D0I:10.13374/i.issnl00It03.2008.03.013 第30卷第3期 北京科技大学学报 Vol.30 No.3 2008年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2008 C和N含量对V微合金非调质钢静态再结晶量的 影响 辛彬楠) 刘国权2王安东) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要使用Gleeble-1500热/力模拟机，对四种V-N微合金非调质钢和一种非V一N微合金化对比钢进行了静态再结晶实 验研究.研究结果表明：当钢中C质量分数为0.33%时，V一N微合金钢的静态再结晶要比未V一N微合金化的对比钢有明显 滞后，尤以820~880℃温度范围内最为明显，因此钢中V析出物对道次间再结晶过程影响很大.进一步研究表明，V一N微合 金非调质钢道次间静态再结晶量受C含量的影响并不呈简单线性关系：在760~880℃温度范围内，道次间静态再结晶量在钢 中C质量分数为0.33%时均为极大值，而940℃下所有五种实验钢均完成了静态再结晶：钢中V析出物对道次间静态再结晶 的影响机制相当复杂，与其析出时机关系很大·在此C含量下且V和Ti量均近似相同的V一N微合金实验钢中，发现当N质 量分数从140×10-6增加到210×10-6时，该温度范围内道次间静态再结晶量下降14%~19%，N含量增加有明显抑制道次 间静态再结晶的作用， 关键词微合金非调质钢：热模拟：静态再结晶：析出 分类号TG111.7 Effect of C and N on static recrystallization in vanadium microalloyed non- quenched/tempered steels XIN Binnan),LIU Guoquan).WANG Andong 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The Gleeble-1500 thermal/mechanical simulator was used to study static recrystallization in four non-quenched/tem- pered steels with V-N-microalloying and one non"microalloying base steel.The results show that in the V-N microalloyed steel with 0.33%C.the static recrystallization process was retarded markedly in comparison with that in the non-microalloying steel with the same C content.especially in the range of 820 to 880C.However,the relationship between C content and static recrystallization was not linear for the microalloyed steels studied.Compared that for the steels with lower or higher C contents.the inter pass static re- crystallization amounts in the 0.33%C steel were always the maximum within the temperature range of 760 to 880C.though all the five tested steels completed static recrystallization under 940C.Such results indicated that the effect of V-containing precipitates on the inter pass static recrystallization process was fairly complex and depended on when the precipitation occurs.When the mass frac- tion of N increased from 140X10-to 210X10-and the other compositions were almost the same,the inter"pass static recrystalliza- tion amount decreased by 14%to 19%in the temperature range of 820 to 860C.showing that the increase of N content would re- strain static recrystallization obviously. KEY WORDS microalloying non-quenched/tempered steel:thermo-mechanical simulation:static recrystallization:precipitation 控轧控冷是一种能够同时影响钢的塑性、韧性 和强度的材料加工方法，通过控轧控冷，可以控制 奥氏体的形变与再结晶，有效细化金相组织，控制碳 收稿日期：2006-12-07修回日期：2007-10-31 氮化物沉淀析出行为，使钢材的综合力学性能提高， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。,50671010:N。 因而获得广泛应用山. 50271009):国际钒技术委员会(VANITEC)资助项目 作者简介：辛彬楠(1980一)，男，硕士研究生：刘国权(1952一)男， 钢材的控轧控冷技术是基于对热变形后的奥氏 教授，博士生导师 体相转变进行控制，从而在钢的轧后冷却过程中得
