曲轴用非调质钢C38N2的静态再结晶行为

第36卷第8期 北京科技大学学报 Vol.36 No.8 2014年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2014 曲轴用非调质钢C38N2的静态再结晶行为 蒋 波”，杨忠”，文成”，张建宇”，王海龙”，刘雅政四 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)西宁特殊钢集团有限责任公司，西宁810005 ☒通信作者，E-mail:lyzh@usth.edu.cn 摘要通过热模拟实验、光学金相及透射电镜分析观察，研究了奥氏体化条件、变形温度、变形速率、变形量以及道次间隔 时间对曲轴用非调质钢C38N2轧制道次间的静态再结晶体积分数和残余应变率的影响规律.实验结果表明：随着变形温度 的升高、变形速率的增大、变形量的增大或道次间间隔时间的增长，静态再结晶的体积分数逐渐升高，道次的残余应变率逐渐 降低：原始奥氏体晶粒尺寸增大，静态再结晶体积分数降低，但变化不大：在1250℃以下，随着奥氏体化温度的升高，静态再结 晶体积分数降低不明显，但在1250℃以上，奥氏体化温度的升高明显降低了静态再结晶体积分数.通过线性拟合以及最小二 乘法，得到静态再结晶体积分数与不同变形工艺参数之间关系的数学模型：对已有残余应变率数学模型进行修正，得到含有 应变速率项的残余应变率数学模型，拟合度较好. 关键词非调质钢：再结晶：残余应变：软化：曲轴 分类号TG142.1 Static recrystallization behaviors of non-quenched steel C38N2 for crankshafts JIANG Bo,YANG Zhong?,WEN Cheng",ZHANG Jian-yu,WANG Hai-long?,LIU Ya-heng 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xining Special Steel Co.Ld.,Xining 810005,China Corresponding author,E-mail:lyzh@ustb.edu.cn ABSTRACT The effects of austenitizing procedures,deformation temperature,deformation rate,deformation amount and inter-pass time between deformations on the volume fraction of static recrystallization and the residual strain ratio of non-quenched steel C38N2 for crankshafts were carefully investigated by hot simulation tests,quantitative metallography and transmission electron microscopy.Experi- mental observations show that,the volume fraction of static recrystallization increases and the residual strain ratio decreases when the deformation temperature,deformation rate,deformation amount and inter-pass time between deformations rise.The situation is opposite when the austenite grain size increases,but they change inconspicuously.In addition,the volume fraction of static recrystallization de- creases gently when the austenitizing temperature rises below 1250 C.However,it sharply decreases when the austenitizing tempera- ture rises above 1250 C.A mathematical model of the relationship between the volume fraction of static recrystallization and deforma- tion parameters was derived by linear fitting and least square method.Besides,a mathematical model of residual strain ratio concerning the deformation rate term was obtained by modifying the existent mathematical model,and it fits the experimental results better. KEY WORDS non-quenched steel;recrystallization:residual strain:softening:crankshafts 曲轴钢C38N2是一种新型的微合金非调质钢， 心部流动到表面而形成的缺陷同.