低碳钢相变过程微观结构模型

D0I:10.13374才.i8sn10016653.1998.03.037 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1998 低碳钢相变过程微观结构模型* 赵辉鹿守理高英窦晓峰 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要通过定量金相的方法研究了连续冷却过程中低碳钢的相变组织，在分析研究相变影响组 织因素的基础上，构造了低碳钢的相变动力学模型X=1一xp(-0.642r),以及相变后的铁素 体晶粒尺寸模型D=5.7×D地×C,03 关键词热轧；相变组织；模型；低碳钢 分类号TG111.7 热轧后的钢材在冷却过程中发生的组织变化，除了涉及到钢中组织的相变外，还涉及到 晶粒尺寸的变化.研究轧后钢材的组织变化，首先要研究钢的相变过程，不同的相变过程会得 到不同的室温组织.因此，相变过程的研究是最终室温组织研究的必要前提， 图1是钢中发生的组织变化.低碳钢中厚板轧制的终轧温度一般在相变温度之上，在轧 后钢材中发生的是奥氏体晶粒的长大，随后开始相变，相变结束后铁素体晶粒开始长大，直至 冷却到500℃以下，晶粒不再继续长大， 终轧 相变 冷却 轧制线 a晶粒长大模型 Y晶粒长大模型 相变模型 图1轧后钢中组织变化示意图 1相变温度的测定 实验用钢(Q235)的化学成分（质量分数/%）：0.19C,0.0085N,0.74Mn,0.017P,0.030S, 0.019A1. 在奥氏体y向铁素体α：的相变过程中，伴随着产生大约1%的原子体积变化，利用这一原 子体积变化来测定y→α的相变温度”. 在Gleeble1500热模拟机上将中8mm×90mm的试样加热至1030℃，保温3min,随后进 行多道次压下，总压下率为60%(e=0.92),变形速率为1s',终轧温度为950℃.然后，在不 同冷却速率条件下分别测得试样体积随时间的变化曲线及相应的冷却速率曲线. 1970925收稿赵辉男.34岁，副牧授，博士 国家自然科学基金资助课题

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．03．037

·278· 北京科技大学学报 1998年第3期 图2所示的是冷却速率为1℃/s试 样体积随时间变化的情况.从图上可以 0.0 1000 温度线 地看出，试样体积分数变化线上有2处明 800 显的拐点(a,b),这便是相变起始点及终 -0.2 600 体积变化线 止点，过点α和b处做纵.横坐标的平行 400U -0.4 S 线便可得到与这两点对应的时间和温 200 度.这样便测得了这一变形和冷却条件 0.6 下，起始及终了的动态相变温度和完成 0 300 600 900 1200 ts 相变所需的时间.以同样的方式测定其 图2动态相变温度曲线，冷却速率为1℃s 他冷却条件下的相变温度及时间，并将 a,b为相变始点和终点 其结果汇总于表1中. 表1相变温度和时间 冷却速率/ y+a相变温度/℃ 编号 y-a Y→P湘变温度/℃ -+P (℃s) 开始 终了 时间/s 开始 终了 时间/s 0.2 771 710 297 710 674 318 0.5 750 684 128 684 654 57 3 1.0 750 671 74 671 637 32 4 2.5 735 662 29 662 620 16 5 5.0 720 635 17 635 593 7 20.0 696 625 7.5 525 540 2 相变过程模型的研究 在钢的组织由奥氏体向铁素体转变过程中，相变模型最重要的输出参数是相变产物的 类型、体积、铁素体晶粒尺寸以及析出物的量与分布.对于低碳钢，关系到相变的2个主要模 型是相变的体积分数模型和铁素体晶粒尺寸模型. 2.1相变动力学模型 相变后新相的体积分数取决于形核和长大2个因素.对于扩散型相变，这2个因素主要 与温度和时间有关.根据不同温度下转变量与时间的关系，可以确定相变的体积分数，即可用 Avrami关系式来确定：X=1一exp(-k),式中，X为转变量，t为时间，k和n为系数. (1)实验过程.将尺寸为中10mm×15mm的试样加热至1030℃，加热速率为10℃/s,保 温3min,随后进行多道次压下，总压下量为9mm,压下率为60%，真应变为e=0.92.各道次 压下率分别为：①15→12mm(e=0.22),②12→9.5mm(e=0.23),③9.5→7.5mm(e=0.24), ④7.5→6.5mm(e=0.14),⑤6.5→6mm(e-0.08).变形速率为1s',变形过程中的冷却速率为 1℃s,终轧温度为950℃. (2)模型的建立.轧制完成后，在某一确定的冷却速率条件下研究y→α相变过程.实验中， 通过测定不同温度下转变量与时间的关系研究相变动力学模型， 如图3所示，从相变开始至相变过程结束，将整个相变过程分成5个时间段，分别在这6