C 和 N 含量对 V 微合金非调质钢静态再结晶量的 影响 辛彬楠1） 刘国权12 王安东1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 摘 要 使用 Gleeble-1500热／力模拟机对四种 V－N 微合金非调质钢和一种非 V－N 微合金化对比钢进行了静态再结晶实 验研究．研究结果表明：当钢中 C 质量分数为0∙33％时V－N 微合金钢的静态再结晶要比未 V－N 微合金化的对比钢有明显 滞后尤以820～880℃温度范围内最为明显因此钢中 V 析出物对道次间再结晶过程影响很大．进一步研究表明V－N 微合 金非调质钢道次间静态再结晶量受 C 含量的影响并不呈简单线性关系：在760～880℃温度范围内道次间静态再结晶量在钢 中 C 质量分数为0∙33％时均为极大值而940℃下所有五种实验钢均完成了静态再结晶；钢中 V 析出物对道次间静态再结晶 的影响机制相当复杂与其析出时机关系很大．在此 C 含量下且 V 和 Ti 量均近似相同的 V－N 微合金实验钢中发现当 N 质 量分数从140×10－6增加到210×10－6时该温度范围内道次间静态再结晶量下降14％～19％N 含量增加有明显抑制道次 间静态再结晶的作用． 关键词 微合金非调质钢；热模拟；静态再结晶；析出 分类号 TG111∙7 Effect of C and N on static recrystallization in vanadium microalloyed nonquenched／tempered steels XIN Binnan 1）LIU Guoquan 12）W A NG A ndong 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he Gleeble-1500thermal／mechanical simulator was used to study static recrystallization in four non-quenched／tempered steels with V-N-microalloying and one non-microalloying base steel．T he results show that in the V-N microalloyed steel with 0∙33％ Cthe static recrystallization process was retarded markedly in comparison with that in the non-microalloying steel with the same C contentespecially in the range of820to880℃．Howeverthe relationship between C content and static recrystallization was not linear for the microalloyed steels studied．Compared that for the steels with lower or higher C contentsthe inter-pass static recrystallization amounts in the0∙33％ C steel were always the maximum within the temperature range of760to880℃though all the five tested steels completed static recrystallization under940℃．Such results indicated that the effect of V-containing precipitates on the inter-pass static recrystallization process was fairly complex and depended on when the precipitation occurs．When the mass fraction of N increased from140×10－6to210×10－6and the other compositions were almost the samethe inter-pass static recrystallization amount decreased by 14％ to19％ in the temperature range of 820to860℃showing that the increase of N content would restrain static recrystallization obviously． KEY WORDS microalloying non-quenched／tempered steel；thermo-mechanical simulation；static recrystallization；precipitation 收稿日期：2006-12-07 修回日期：2007-10-31 基金项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ No．50671010；No． 50271009）；国际钒技术委员会（VANITEC）资助项目 作者简介：辛彬楠（1980－）男硕士研究生；刘国权（1952－）男 教授博士生导师 控轧控冷是一种能够同时影响钢的塑性、韧性 和强度的材料加工方法．通过控轧控冷可以控制 奥氏体的形变与再结晶有效细化金相组织控制碳 氮化物沉淀析出行为使钢材的综合力学性能提高 因而获得广泛应用［1］． 钢材的控轧控冷技术是基于对热变形后的奥氏 体相转变进行控制从而在钢的轧后冷却过程中得 第30卷 第3期 2008年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．3 Mar．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．03．013
