一种细化低碳钢铁素体晶粒的方法

摘要

一种细化低碳钢铁素体晶粒的方法，涉及低碳钢的形变热处理工艺。本发明根据公式Z=exp(Q/RT)选择变形的变形温度和应变速率，变形温度依据低碳钢的成分控制在Ac1以下。将低碳钢直接加热至变形温度，在Z热加工参数所确定的应变速率条件下变形，对于单道次变形，将Z值控制在1×1012－1×1025/s范围内，真应变在0.69－2，形变后以20～50℃/s的速度冷却至室温。本发明利用了铁素体动态再结晶这一原理，仅需控制低碳钢在Ac1以下温度的变形，即可使普通商用低碳钢在单道次变形条件下，获得5μm以下的铁素体细晶，不仅具有良好的性能，而且工艺控制简单易行，与传统工艺相比可节约大量能源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低碳钢的形变热处理工艺，特别涉及一种使低碳钢铁素体晶粒细化的形变热处理方法。

背景技术

组织细化是提高金属材料室温强度和低温韧性的有效手段。在不有意加入任何合金元素的基础上，组织细化同样是开发低碳钢极限性能的最有效的方法之一。近年来，人们发现低碳钢在临界温度(Ar₃)附近轧制变形时可以获得细小的铁素体，Yada等的美国专利4466842“Ferritic steel having ultra-fine grains and a method for producingthe same”中指出低碳钢在Ar₃+100℃-Ar₁+50℃之间单道次或多道次轧制变形后快速冷却均可以获得4μm或更小的等轴铁素体。中国专利01140274和Materials Scienceand Engineering A334(2002)201-206发表的“Deformation enhanced transformation anddynamic recrystallization of ferrite in a low carbon steel during multipass hot deformation”一文中都指出低碳钢在处于A₃与Ar₃之间温度下变形时利用形变强化相变和铁素体动态再结晶过程相结合的方法也可以获得3～5μm的铁素体细晶。上述所有工艺均涉及到变形前的奥氏体化过程，需要耗费大量的能源，而且变形工艺复杂，对变形温度，变形量，以及多道次变形的间隔时间都有较严格的控制。因此开发一种控制简单，并且易于在工业生产中实现的低碳钢铁素体晶粒细化的技术非常重要。

发明内容

本发明的目的是解决在低碳钢铁素体晶粒细化过程中存在的工艺控制严格的问题，提出一种基于铁素体动态再结晶过程的细化低碳钢中铁素体晶粒的方法，不仅使普通商用低碳钢获得等轴细晶铁素体组织，具有良好的性能，同时又简化工业生产的工艺控制。

本发明的技术方案是：根据公式 $>>Z>=ver>>ϵ>·>>exp>>(>Q>/>RT>)>>>s>选择变形的变形温度和应变速率，其中Z为热加工参数，为应变速率(/s)，Q为形变激活能(Q＝300kJ/mol)，R为气体常数(R＝8.314kJ/(mol·K))，T为形变温度(K)，为保证变形时变形组织仅为铁素体加珠光体的混合组织，变形温度依据低碳钢的成分控制在Ac$₁以下。将低碳钢直接加热至变形温度，在Z热加工参数所确定的应变速率条件下变形，对于单道次变形，将Z值控制在1×10¹²-1×10²⁵/s范围内，真应变在0.69-2，形变后以20～50℃/s的速度冷却至室温。

本发明的优点在于利用铁素体动态再结晶这一原理，通过简单的工艺控制，即可获得5μm以下的铁素体细晶，不仅具有良好的性能，而且工艺控制简单易行，与传统工艺相比可节约大量能源。