改善曲轴用材的 代替调质钢制造雷诺发动机曲轴·习.表面发纹缺 心部质量成为轧制过程中的重要目标，通过减少轧 陷是曲轴寿命的常见缺陷，主要是由原始铸锭中气 制过程中的道次软化，促进心部的变形是焊合铸态 孔、疏松等治金缺陷在模锻成形过程中受到挤压由 组织心部疏松、缩孔的有利手段四. 收稿日期：20130808 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.008:http:/journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 8 期 2014 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 8 Aug． 2014 曲轴用非调质钢 C38N2 的静态再结晶行为 蒋 波1) ，杨 忠2) ，文 成1) ，张建宇1) ，王海龙2) ，刘雅政1)  1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 西宁特殊钢集团有限责任公司，西宁 810005  通信作者，E-mail: lyzh@ ustb． edu． cn 摘 要 通过热模拟实验、光学金相及透射电镜分析观察，研究了奥氏体化条件、变形温度、变形速率、变形量以及道次间隔 时间对曲轴用非调质钢 C38N2 轧制道次间的静态再结晶体积分数和残余应变率的影响规律． 实验结果表明: 随着变形温度 的升高、变形速率的增大、变形量的增大或道次间间隔时间的增长，静态再结晶的体积分数逐渐升高，道次的残余应变率逐渐 降低; 原始奥氏体晶粒尺寸增大，静态再结晶体积分数降低，但变化不大; 在 1250 ℃以下，随着奥氏体化温度的升高，静态再结 晶体积分数降低不明显，但在 1250 ℃以上，奥氏体化温度的升高明显降低了静态再结晶体积分数． 通过线性拟合以及最小二 乘法，得到静态再结晶体积分数与不同变形工艺参数之间关系的数学模型; 对已有残余应变率数学模型进行修正，得到含有 应变速率项的残余应变率数学模型，拟合度较好． 关键词 非调质钢; 再结晶; 残余应变; 软化; 曲轴 分类号 TG 142. 1 Static recrystallization behaviors of non-quenched steel C38N2 for crankshafts JIANG Bo1) ，YANG Zhong2) ，WEN Cheng1) ，ZHANG Jian-yu1) ，WANG Hai-long2) ，LIU Ya-zheng1)  1) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Xining Special Steel Co． Ltd． ，Xining 810005，China  Corresponding author，E-mail: lyzh@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The effects of austenitizing procedures，deformation temperature，deformation rate，deformation amount and inter-pass time between deformations on the volume fraction of static recrystallization and the residual strain ratio of non-quenched steel C38N2 for crankshafts were carefully investigated by hot simulation tests，quantitative metallography and transmission electron microscopy． Experi￾mental observations show that，the volume fraction of static recrystallization increases and the residual strain ratio decreases when the deformation temperature，deformation rate，deformation amount and inter-pass time between deformations rise． The situation is opposite when the austenite grain size increases，but