第3期 辛彬楠等：C和N含量对V微合金非调质钢静态再结晶量的影响 .245 到理想的微观组织，尤其对于热加工钢材，静态再 物对于钢的静态再结晶也会造成一定程度的影响. 结晶在其加工过程中常常占有很重要的地位，通过 本文主要通过对四种V一N微合金非调质钢及 钢的静态再结晶可以改变奥氏体的晶粒尺寸，消除 种无V对比钢静态再结晶的研究，得出了合金元 形变后材料的残余应力，对于钢材的使用性能有很 素V对于奥氏体静态再结晶的影响规律，以及钢中 大的影响2 其他元素与V元素共同作用的情况下对于静态再 微合金非调质钢的热加工过程是一个相当复杂 结晶的一些影响 的过程，其中不仅会发生钢的静态再结晶，而且由于 1 实验材料 合金元素的存在，在热变形的条件下还会发生碳氨 化物的形变诱导析出行为，形变诱导析出与静态再 本实验所用五种材料均采用50kg真空感应炉 结晶之间存在着竞争的机制，析出的碳氨化物具有 冶炼，1200℃开坯，1000~1100℃锻造处理，实际 细化晶粒、沉淀强化的作用3].正是因为如此，析出 化学成分如表1所示. 表1实验用钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of test steels 钢号 Si V N 1 0.33% 0.42% 1.54% 0.0087% 0.008% <0.005% 0.015% ≤0.005% 41×10-6 2 0.26% 0.38% 1.48% 0.0062% 0.006% 0.093% 0.012% ≤0.005% 120X10-6 3 0.33% 0.40% 1.50% 0.0078% 0.008% 0.099% 0.016% 0.005% 140X10-6 4 0.42% 0.41% 1.46% 0.0072% 0.007% 0.098% 0.0093% 0.005% 140X10-6 5 0.34% 0.38% 1.52% 0.0076% 0.006% 0.092% 0.014% ≤0.005% 210X10-6 表1中五种材料，均加工成8mm×15mm的 3 实验结果与分析 圆柱状试样，使用热/力模拟机Gleeble一1500进行 为了避免传统方法观测金相试样组织时人为因 等温变形实验 素的干扰，采用双道次流变应力法)确定静态再结 2实验步骤 晶量： X=(om一c,)/(m-o) (1) 1和3*试样，以10℃s-1升温到1200℃，保 温10min后以6.7℃s-1冷却到变形温度820℃， 式中，m为第1道次结束时应力，0为第2道次变 接着以0.02s的应变速率变形17%，其后保温一 形时屈服应力，o为第1道次变形时屈服应力， 定时间(1,30,60,120s),继续进行小变形5%后 图2为静态再结晶量计算用图. 立即淬水冷却，记录其应力应变曲线. 160 对于1#~5#试样，以10℃·s1升温到 140gm. 120g 1200℃，保温10min后以6.7℃s1冷却到变形温 度(940,880,820,760℃)，以0.02s的应变速率 变形17%，其后保温停留120s,继续进行小变形 60 5%后立即淬火冷却，记录其应力应变曲线 20 两组实验的热加工工艺流程图大致如图1所示， 0.1 0.2 0.3 41200℃.10mi 变形温度940,880.820,760℃ 直应变，E e0.19 e0.05 图2双道次流变应力法确定静态再结晶量 e-0.02s1 E=0.02s1 Fig.2 Determination method for static recrystallization 10℃s变形量17% 变形量5% 水淬 3.1VN微合金化对中碳非调质钢静态再结晶的 tis 影响 3.1.1等温时间对静态再结晶量的影响 图1热模拟实验工艺方案 Fig.1 Thermo mechanical simulation schedule 通过计算，对1#和3*钢在820℃时静态再结
到理想的微观组织．尤其对于热加工钢材静态再 结晶在其加工过程中常常占有很重要的地位．通过 钢的静态再结晶可以改变奥氏体的晶粒尺寸消除 形变后材料的残余应力对于钢材的使用性能有很 大的影响［2］． 微合金非调质钢的热加工过程是一个相当复杂 的过程其中不仅会发生钢的静态再结晶而且由于 合金元素的存在在热变形的条件下还会发生碳氮 化物的形变诱导析出行为．形变诱导析出与静态再 结晶之间存在着竞争的机制析出的碳氮化物具有 细化晶粒、沉淀强化的作用［3］．正是因为如此析出 物对于钢的静态再结晶也会造成一定程度的影响． 本文主要通过对四种 V－N 微合金非调质钢及 一种无 V 对比钢静态再结晶的研究得出了合金元 素 V 对于奥氏体静态再结晶的影响规律以及钢中 其他元素与 V 元素共同作用的情况下对于静态再 结晶的一些影响． 1 实验材料 本实验所用五种材料均采用50kg 真空感应炉 冶炼1200℃开坯1000～1100℃锻造处理实际 化学成分如表1所示． 表1 实验用钢的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of test steels 钢号 C Si Mn P S V Ti Al N 1 0∙33％ 0∙42％ 1∙54％ 0∙0087％ 0∙008％ ＜0∙005％ 0∙015％ ≤0∙005％ 41×10－6 2 0∙26％ 0∙38％ 1∙48％ 0∙0062％ 0∙006％ 0∙093％ 0∙012％ ≤0∙005％ 120×10－6 3 0∙33％ 0∙40％ 1∙50％ 0∙0078％ 0∙008％ 0∙099％ 0∙016％ ≤0∙005％ 140×10－6 4 0∙42％ 0∙41％ 1∙46％ 0∙0072％ 0∙007％ 0∙098％ 0∙0093％ ≤0∙005％ 140×10－6 5 0∙34％ 0∙38％ 1∙52％ 0∙0076％ 0∙006％ 0∙092％ 0∙014％ ≤0∙005％ 210×10－6 表1中五种材料均加工成●8mm×15mm 的 圆柱状试样使用热／力模拟机 Gleeble－1500进行 等温变形实验． 2 实验步骤 1＃和3＃试样以10℃·s －1升温到1200℃保 温10min 后以6∙7℃·s －1冷却到变形温度820℃ 接着以0∙02s －1的应变速率变形17％其后保温一 定时间（13060120s）继续进行小变形5％后 立即淬水冷却记录其应力－应变曲线． 