附图说明

图1为Fe-0.17C-0.36Mn钢在700℃变形，应变速率为0.1/s，Z＝1.34×10¹⁵/s，压缩真应变ε＝0.36时的SEM组织形貌。

图2为Fe-0.17C-0.36Mn钢在700℃变形，应变速率为0.1/s，Z＝1.34×10¹⁵/s，压缩真应变ε＝0.69时的SEM组织形貌。

图3为Fe-0.17C-0.36Mn钢在700℃变形，应变速率为0.1/s，Z＝1.34×10¹⁵/s，压缩真应变ε＝1.6时的SEM组织形貌。

图4为Fe-0.17C-0.36Mn钢在600℃变形，应变速率为1/s，Z＝9.41×10¹⁷/s，压缩真应变ε＝1.6时的SEM组织形貌。

具体实施方式

试验材料为普通商用低碳钢，化学成分(质量百分数％)为：Fe-0.17C-0.36Mn。首先用热膨胀仪DT1000测定试验用钢在不同加热速率下的相变点Ac₁(加热速率为10℃/s时Ac₁＝740℃)。将试验用钢机加工成20×15×10mm的方型试样，在Gleeble2000热模拟试验机上进行平面应变压缩试验。具体试验方法如下：根据公式 $>>Z>=ver>>ϵ>·>>exp>>(>Q>/>RT>)>>>s>选择变形的变形温度和应变速率，试样加热至变形温度进行变形，为进行对比，应变量分别取0.36、0.69、和1.6，形变后以20～50℃/s的速度冷却至室温。$

表1列出了试验用钢在700℃，以0.1/s应变速率变形时，对应Z＝1.34×10¹⁵/s，在不同应变量条件下的铁素体晶粒尺寸及铁素体动态再结晶晶粒体积分数。从图1可以看到名义变形量为30％(ε＝-0.36)时，这时细小的动态再结晶晶粒主要在珠光体团和铁素体晶界附近形成，铁素体动态再结晶晶粒体积分数约为15.8％；图2名义变形量为50％(ε＝-0.69)时，铁素体动态再结晶晶粒体积分数达到约74％，铁素体平均晶粒尺寸已经细化到约7μm；图3名义变形量为80％(ε＝-1.6)时，变形组织为刚形成的小晶粒与较大的已开始变形的晶粒混杂在一起，珠光体分散成层状分布的渗碳体颗粒。铁素体动态再结晶晶粒体积分数达到约81％，这时动态再结晶已基本完成，铁素体晶粒细化至约5μm。这一过程是典型的动态再结晶过程，显然，仅通过这一过程即可达到细化低碳钢中铁素体晶粒的目的。

从图4可见变形温度降低至为600℃，应变速率提高到1/s，对应的Z值提高到9.41×10¹⁷/s，名义变形量为80％时，铁素体平均晶粒尺寸减小为1.64±0.34μm。

从上述实验结果可以看出，在很宽的热加工参数Z值条件下，利用单道次大变形，即可利用铁素体动态再结晶过程细化普通商用低碳钢的铁素体晶粒。

对于低碳钢的晶粒细化强化，可用Hall-Petch公式来描述：

                           σ_s＝σ₀+kd^-1/2                       (1)

式中σ₀是内摩擦阻力，k为常数，d是晶粒直径。由上式可以看出：晶粒越细，屈服强度越高。而且同时取决于晶粒直径的还有低碳钢的韧脆转折温度T_c：

                           βT_c＝B-lnd^-1/2                      (2)

式中β和B为常数。同样可以看出：晶粒越细，韧脆转变温度也越低。由此可以，利用本发明得到的具有5μm以下的铁素体细晶的低碳钢将具有良好的综合性能。

表1 700℃，应变速率为0.1/s时的铁素体动态再结晶晶粒体积分数和平均晶粒尺寸

名义形变量  真应变铁素体动态再结晶晶粒的    体积分数(％)  铁素体平均晶粒尺寸    (μm)    30％  -0.36    15.8±1.1    10.23±2.83    50％  -0.69    74.1±4.5    7.05±1.24    80％  -1.6    81.1±1.2    5.02±0.62