they change inconspicuously． In addition，the volume fraction of static recrystallization de￾creases gently when the austenitizing temperature rises below 1250 ℃ ． However，it sharply decreases when the austenitizing tempera￾ture rises above 1250 ℃ ． A mathematical model of the relationship between the volume fraction of static recrystallization and deforma￾tion parameters was derived by linear fitting and least square method． Besides，a mathematical model of residual strain ratio concerning the deformation rate term was obtained by modifying the existent mathematical model，and it fits the experimental results better． KEY WOＲDS non-quenched steel; recrystallization; residual strain; softening; crankshafts 收稿日期: 2013--08--08 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 08． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 曲轴钢 C38N2 是一种新型的微合金非调质钢， 代替调质钢制造雷诺发动机曲轴［1--2］． 表面发纹缺 陷是曲轴寿命的常见缺陷，主要是由原始铸锭中气 孔、疏松等冶金缺陷在模锻成形过程中受到挤压由 心部流动到表面而形成的缺陷［3］． 改善曲轴用材的 心部质量成为轧制过程中的重要目标，通过减少轧 制过程中的道次软化，促进心部的变形是焊合铸态 组织心部疏松、缩孔的有利手段［4］．

·1040 北京科技大学学报 第36卷 曲轴钢在轧制道次间的软化过程主要决定于其 0.01%:N,0.02%.将其加工d8mm×20mm的热 静态再结晶和亚动态再结晶行为，再结晶行为研究 模拟圆柱形试样，在Gleeble--l500热模拟验机上进 是促进轧材心部变形、改善轧材质量的理论基础. 行热模拟实验 Cho等对一种含铌微合金钢的动态、静态以及准 1.2实验方法 动态再结晶进行了系统的研究，并建立了其再结晶 根据热模拟机的性能技术参数以及现场生产线 体积分数模型和t。.5模型.国内外许多学者对不同 的技术特点和工艺规程，制定了下列热模拟实验方 合金钢的再结晶行为，以及合金元素、原始组织状态 案：采用2道次压缩试验，以10℃·s的速度将实 和工艺参数对其再结晶的影响进行了研究.然 验钢试样加热至1250℃，保温一定时间，其中两个 而不同的钢种的再结晶行为受到各个因素的影响不 试样以不同保温时间分别保温5min和15min后水 尽相同，本文针对曲轴钢C38N2在模锻成形过程中 淬，其它的试样在保温5min后以10℃·s-的速度 出现的心部疏松缩孔缺陷的现象，对其静态再结晶规 冷却至变形温度(900、950、1000、1050、1100和 律进行研究，为制定合理的轧制工艺以减少道次间的 1150℃)，30s之后进行第一道次变形，以一定的变 软化促进心部变形提供理论依据.实验采用热模拟双 形速率(0.5、1、2、5和10s1)和未达到动态再结晶 道次压缩试验的方法，设计分析了不同奥氏体化条件、 的变形量，(10%、15%、20%和30%)，间隔一段时 变形温度、变形速率、变形量以及道次间隔时间对实验 间(3、5、10、20和100s)之后进行第二道次变形，变 钢的静态再结晶体积分数和残余应变率的影响 形速率2s1,变形量62=10%，变形完毕后水淬：同 时设定不同的奥氏体化温度为1050~1350℃，保温 1实验材料及实验方法 10min,在相同变形参数（变形温度为1000℃，变形 1.1实验材料 量为15%，变形速率为2s,间隔时间为5s)变形 实验钢取自某厂曲轴钢C38N2精轧前的坯料， 后水淬.工艺图如图1所示.将热模拟过程中的真 化学成分（质量分数）为C,0.38%:Si,0.55%;Mn, 应力一应变绘制成曲线，计算不同工艺参数下的静 1.42%:P,0.011%;S,0.047%:Nb,0.03%:Mo, 态再结晶体积分数以及残余应变率. +1050.1100.1150,1200,1250.1300.1350℃，10mim 1250℃，5、15min 变形量e=10%、15%、20%、30%.毛=10%.