图1 热模拟实验工艺方案 Fig．1 Thermo-mechanical simulation schedule 对 于 1＃ ～5＃ 试 样以 10 ℃·s －1 升 温 到 1200℃保温10min 后以6∙7℃·s －1冷却到变形温 度（940880820760℃）以0∙02s －1的应变速率 变形17％其后保温停留120s继续进行小变形 5％后立即淬火冷却记录其应力－应变曲线． 两组实验的热加工工艺流程图大致如图1所示． 3 实验结果与分析 为了避免传统方法观测金相试样组织时人为因 素的干扰采用双道次流变应力法［2］确定静态再结 晶量： X＝（σm－σr）／（σm－σ0） （1） 式中σm 为第1道次结束时应力σr 为第2道次变 形时屈服应力σ0 为第1道次变形时屈服应力． 图2为静态再结晶量计算用图． 图2 双道次流变应力法确定静态再结晶量 Fig．2 Determination method for static recrystallization 3∙1 V-N 微合金化对中碳非调质钢静态再结晶的 影响 3∙1∙1 等温时间对静态再结晶量的影响 通过计算对1＃和3＃ 钢在820℃时静态再结 第3期 辛彬楠等： C 和 N 含量对 V 微合金非调质钢静态再结晶量的影响 ·245·
.246 北京科技大学学报 第30卷 晶量随时间的变化进行汇总，使用Origin7.5绘制 无V钢少8%；随温度上升，差距逐渐变大，当变形 成图，如图3所示.两炉钢的主要成分差别为VVN 温度为880℃时，含V钢静态再结晶量比无V钢少 微合金化与否（参见表1） 35%,两种钢静态再结晶量差距达到最大：当变形温 0.8 度达到940℃时，两种钢都能发生完全静态再结晶. 0.7 究其原因，在较低温度下变形时，由于已经有V的 0.6 C、N化物析出，析出的VN、V(CN)等第2相粒子对 0.5 于钢的静态再结晶有阻碍作用，导致静态再结晶不 0.4 能更充分的进行；当温度逐渐升高时，相对来说V 0.3 0.2 一·一无V钢(1'钢) 的C、N化物析出的量逐渐减少，对静态再结晶的影 --V0.099%(3钢) 0.1 响作用也相应减小，所以当温度逐渐升高时，含V 0 钢的静态再结晶量也逐渐增加，到940℃时可以发 0 20406080100120 时间s 生完全静态再结晶，据王辅忠等人关于中碳V微合 金钢(0.32C-1.70Mn0.29si一适量V-适量N)的 图31“和3钢在820℃停留不同时间的静态再结晶量变化 实验工作刊，当变形温度达到950℃时，只需10s便 Fig-3 Static recrystallization curves of Steels 1 and 3 held at 820 可发生完全静态再结晶，与本实验结果相近 C for different time 3.2VN微合金非调质钢中C、N元素对静态再结 由图3可以看出：在820℃下，随等温时间的增 晶的影响 长，两种钢的静态再结晶量都有不同程度的增加；而 3.2.1C含量对静态再结晶量的影响 V一V微合金非调质钢与无V钢相比，静态再结晶 同样，将2#~4#钢静态再结晶量随温度变化 的时间被明显推后，道次间停留1~30s的时间内， 的情况汇总于图5.这三种钢基本上仅C含量不 两种钢静态再结晶量的差距不大，在30s时含V钢 同，从2*至4#钢C含量逐渐增加. 要少4%.在道次间停留60s时，含V钢静态再结 1.0 晶量要比无V钢的少33%，两种钢静态再结晶量差 0.9- 940℃ 距达到最大，在道次间停留120s时，含V钢静态再 0.8 ▲-880℃ ·-820 结晶量仍然要比无V钢少19%.分析其原因，在 -760℃ 820℃变形时，V-N微合金非调质钢中已经有大量 0.5 V的C、N化物析出，析出的第2相粒子阻碍了再结 晶的进行，使得总的静态再结晶量减少， 03 0.2 3.1.2保温温度对静态再结晶量的影响 0.1 图4为1和3#钢在不同温度下保温120s的 025 0.300.350.40 0.450.50 C质量分数% 静态再结晶曲线图，当道次间保温时间为120s时， 随温度的升高，两种钢的静态再结晶量都有增加 图52#一4*钢在不同温度下的静态再结晶量变化（道次间保温 当变形温度为760℃时，含V钢静态再结晶量要比 时间为120s) 1.0 Fig5 Static reerystallization curves of Steels 2-4 at different temperatures (inter pass isothermal time:120s) 0.8 由图5可知，道次间保温时间为120s时，随温 0.6 度的升高，2#~4*钢的静态再结晶量均增加.当温 0.4 一一无V钢(1·钢) 度为760℃时，3钢静态再结晶量达到33%，高出 -V0.099%(3钢) 0.2 2#钢13%，高出4#钢10%；当温度为820℃时，3 钢静态再结晶量为52%，2*钢只有24%，4钢为 760 800 840880 920960 35%;当温度为880℃时，3#钢静态再结晶量为 温度℃ 61%,2#钢36%，4#钢45%；当变形温度达到 图41°和3钢在不同温度下等温120：的静态再结晶量 940℃，各钢都可以发生完全静态再结晶，可见，C Fig-4 Static recrystallization curves of Steels 1 and 3 held for 含量对于VV微合金非调质钢静态再结晶量的影 120s at different temperatures 响并不是呈简单的递增或递减关系，而是存在一个
