钢(Nb质量分数为0.049%)和4Nb the softening and reerystallization behavior of microalloyed austen- 钢(Nb质量分数为0.089%)在粗大奥氏体晶粒条 ite using mechanism maps.Mater Sci Eng A,2004.382:64 件下的静态再结晶研究表明：形变温度较高时两种 [6]Kang K B.Kwon O.Lee W B.et al.Effect of precipitation on 钢的静态再结晶进行得较快，动力学曲线具有完整 the recrystallization behavior of a Nb containing steel.Scripta Mater,1997,36(11):1303 的$形.高温时两种钢的再结晶动力学差异较小， [7]Palmiere E J.Garcia C I,DeArdo A J.The influence of niobium 随着形变温度降低，静态再结晶受到析出的阻碍而 supersaturation in austenite on the static recrystallization behavior 变缓，动力学曲线会出现一个平台或凸起，4#Nb钢 of low carbon microalloyed steels-Metall Mater Trans A.1996. 的静态再结晶动力学比2Nb钢的慢，低温时4Nb 27:951 钢的静态再结晶动力学被极大地延迟 [8]Fernandez A 1.Uranga P,Lopez B.et al.Static recrystallization behavior of a wide range of austenite grain sizes in microalloyed 参考文献 steels,1SJ1nt,2000,40(9):893 [1]Cobo S J,Sellars C M.Microstructural evolution of austenite un- [9]Beynon J H.Sellars C M.Modeling microstructure and its effects der conditions simulating thin slab casting and hot direct rolling during multipass hot rolling.ISIJ Int,1992.32(3):359 Ironmaking Steelmaking.2001.28(3):230 [10]Minami K.Siciliano F Jr.Maccagno T M,et al.Mathematical [2]Hulka K.Bordignon P,Gray M.Experience of low carbon steel modeling of mean flow stress during the hot strip rolling of Nb tces.1SJ1nt,1996.36(12):1507 with 0.06 to0.10 percent niobium.Microalloying Technol
图6 ln t0∙5srx与1／T（a）、ln｛ln［1／（1— Xsrx） ］｝与 ln（ t／t0∙5srx） （b）的线性关系 Fig．6 Linear relationships of ln t0∙5srx and1／T （a）ln｛ln［1／（1— Xsrx） ］｝and ln（ t／t0∙5srx） （b） 在传统热轧条件下式（5）中的系数值 A 处于 0∙743～1∙9之间［9—10］．在本次实验中对式（5）两 边取对数利用最小二乘法拟合实验所测的晶粒尺 寸后得到 A 约为0∙8．本实验所得到的 p 和 q 值分 别为0∙56和1和 Beynon ［9］在传统热轧条件下所得 到的值接近． 3 结论 对2＃Nb 钢（Nb 质量分数为0∙049％）和4＃Nb 钢（Nb 质量分数为0∙089％）在粗大奥氏体晶粒条 件下的静态再结晶研究表明：形变温度较高时两种 钢的静态再结晶进行得较快动力学曲线具有完整 的 S 形．高温时两种钢的再结晶动力学差异较小． 随着形变温度降低静态再结晶受到析出的阻碍而 变缓动力学曲线会出现一个平台或凸起．4＃Nb钢 的静态再结晶动力学比2＃Nb钢的慢低温时4＃Nb 钢的静态再结晶动力学被极大地延迟． 参 考 文 献 ［1］ Cobo S JSellars C M．Microstructural evolution of austenite under conditions simulating thin slab casting and hot direct rolling． Ironmaking Steelmaking200128（3）：230 ［2］ Hulka KBordignon PGray M．Experience of low carbon steel with 0∙06 to 0∙10 percent niobium． Microalloying Technol 20066（2）：1 （Hulka KBordignon PGray M．含铌0∙06％～0∙10％低碳 HSLA 钢的生产经验．微合金化技术20066（2）：1） ［3］ Li GMaccagno T MBai D Qet al．Effect of initial grain size on the static recrystallization kinetics of Nb microalloyed steels． ISIJ Int199636（12）：1479 ［4］ Medina S FMancilla J E．Influence of alloying elements in solution on static recrystallization kinetics of hot deformed steels．ISIJ Int199636（8）：1063 ［5］ Zurob H SHutchinson C RBrechet Yet al．Rationalization of the softening and recrystallization behavior of microalloyed austenite using mechanism maps．Mater Sci Eng A2004382：64 ［6］ Kang K BKwon OLee W Bet al．Effect of precipitation on the recrystallization behavior of a Nb containing steel．Scripta Mater199736（11）：1303 ［7］ Palmiere E J．Garcia C IDeArdo A J．The influence of niobium supersaturation in austenite on the static recrystallization behavior of low carbon microalloyed steels．Metall Mater T rans A1996 27：951 ［8］ Fernández A IUranga PLópez Bet al．Static recrystallization behavior of a wide range of austenite grain sizes in microalloyed steels．ISIJ Int200040（9）：893 ［9］ Beynon J HSellars C M．Modeling microstructure and its effects during multipass hot rolling．ISIJ Int199232（3）：359 ［10］ Minami KSiciliano F JrMaccagno T Met al．Mathematical modeling of mean flow stress during the hot strip rolling of Nb steels．ISIJ Int199636（12）：1507 ·378· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