变形速举21 10℃/ 0入久入入入 变形温度：900、950、1000 变形速率0.5、1以2、5、10 1050、1100、1150℃ 20℃/s 间隔时向t:3、5,10.20、100s 水淬 水淬 时间： 图1热模拟实验工艺路线 Fig.1 Process route of the hot simulation test 力.用补偿法测得的软化率包括静态回复和静态再 2实验结果与讨论 结晶造成的软化.一般认为，静态再结晶约在软化 2.1静态再结晶体积分数及残余应变率的计算 率为0.2时开始，因此静态再结晶的体积分数X (1)静态再结品体积分数.利用双道次变形实 可由下式确定o 验测定静态再结晶体积分数Xa,对比不同测定方 Xm=(F。-0.2)/(1-0.2)=(F.-0.2)/0.8. 法，用补偿法处理数据人为的误差更小，故选用补偿 (2) 法测定.图2为双道次变形过程中的应力一应变曲 静态再结晶体积分数X的模型的计算：大量 线图.补偿法的软化率F,由下式确定可： 研究表明，钢中奥氏体再结晶动力学一般遵守 F.=(cm-o2）/(cm-1）. (1) Avrami方程) 式中，σ为第1道次卸载时对应的应力，σ1和σ2分 别为第1和第2道次压缩时真应变为0.2%时的应 xa=1-ep[-c()广门. (3)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 曲轴钢在轧制道次间的软化过程主要决定于其 静态再结晶和亚动态再结晶行为，再结晶行为研究 是促进轧材心部变形、改善轧材质量的理论基础． Cho 等［5］对一种含铌微合金钢的动态、静态以及准 动态再结晶进行了系统的研究，并建立了其再结晶 体积分数模型和 t0. 5模型． 国内外许多学者对不同 合金钢的再结晶行为，以及合金元素、原始组织状态 和工艺参数对其再结晶的影响进行了研究［6--9］． 然 而不同的钢种的再结晶行为受到各个因素的影响不 尽相同，本文针对曲轴钢 C38N2 在模锻成形过程中 出现的心部疏松缩孔缺陷的现象，对其静态再结晶规 律进行研究，为制定合理的轧制工艺以减少道次间的 软化促进心部变形提供理论依据． 实验采用热模拟双 道次压缩试验的方法，设计分析了不同奥氏体化条件、 变形温度、变形速率、变形量以及道次间隔时间对实验 钢的静态再结晶体积分数和残余应变率的影响． 1 实验材料及实验方法 1. 1 实验材料 实验钢取自某厂曲轴钢 C38N2 精轧前的坯料， 化学成分( 质量分数) 为 C，0. 38% ; Si，0. 55% ; Mn， 1. 42% ; P，0. 011% ; S，0. 047% ; Nb，0. 03% ; Mo， 0. 01% ; N，0. 02% ． 将其加工 8 mm × 20 mm 的热 模拟圆柱形试样，在 Gleeble--1500 热模拟验机上进 行热模拟实验． 1. 2 实验方法 根据热模拟机的性能技术参数以及现场生产线 的技术特点和工艺规程，制定了下列热模拟实验方 案: 采用 2 道次压缩试验，以 10 ℃·s － 1的速度将实 验钢试样加热至 1250 ℃，保温一定时间，其中两个 试样以不同保温时间分别保温 5 min 和 15 min 后水 淬，其它的试样在保温 5 min 后以 10 ℃·s － 1的速度 冷却 至 变 形 温 度 ( 900、950、1000、1050、1100 和 1150 ℃ ) ，30 s 之后进行第一道次变形，以一定的变 形速率( 0. 5、1、2、5 和 10 s － 1 ) 和未达到动态再结晶 的变形量 ε1 ( 10% 、15% 、20% 和 30% ) ，间隔一段时 间( 3、5、10、20 和 100 s) 之后进行第二道次变形，变 形速率 2 s － 1，变形量 ε2 = 10% ，变形完毕后水淬; 同 时设定不同的奥氏体化温度为 1050 ～ 1350 ℃，保温 10 min，在相同变形参数( 变形温度为 1000 ℃，变形 量为 15% ，变形速率为 2 s － 1，间隔时间为 5 s) 变形 后水淬． 工艺图如图 1 所示． 将热模拟过程中的真 应力--应变绘制成曲线，计算不同工艺参数下的静 态再结晶体积分数以及残余应变率． 图 1 热模拟实验工艺路线 Fig． 1 Process route of the hot simulation test 2 实验结果与讨论 2. 1 静态再结晶体积分数及残余应变率的计算 ( 1) 静态再结晶体积分数． 利用双道次变形实 验测定静态再结晶体积分数 Xsrx，对比不同测定方 法，用补偿法处理数据人为的误差更小，故选用补偿 法测定． 图 2 为双道次变形过程中的应力--应变曲 线图． 补偿法的软化率 Fs由下式确定［7］: Fs = ( σm － σ2 ) /( σm － σ1 ) ． ( 1) 式中，σm为第 1 道次卸载时对应的应力，σ1和 σ2分 别为第 1 和第 2 道次压缩时真应变为 0. 2% 时的应 力． 用补偿法测得的软化率包括静态回复和静态再 结晶造成的软化． 一般认为，静态再结晶约在软化 率为 0. 2 时开始，因此静态再结晶的体积分数 Xsrx 可由下式确定［10］: Xsrx = ( Fs － 0. 2) /( 1 － 0. 2) = ( Fs － 0. 2) /0. 8． ( 2) 静态再结晶体积分数 Xsrx的模型的计算: 大量 研究 表 明，钢中奥氏体再结晶动力学一般遵守 Avrami方程［11］: Xsrx = 1 － exp － [ C ( t t ) X ] n ． ( 3) · 0401 ·