晶量随时间的变化进行汇总使用 Origin7∙5绘制 成图如图3所示．两炉钢的主要成分差别为 V－N 微合金化与否（参见表1）． 图3 1＃和3＃钢在820℃停留不同时间的静态再结晶量变化 Fig．3 Static recrystallization curves of Steels1＃ and3＃ held at820 ℃ for different time 由图3可以看出：在820℃下随等温时间的增 长两种钢的静态再结晶量都有不同程度的增加；而 V－N 微合金非调质钢与无 V 钢相比静态再结晶 的时间被明显推后．道次间停留1～30s 的时间内 两种钢静态再结晶量的差距不大在30s 时含 V 钢 要少4％．在道次间停留60s 时含 V 钢静态再结 晶量要比无 V 钢的少33％两种钢静态再结晶量差 距达到最大．在道次间停留120s 时含 V 钢静态再 结晶量仍然要比无 V 钢少19％．分析其原因在 820℃变形时V－N 微合金非调质钢中已经有大量 V 的 C、N 化物析出析出的第2相粒子阻碍了再结 晶的进行使得总的静态再结晶量减少． 3∙1∙2 保温温度对静态再结晶量的影响 图4 1＃和3＃钢在不同温度下等温120s 的静态再结晶量 Fig．4 Static recrystallization curves of Steels 1＃ and 3＃ held for 120s at different temperatures 图4为1＃和3＃钢在不同温度下保温120s 的 静态再结晶曲线图．当道次间保温时间为120s 时 随温度的升高两种钢的静态再结晶量都有增加． 当变形温度为760℃时含 V 钢静态再结晶量要比 无 V 钢少8％；随温度上升差距逐渐变大当变形 温度为880℃时含 V 钢静态再结晶量比无 V 钢少 35％两种钢静态再结晶量差距达到最大；当变形温 度达到940℃时两种钢都能发生完全静态再结晶． 究其原因在较低温度下变形时由于已经有 V 的 C、N 化物析出析出的 VN、V（CN）等第2相粒子对 于钢的静态再结晶有阻碍作用导致静态再结晶不 能更充分的进行；当温度逐渐升高时相对来说 V 的 C、N 化物析出的量逐渐减少对静态再结晶的影 响作用也相应减小所以当温度逐渐升高时含 V 钢的静态再结晶量也逐渐增加到940℃时可以发 生完全静态再结晶．据王辅忠等人关于中碳 V 微合 金钢（0∙32C－1∙70Mn－0∙29Si－适量 V－适量 N）的 实验工作［4］当变形温度达到950℃时只需10s 便 可发生完全静态再结晶与本实验结果相近． 3∙2 V－N 微合金非调质钢中 C、N 元素对静态再结 晶的影响 3∙2∙1 C 含量对静态再结晶量的影响 同样将2＃ ～4＃ 钢静态再结晶量随温度变化 的情况汇总于图5．这三种钢基本上仅 C 含量不 同从2＃至4＃钢 C 含量逐渐增加． 图5 2＃～4＃钢在不同温度下的静态再结晶量变化（道次间保温 时间为120s） Fig．5 Static recrystallization curves of Steels2＃ －4＃ at different temperatures （inter-pass isothermal time：120s） 由图5可知道次间保温时间为120s 时随温 度的升高2＃～4＃钢的静态再结晶量均增加．当温 度为760℃时3＃钢静态再结晶量达到33％高出 2＃钢13％高出4＃钢10％；当温度为820℃时3＃ 钢静态再结晶量为52％2＃ 钢只有24％4＃ 钢为 35％；当温度为880℃时3＃ 钢静态再结晶量为 61％2＃ 钢 36％4＃ 钢 45％；当 变 形 温 度 达 到 940℃各钢都可以发生完全静态再结晶．可见C 含量对于 V－N 微合金非调质钢静态再结晶量的影 响并不是呈简单的递增或递减关系而是存在一个 ·246· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 辛彬楠等：C和N含量对V微合金非调质钢静态再结晶量的影响 .247 极值，由图5可知，3#钢的静态再结晶量在760~ 10-6的5*钢的静态再结晶量在760~940℃这个温 940℃这个温度段内一直为最多，其次是4#钢，最 度段内都少于N质量分数为140×10-6的3#钢 少的是2#钢.由此可知，当C质量分数为0.33%时 极可能是随着N含量的增加，VN颗粒更容易析出， 最有利于热变形道次间静态再结晶的发生·分析其 复合析出的V(CN)中N含量也会增加，在较低温 原因，当C质量分数较少，如0.26%时，热变形过程 度时，先析出的VN及V(CN)颗粒对于奥氏体的静 中析出的碳氨化物相对较少，且析出物间距较大，对 态再结晶有抑制作用，造成5“钢静态再结晶的滞 位错运动的阻碍作用较小，对热变形前期的动态回 后.可见，当N质量分数由140×10-6增加到210× 复过程抑制作用较小，从而使得动态回复过程进行 10一6，含V微合金非调质钢的静态再结晶量有下降 得比较充分，因此所余的可以进行静态再结晶的储 的趋势 存能就比较少；当C质量分数较大，如0.43%时，热 3.3VN微合金非调质钢中第2相粒子析出与静 变形过程中析出的碳氨化物相对较多，钉扎位错和 态再结晶之间的关系 晶界，阻碍了位错和晶界的运动，则会对静态再结晶 热变形的奥氏体钢中同时存在着两个相互竞争 产生较大阻碍作用，更大程度上抑制了静态再结晶 的机制：静态再结晶和等温及形变诱导析出，由于 过程.当C质量分数处于中间位置，如0.33%时， 有合金元素的存在，这两种机制相互之间的作用是 已析出的碳氨化物刚好既可以通过抑制动态回复和 非常复杂的[1，与普通碳钢相比，在VV微合金非 再结晶过程为静态再结晶保留较多的储存能，已析 调质钢中，存在一个静态再结晶的滞后现象，而这种 出物又不会对静态再结晶产生过大阻碍作用，故此 滞后是与变形温度相关的，为此，使用材料学计算 时的静态再结晶量达到最大.0.33%C条件下的研 软件Mat Calc对实验用V一N微合金非调质钢在各 究结果与类似钢的已有研究结果]一致，表明本 个温度下的析出进行了计算，设定等温时间为 研究所得结论是可信的， 900s,所得结果如图7和图8所示， 3.2.2N含量对静态再结晶量的影响 3.5×102 --940℃ 图6为3#和5#钢在不同温度下道次间保温 3.0×102 +-880℃ 120s时的静态再结晶量随温度的变化关系.