Vol.20 No.3 赵辉等：低碳钢相变过程微观结构模型 ·279· 个实验点将试样迅速淬火急冷，保留此时 0.0 1000 的组织，随后，通过对试样的显微组织进行 800 定量金相分析（线分析法）来确定相变后的 -0.2 铁素体体积分数如表2 600 图4是选出对应点的金相组织照 400 -0.4 片，从金相组织照片中可以看出：在点1， 200 在原有的奥氏体晶界上铁素体晶粒已经出 -0.6 0 现，铁素体体积分数在5%以下；在点3， 200 400 600 800 1/s 铁素体晶粒已有相当的数量，但珠光体组 图3相变过程的各个实验点 表2冷却速率为1℃s时图3曲线上各实验点的测定结果 实验点 1 2 3 4 5 6 1/s 0 25 50 75 92 107 m℃ 750 725 698 671 654 637 x(铁素体)/% ≤5 23.2 43.2 70.5 74.1 80.3 织尚未出现；在点6，相变结束，铁素体是相变组织的主要成分，但也有一定量的珠光体 (b) 50μm 50μm 图4相变组织的金相照片(a)~(c)分别对应图3曲线上的1,3,6点 实验也做了冷却速率为0.5,2.5,5℃/s时的相变过程研究，篇幅所限从略 根据Avrami关系式)，将上述实验数据进行了非线性回归，得到了低碳钢的相变动力学 模型： X=I-exp(-0.642r0w6) (1) 22铁素体晶粒尺寸模型4.) ()模型的基本形式.在无应变奥氏体中，铁素体在奥氏体晶粒的角部、边缘和表面上形 核并向奥氏体内部生长，由奥氏体相变得到的铁素体晶粒大小与相变过程有直接关系.影响 相变后铁素体晶粒尺寸的主要参数是：①初始的奥氏体晶粒尺寸D,;②在终轧温度和500℃之 间的冷却速率C因而，对于研究的钢种，所要构造的相变组织模型的基本形式为： D。=f(D,C). (2)实验过程及结果.在不同冷却速率条件下，将变形后的试样分别冷却到相变开始和相 变结束时的温度后，迅速淬火急冷保留此时的组织.通过对试样的显微组织进行定量金相分

·280· 北京科技大学学报 1998年第3期 析（线分析法）来确定铁素体的晶粒尺寸，实验结果见表3. 表3相变组织模型实验结果 冷却速率 相变开始温度 奥氏体晶粒尺寸 相变结束温度 铁素体晶料尺寸 C/(℃·s T并地/℃ D/(μm) T来/℃ De/μm 0.5 750 227 654 91.1 1.0 750 224 637 68.3 2.5 735 175 620 48.9 5.0 720 160 593 32.8 10.0 686 127 540 26.2 对实验数据进行非线性回归后，在冷却速率不很大的情况下，得到铁素体的D,模型： D。=5.7D.C,o26(μm) (2) 3 结论 通过对相变过程的定量金相实验研究，得到了相变的动力学模型和铁素体晶粒尺寸楼 型，这为冷却过程中晶粒长大模型以及室温组织的研究提供了良好的理论基础. 参考文献 1霍尼库姆RWK著，钢的显微组织和性能.傅俊岩等译.北京：冶金工业出版社，1985.7 2秦国友，定量金相.成都：四川科学技术出版社，1987 3田村今男.高强度低合金钢的控制轧制和控制冷却.王国栋等译.北京：冶金工业出版社，1992,6 4 Samuel F H.Effect of Dynamic Recrystallization on Microstructural Evolution During Strip Rolling. ISIJ International,1990(3):216 5 Pietrzyk M.Evolution of the Microstructure in the Hot Rolling Process.Steel Research,1993(11):549 Microstructure Modelling for Phase Transformation in Low Carbon Steel Zhao Hui Lu Shouli Gao Ying Dou Xiaofeng Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTARCT The microstructures of phase transformation by using quntitative metallogra. phy was studied.On the basis of analyzing the effects on the microstructures of phase transformation the model of transformation kinetics=1-exp(-0.642/08),and the model of ferrite grain size D=5.7xD4xC are constructed and obtained. KEY WORDS hot rolling;phase transformation;model