第8期 蒋波等：曲轴用非调质钢C38N2的静态再结晶行为 ·1041· 应力 式中：61为变形量；r为道次间隔时间，s;T为变 形温度，K:R为摩尔气体常数，J·mol-1K1C、 0.2% C2和Q2为与钢的化学成分有关的常数与有效激 活能。 2.2不同工艺参数对静态再结晶体积分数的影响 2.2.1变形参数 图3为不同变形工艺参数对C38N2静态再结 晶体积分数的影响.奥氏体化温度不变，为1250℃. 应变 实验结果表明：在变形量为15%，变形速率为2s1, 图2典型的双道次压缩试验应力一应变曲线 奥氏体化保温时间为5min时，随着变形温度由 Fig.2 Stress-strain curve of the typical double compression test 900℃升高到1000℃，发生50%静态再结晶的时间 1。.s由66.3s减少到11.2s.在变形温度为1000℃， 式中：X为静态再结晶体积分数；t,为发生再结晶 变形速率为2s,奥氏体化保温时间为5min时，随 体积分数为X时所用的时间，s;n为常数.当X= 着变形量由10%升高到15%，发生50%静态再结 0.5时，对应的再结晶时间为a.5,此时C值为常数 晶的时间t。5由110s减少到11.34s.在变形温度为 0.693,因此通常用ta5来表示再结晶发生的难易. 1000℃，变形量为15%，奥氏体化保温时间为5min as越大表示再结晶发生的难度越大；相反，。s越小， 时，随着变形速率由2s1升高到5s1,发生50%静 再结晶越容易发生山 态再结晶的时间os由11.1s减少到6.7s.在相同 (2)残余应变率.引入残余应变率入，的概念， 变形量、变形温度和变形速率下，随着道次间隔时间 定义为入：=△s:/e-1△e:为第i-1道次累积到第i 的增大，静态再结晶体积分数增大.静态再结晶过 道次的应变，e:-1为第i-1道次的应变，0≤入≤1. 程是一个热激活的过程，变形温度的提高增强了发 入=1时对应于软化率Xa=0;入=0对应于Xa=1, 生再结晶的能量，变形量和变形速率的提高使位错 即变形后道次间隔时间内完全软化☒.根据图2 密度增加，提高了变形过程中的储存能，因此都促进 的双道次实验应力一应变曲线，道次间的残余应变 了再结晶的发生回 率入可表示为 2.2.2原始奥氏体晶粒尺寸 入=（σ2-o1）/(σm-1）. (4) 图4为加热温度1250℃，不同保温时间的原始 残余应变率模型的计算：根据文献D0,13],残 奥氏体晶粒尺寸光学金相照片.测得保温时间为 余应变率入与钢的成分、预变形程度、轧制道次的 5min时的原始奥氏体晶粒尺寸为89um,l5min时 间隔时间及轧制温度有关，根据道次间位错恢复过 的原始奥氏体晶粒尺寸为128um.由图5可以看 程而求得的入的关系式如下： 出，在变形温度为1000℃，变形量为15%，变形速率 C 为2s-',奥氏体化保温时间由5min增加到15min A=C +C)exp [CaTexp (-Q:/RT)-C15 时，发生50%静态再结晶的时间。s由11.2s增加 (5) 到13.2s,晶粒尺寸的增加对再结晶有一定的抑制 100m 90A -15%.2s,5min.900℃ 100 90 +1000℃.25min.10% 00 -+1000℃.15%5min.2s 90F +159%,2s5min,1000℃ ·-1000℃.2$5minm.15% -1000℃.I5%.5mim5s 80 (6.7s.509%) 70 60 60 (66.3$.50%) (11.34s.50%) (110.050) 60 /(11.2850%) 50 40 50 (11.1850%) 40 好 30 40 30 20 30 20 10 20 100203045000090100i0 0 0102030405060708090100110 10 100102030405060708090100110 间隔时间s 间隔时间： 间隔时间/s 图3不同工艺参数下静态再结品体积分数.(a)变形温度：(b)变形量：(c)变形速率 Fig.3 Volume fraction of static recrystallization with different process parameters:(a)deformation temperature;(b)deformation amount:(c) deformation rate