经过 目2.5×10 ·-820℃ -760℃ 分析可以看出，当道次间保温时间为120s时，随温 高20x10e 度的增加，两种钢的静态再结晶量都有增加，当变 1.5×102 形温度为760℃时，3钢静态再结晶量为33%，而 1.0×10 5*钢为15%（不到3#钢的一半）：变形温度为820 0.5×103 ℃时，3*钢静态再结晶量为52%，5*钢为33%；变 0.24 0.280.320.360.40 0.44 C质量分数/% 形温度为880℃时，3#钢静态再结晶量为61%，5* 钢为47%；当变形温度为940℃时都可以发生完全 图72产~4钢在不同温度下的析出物密度（保温时间900） 静态再结晶.3#钢和5#钢相比，N质量分数为210× Fig.7 Precipitate density distribution of Steels 24 at different 1.0 temperatures (isothermal time:900s) --N:140×10气3钢) 0.8 -·-N:210×105钢) 由图7可知，在760℃等温900s后，2÷钢的析出 密度达到1.78×103m3,3#钢的析出密度为 0.6 1.48×1023m-3,而4*钢为3.33×1023m-3,4*钢 0.4 的析出密度最大，其次是2#钢和3÷钢；当在940℃ 02 等温900s后，2*钢的析出密度为2.42X1022m-3, 3*钢为1.96X102m-3,4÷钢为2.92×102m-3, 760 800 840880 920 960 温度℃ 依然是4#钢析出密度最大，3钢最小，不过整体的 析出密度已经有所下降，在图8中，760℃等温900s 图63*和5*钢在不同温度下的静态再结晶量变化（道次间保 后，N质量分数为140×10-6的3#钢的析出密度为 温时间为120s) 1.48×1023m-3,而N质量分数为210×10-6的5# Fig-6 Static reerystallization curves of Steels 3 and 5 at different 钢的析出密度为3.69×1023m-3,是3*钢析出密度 temperatures (inter pass isothermal time:120s) 的2倍还多；在940℃等温900s后，3#钢的析出密
极值．由图5可知3＃钢的静态再结晶量在760～ 940℃这个温度段内一直为最多其次是4＃ 钢最 少的是2＃钢．由此可知当 C 质量分数为0∙33％时 最有利于热变形道次间静态再结晶的发生．分析其 原因当 C 质量分数较少如0∙26％时热变形过程 中析出的碳氮化物相对较少且析出物间距较大对 位错运动的阻碍作用较小对热变形前期的动态回 复过程抑制作用较小从而使得动态回复过程进行 得比较充分因此所余的可以进行静态再结晶的储 存能就比较少；当 C 质量分数较大如0∙43％时热 变形过程中析出的碳氮化物相对较多钉扎位错和 晶界阻碍了位错和晶界的运动则会对静态再结晶 产生较大阻碍作用更大程度上抑制了静态再结晶 过程．当 C 质量分数处于中间位置如0∙33％时 已析出的碳氮化物刚好既可以通过抑制动态回复和 再结晶过程为静态再结晶保留较多的储存能已析 出物又不会对静态再结晶产生过大阻碍作用故此 时的静态再结晶量达到最大．0∙33％C 条件下的研 究结果与类似钢的已有研究结果［4－6］ 一致表明本 研究所得结论是可信的． 图6 3＃和5＃钢在不同温度下的静态再结晶量变化（道次间保 温时间为120s） Fig．6 Static recrystallization curves of Steels3＃ and5＃ at different temperatures （inter-pass isothermal time：120s） 3∙2∙2 N 含量对静态再结晶量的影响 图6为3＃ 和5＃ 钢在不同温度下道次间保温 120s 时的静态再结晶量随温度的变化关系．经过 分析可以看出当道次间保温时间为120s 时随温 度的增加两种钢的静态再结晶量都有增加．当变 形温度为760℃时3＃钢静态再结晶量为33％而 5＃钢为15％（不到3＃ 钢的一半）；变形温度为820 ℃时3＃钢静态再结晶量为52％5＃钢为33％；变 形温度为880℃时3＃钢静态再结晶量为61％5＃ 钢为47％；当变形温度为940℃时都可以发生完全 静态再结晶．3＃钢和5＃钢相比N 质量分数为210× 10－6的5＃钢的静态再结晶量在760～940℃这个温 度段内都少于 N 质量分数为140×10－6的3＃ 钢． 极可能是随着 N 含量的增加VN 颗粒更容易析出 复合析出的 V（CN）中 N 含量也会增加在较低温 度时先析出的 VN 及 V（CN）颗粒对于奥氏体的静 态再结晶有抑制作用造成5＃ 钢静态再结晶的滞 后．可见当 N 质量分数由140×10－6增加到210× 10－6含 V 微合金非调质钢的静态再结晶量有下降 的趋势． 3∙3 V－N 微合金非调质钢中第2相粒子析出与静 态再结晶之间的关系 热变形的奥氏体钢中同时存在着两个相互竞争 的机制：静态再结晶和等温及形变诱导析出．由于 有合金元素的存在这两种机制相互之间的作用是 非常复杂的［7］．与普通碳钢相比在 V－N 微合金非 调质钢中存在一个静态再结晶的滞后现象而这种 滞后是与变形温度相关的．为此使用材料学计算 软件 MatCalc 对实验用 V－N 微合金非调质钢在各 个温度下的析出进行了计算设定等温时间为 900s所得结果如图7和图8所示． 图7 2＃～4＃钢在不同温度下的析出物密度（保温时间900s） Fig．7 Precipitate density distribution of Steels2＃－4＃ at different temperatures （isothermal time：900s） 由图7可知在760℃等温900s后2＃钢的析出 密度达到 1∙78×1023 m －33＃ 钢的析出密度为 1∙48×1023 m －3而4＃钢为3∙33×1023 m －34＃钢 的析出密度最大其次是2＃钢和3＃钢；当在940℃ 等温900s 后2＃钢的析出密度为2∙42×1022 m －3 3＃钢为1∙96×1022 m －34＃钢为2∙92×1022 m －3 依然是4＃钢析出密度最大3＃钢最小不过整体的 析出密度已经有所下降．在图8中760℃等温900s 后N 质量分数为140×10－6的3＃钢的析出密度为 1∙48×1023 m －3而 N 质量分数为210×10－6的5＃ 钢的析出密度为3∙69×1023 m －3是3＃钢析出密度 的2倍还多；在940℃等温900s 后3＃钢的析出密 第3期 辛彬楠等： C 和 N 含量对 V 微合金非调质钢静态再结晶量的影响 ·247·