第 8 期 蒋 波等: 曲轴用非调质钢 C38N2 的静态再结晶行为 图 2 典型的双道次压缩试验应力--应变曲线 Fig． 2 Stress-strain curve of the typical double compression test 式中: Xsrx为静态再结晶体积分数; tX为发生再结晶 体积分数为 X 时所用的时间，s; n 为常数． 当 X = 0. 5 时，对应的再结晶时间为 t0. 5，此时 C 值为常数 0. 693，因此通常用 t0. 5 来表示再结晶发生的难易． t0. 5越大表示再结晶发生的难度越大; 相反，t0. 5越小， 再结晶越容易发生［11］． 图 3 不同工艺参数下静态再结晶体积分数． ( a) 变形温度; ( b) 变形量; ( c) 变形速率 Fig． 3 Volume fraction of static recrystallization with different process parameters: ( a) deformation temperature; ( b) deformation amount; ( c) deformation rate ( 2) 残余应变率． 引入残余应变率 λi的概念， 定义为 λi = Δεi /εi － 1，Δεi为第 i － 1 道次累积到第 i 道次的应变，εi － 1为第 i － 1 道次的应变，0≤λ≤1． λ = 1时对应于软化率 Xsrx = 0; λ = 0 对应于 Xsrx = 1， 即变形后道次间隔时间内完全软化［12］． 根据图 2 的双道次实验应力--应变曲线，道次间的残余应变 率 λ 可表示为 λ = ( σ2 － σ1 ) /( σm － σ1 ) ． ( 4) 残余应变率模型的计算: 根据文献［10，13］，残 余应变率 λ 与钢的成分、预变形程度、轧制道次的 间隔时间及轧制温度有关，根据道次间位错恢复过 程而求得的 λ 的关系式如下: λ = C2 ( C1ε1 + C2 ) exp［C2 τexp( － Q2 /ＲT) ］－ C1ε1 ． ( 5) 式中: ε1 为变形量; τ 为道次间隔时间，s; T 为 变 形温度，K; Ｒ 为摩尔气体常数，J·mol － 1 K － 1 ; C1、 C2 和 Q2 为与钢的化学成分有关的常数与有效激 活能． 2. 2 不同工艺参数对静态再结晶体积分数的影响 2. 2. 1 变形参数 图 3 为不同变形工艺参数对 C38N2 静态再结 晶体积分数的影响． 奥氏体化温度不变，为1250 ℃ ． 实验结果表明: 在变形量为 15% ，变形速率为 2 s － 1， 奥氏体化保温时间为 5 min 时，随着变形温 度 由 900 ℃升高到 1000 ℃，发生 50% 静态再结晶的时间 t0. 5由 66. 3 s 减少到 11. 2 s． 在变形温度为 1000 ℃， 变形速率为 2 s － 1，奥氏体化保温时间为 5 min 时，随 着变形量由 10% 升高到 15% ，发生 50% 静态再结 晶的时间 t0. 5由 110 s 减少到 11. 34 s． 在变形温度为 1000 ℃，变形量为 15% ，奥氏体化保温时间为 5 min 时，随着变形速率由 2 s － 1升高到 5 s － 1，发生 50% 静 态再结晶的时间 t0. 5由 11. 1 s 减少到 6. 7 s． 在相同 变形量、变形温度和变形速率下，随着道次间隔时间 的增大，静态再结晶体积分数增大． 静态再结晶过 程是一个热激活的过程，变形温度的提高增强了发 生再结晶的能量，变形量和变形速率的提高使位错 密度增加，提高了变形过程中的储存能，因此都促进 了再结晶的发生［9］． 2. 2. 2 原始奥氏体晶粒尺寸 图 4 为加热温度 1250 ℃，不同保温时间的原始 奥氏体晶粒尺寸光学金相照片． 测得保温时间为 5 min时的原始奥氏体晶粒尺寸为 89 μm，15 min 时 的原始奥氏体晶粒尺寸为 128 μm． 由图 5 可以看 出，在变形温度为 1000 ℃，变形量为 15% ，变形速率 为 2 s － 1，奥氏体化保温时间由 5 min 增加到 15 min 时，发生 50% 静态再结晶的时间 t0. 5 由 11. 2 s 增加 到 13. 2 s，晶粒尺寸的增加对再结晶有一定的抑制 · 1401 ·

·1042 北京科技大学学报 第36卷 作用，但是影响不大.这与一些文献对不同钢种的 再结晶影响最大，变形温度和应变速率次之，初始奥 静态再结晶影响因素的结论一致：变形程度对静态 氏体晶粒尺寸对其影响较小 (a) b 100m 100m 图4奥氏体化温度l250℃，不同保温时间品粒尺寸光学金相照片.(a)5min:(b)15mim Fig.4 Optical microstructures of grains with different holding time at austenitizing temperature of 1250 C:(a)5 min:(b)15 min 100 110 90 -1000℃.15%，2s,5min ◆-1000℃.15%.2s1,15min 100 70 90 60 80 0 40 30 60 20 100010501100115012001250130013501400 10.0203040060708090100i0 奥氏体化温度℃ 间隔时间s 图6不同奥氏体化温度下的静态再结品体积分数 图5不同原始品粒尺寸的静态再结品体积分数 Fig.6 Volume fraction of static recrystallization at different austen- Fig.5 Volume fraction of static recrystallization with different prior itizing temperatures austenitic grain sizes 的析出物.