.248 北京科技大学学报 第30卷 尤以820~880℃温度范围内最为明显.940℃下则 3.5×102 -N:140×103钢) 因所有实验钢均可完成静态再结晶，未能观察到 3.0×10 -N:210×10(5钢) VV微合金化抑制道次间静态再结晶的作用 且2.5×10P (3)在C质量分数为0.33%且V量和Ti量均 $2.0×10 塑1.5×102 近似相同的V一N微合金实验钢中，发现当N质量 1.0×102 分数从140×10-6增加到210×10-6时，该温度范围 0.5×102 内道次间静态再结晶量下降14%~19%，表明N含 760 820880 940 量增加有明显抑制道次间静态再结晶的作用， 温度/气 致谢 图83°和5°钢在不同温度下的析出物密度（保温时间900s) 实验研究过程中得到了钢铁研究总院钒氮钢发 Fig.Precipitate density distribution of Steels3and 5at differ- 展中心杨才福教授等和北京科技大学国家重点实验 ent temperatures (isothermal time:900s) 室张艳高级工程师等的关心和帮助，特此衷心感谢， 度为1.96×102m3,而5*钢的析出密度为3.52× 参考文献 102m-3,依然高于3*钢的析出密度.图7和图8 [1]Ren HP,Wang JJ.Wang K.et al.Recrystallization behavior of 的一个共同点为：随着温度的降低，析出物密度 un quenched and tempered steel 35MnVN during deformation at 增大， high temperature.J Mater Metall,2002.1(2):132 由以上计算及实验结果可知，在较高温度 (任海鹏.王建车，王凯，等.35MnVN非调质钢高温形变再 940℃变形与等温时，V的C、N化物的析出量少，对 结晶行为.材料与冶金学报，2002,1(2)：132) 于等温过程静态再结晶量的影响比较小，因为此温 [2]Serajzadeh S.Taheri A K.An investigation of the silicon role on 度下大部分V还固溶于奥氏体中，其拖曳效应对于 austenite recrystallization.Mater Lett.2002.56:984 [3]Kliber J.Schindler I.Recrystallization/precipitation behaviour in 静态再结晶的影响非常小[8]，因此2#~5#钢都完 microalloyed steels.J Mater Process Technol.1996.60:597 成了静态再结晶.而在较低温度740~880℃下变 [4]Wang F Z.Liu G Q.Liu X.et al.Thermal/dynamic simula- 形时，可以看到V一N微合金非调质钢的静态再结 tion of static reerystallization of 33Mn2V for oil well tubes.Iron 晶出现明显的滞后，因为在较低温变形时，变形之前 Se,2003,38(12):43 (王辅忠，刘国权，刘胜新，等.油井管钢33Mn2V静态再结 已经有部分V的C、N化物沉淀析出，析出的第2相 晶的模拟研究.钢铁，2003,38(12)：43) 粒子在变形之前就已经存在于奥氏体基体之中，这 [5]Liu S X.Study of Microstructure Evolution in Medium Carbon 些析出物对位错的运动造成了阻碍，也阻碍了奥氏 Microalloyed Steel Used for Hot-Rolling Non-Quenched/Tem- 体晶界的运动，对再结晶的动力学因素造成了显著 pered Seamless Oil-Well Tubes [Dissertation]Beijing:Universi- 影响，导致了静态再结晶的滞后 ty of Science and Technology Beijing.2004 (刘胜新·中碳微合金热轧非调质无缝油井管钢的组织演化规 4结论 律研究[学位论文]北京：北京科技大学，2004) [6]Wand A D,Liu G Q.Liu S X,et al.Thermodynamic calcula (1)在VV微合金非调质钢中，静态再结晶量 tions of carbonitrides in V-Ti-N microalloyed steels for non 受C含量的影响并不呈简单线性关系，而是存在着 quenched/tempered seamless oil well tubes.IUnie Sci Technol 静态再结晶量极值：当钢中C质量分数为0.33% Beijing,2006,28(9):823 时，760~880℃温度范围内道次间静态再结晶量随 (王安东，刘国权，刘胜新，等.V一T一N微合金非调质无缝油 井管钢中碳氮化物的热力学计算.。北京科技大学学报，2006， C含量的变化均表现为极大值.表明钢中V析出物 28(9):823) 对道次间静态再结晶的影响机制相当复杂，与其析 [7]Zurob HS,Brechet Y,Purdy G.A model for the competition of 出的时机关系很大 precipitation and recrystallization in deformed austenite.Acta (2)当钢中C质量分数为0.33%时，在760~ Maer,2001,49:4138 880℃温度范围内，V一N微合金非调质钢的静态再 [8]Garcia-Mateo C.LOpez B.Rodriguez-Ibabe J M.Static reerystal- lization kinetics in warm worked vanadium microalloyed steels 结晶要比未V一N微合金化的对比钢有明显滞后， Mater Sci Eng.2001,A303:216
图8 3＃和5＃钢在不同温度下的析出物密度（保温时间900s） Fig．8 Precipitate density distribution of Steels3＃ and5＃ at different temperatures （isothermal time：900s） 度为1∙96×1022m －3而5＃钢的析出密度为3∙52× 1022 m －3依然高于3＃钢的析出密度．图7和图8 的一个共同点为：随着温度的降低析出物密度 增大． 由以上 计 算 及 实 验 结 果 可 知在 较 高 温 度 940℃变形与等温时V 的 C、N 化物的析出量少对 于等温过程静态再结晶量的影响比较小因为此温 度下大部分 V 还固溶于奥氏体中其拖曳效应对于 静态再结晶的影响非常小［8］因此2＃ ～5＃ 钢都完 成了静态再结晶．而在较低温度740～880℃下变 形时可以看到 V－N 微合金非调质钢的静态再结 晶出现明显的滞后因为在较低温变形时变形之前 已经有部分 V 的 C、N 化物沉淀析出析出的第2相 粒子在变形之前就已经存在于奥氏体基体之中这 些析出物对位错的运动造成了阻碍也阻碍了奥氏 体晶界的运动对再结晶的动力学因素造成了显著 影响导致了静态再结晶的滞后． 4 结论 （1） 在 V－N 微合金非调质钢中静态再结晶量 受 C 含量的影响并不呈简单线性关系而是存在着 静态再结晶量极值：当钢中 C 质量分数为0∙33％ 时760～880℃温度范围内道次间静态再结晶量随 C 含量的变化均表现为极大值．表明钢中 V 析出物 对道次间静态再结晶的影响机制相当复杂与其析 出的时机关系很大． （2） 当钢中 C 质量分数为0∙33％时在760～ 880℃温度范围内V－N 微合金非调质钢的静态再 结晶要比未 V－N 微合金化的对比钢有明显滞后 尤以820～880℃温度范围内最为明显．940℃下则 因所有实验钢均可完成静态再结晶未能观察到 V－N微合金化抑制道次间静态再结晶的作用． （3） 在 C 质量分数为0∙33％且 V 量和 Ti 量均 近似相同的 V－N 微合金实验钢中发现当 N 质量 分数从140×10－6增加到210×10－6时该温度范围 内道次间静态再结晶量下降14％～19％表明 N 含 量增加有明显抑制道次间静态再结晶的作用． 致谢 实验研究过程中得到了钢铁研究总院钒氮钢发 展中心杨才福教授等和北京科技大学国家重点实验 室张艳高级工程师等的关心和帮助特此衷心感谢． 参 考 文 献 ［1］ Ren H PWang J JWang Ket al．Recrystallization behavior of un-quenched and tempered steel 35MnVN during deformation at high temperature．J Mater Metall20021（2）：132 （任海鹏王建军王凯等．35MnVN 非调质钢高温形变再 结晶行为．材料与冶金学报20021（2）：132） ［2］ Serajzadeh STaheri A K．An investigation of the silicon role on austenite recrystallization．Mater Lett200256：984 ［3］ Kliber JSchindler I．Recrystallization／precipitation behaviour in microalloyed steels．J Mater Process Technol199660：597 ［4］ Wang F ZLiu G QLiu S Xet al．Thermal／dynamic simulation of static recrystallization of 33Mn2V for oil well tubes．Iron Steel200338（12）：43 （王辅忠刘国权刘胜新等．油井管钢33Mn2V 静态再结 晶的模拟研究．钢铁200338（12）：43） ［5］ Liu S X．Study of Microstructure Evolution in Medium Carbon Microalloyed Steel Used for Hot-Rolling Non-Quenched／Tempered Seamless Oil-Well T ubes ［Dissertation］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2004 （刘胜新．中碳微合金热轧非调质无缝油井管钢的组织演化规 律研究［学位论文］．北京：北京科技大学2004） ［6］ Wand A DLiu G QLiu S Xet al．Thermodynamic calculations of carbonitrides in V-T-i N microalloyed steels for nonquenched／tempered seamless oi-l well tubes．J Univ Sci Technol Beijing200628（9）：823 （王安东刘国权刘胜新等．V－Ti－N 微合金非调质无缝油 井管钢中碳氮化物的热力学计算．北京科技大学学报2006 28（9）：823） ［7］ Zurob H SBrechet YPurdy G．A model for the competition of precipitation and recrystallization in deformed austenite． Acta Mater200149：4138 ［8］ Garcia-Mateo CLópez BRodriguez-Ibabe J M．Static recrystallization kinetics in warm worked vanadium microalloyed steels． Mater Sci Eng2001A303：216 ·248· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