在变形过程中，弥散相颗粒直径较大、间 2.2.3奥氏体化温度 距较大时，位错在颗粒附近塞积，加工硬化速率大， 由图6可以看出，奥氏体化保温时间不变，随着 变形储能高，增大了再结晶驱动力并在基体中产生 奥氏体化温度的提高，在1050℃到1200℃范围内， 了许多形核畸变区，促进了再结晶。当颗粒直径和 静态再结晶体积分数略有降低，与2.2.2章节中的 间距都较小时，虽然变形后的位错密度更大，但是这 结论一致，表示随着奥氏体化温度升高，原始奥氏体 种弥散分布的细小的第二相颗粒阻碍了加热时位错 尺寸增大，但是再结晶受到抑制作用不明显。但是， 重新排列构成亚晶界，也阻碍了晶界的迁移过程 当温度达到1250℃及以上时，静态再结晶体积分数 (即核的生长过程)，从而使再结晶受到抑制.Nb和 下降明显 T的粒子主要在钢中以固溶、析出和未溶态存在， 根据上述实验结果，原奥氏体晶粒尺寸对静态 低温奥氏体化条件下主要以未溶态的大颗粒尺寸存 再结晶的抑制不明显，因此排除该因素对静态再结 在，对再结晶起到一定的促进作用，奥氏体化温度的 晶的影响，通过透射电镜观察不同奥氏体化温度下 升高主要增大原奥氏体晶粒尺寸，其对再结晶有一 直接水淬的组织，在奥氏体化温度1250℃以下的组 定的抑制作用，但影响不大；而在高温奥氏体化条件 织中发现大颗粒的未溶Nb和T的复合析出物，尺 下，固溶态和固溶后析出的细小粒子较前者对再结 寸在60~100nm,如图7所示；在奥氏体温度 晶影响较大，以致静态再结晶随着奥氏体化温度的 1250℃及以上的组织中未发现大颗粒的Nb和Ti 升高受到明显抑制因

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 作用，但是影响不大． 这与一些文献对不同钢种的 静态再结晶影响因素的结论一致: 变形程度对静态 再结晶影响最大，变形温度和应变速率次之，初始奥 氏体晶粒尺寸对其影响较小［14］． 图 4 奥氏体化温度 1250 ℃，不同保温时间晶粒尺寸光学金相照片． ( a) 5 min; ( b) 15 min Fig． 4 Optical microstructures of grains with different holding time at austenitizing temperature of 1250 ℃ : ( a) 5 min; ( b) 15 min 图 5 不同原始晶粒尺寸的静态再结晶体积分数 Fig． 5 Volume fraction of static recrystallization with different prior austenitic grain sizes 2. 2. 3 奥氏体化温度 由图 6 可以看出，奥氏体化保温时间不变，随着 奥氏体化温度的提高，在 1050 ℃ 到 1200 ℃ 范围内， 静态再结晶体积分数略有降低，与 2. 2. 2 章节中的 结论一致，表示随着奥氏体化温度升高，原始奥氏体 尺寸增大，但是再结晶受到抑制作用不明显． 但是， 当温度达到 1250 ℃及以上时，静态再结晶体积分数 下降明显． 根据上述实验结果，原奥氏体晶粒尺寸对静态 再结晶的抑制不明显，因此排除该因素对静态再结 晶的影响，通过透射电镜观察不同奥氏体化温度下 直接水淬的组织，在奥氏体化温度 1250 ℃ 以下的组 织中发现大颗粒的未溶 Nb 和 Ti 的复合析出物，尺 寸在 60 ～ 100 nm，如 图 7 所 示; 在 奥 氏 体 温 度 1250 ℃及以上的组织中未发现大颗粒的 Nb 和 Ti 图 6 不同奥氏体化温度下的静态再结晶体积分数 Fig． 6 Volume fraction of static recrystallization at different austen￾itizing temperatures 的析出物． 在变形过程中，弥散相颗粒直径较大、间 距较大时，位错在颗粒附近塞积，加工硬化速率大， 变形储能高，增大了再结晶驱动力并在基体中产生 了许多形核畸变区，促进了再结晶． 当颗粒直径和 间距都较小时，虽然变形后的位错密度更大，但是这 种弥散分布的细小的第二相颗粒阻碍了加热时位错 重新排列构成亚晶界，也阻碍了晶界的迁移过程 ( 即核的生长过程) ，从而使再结晶受到抑制． Nb 和 Ti 的粒子主要在钢中以固溶、析出和未溶态存在， 低温奥氏体化条件下主要以未溶态的大颗粒尺寸存 在，对再结晶起到一定的促进作用，奥氏体化温度的 升高主要增大原奥氏体晶粒尺寸，其对再结晶有一 定的抑制作用，但影响不大; 而在高温奥氏体化条件 下，固溶态和固溶后析出的细小粒子较前者对再结 晶影响较大，以致静态再结晶随着奥氏体化温度的 升高受到明显抑制［6］． · 2401 ·

第8期 蒋波等：曲轴用非调质钢C38N2的静态再结晶行为 ·1043· 1000b) Nh 800 600 400 200 100nm 0 10 20 能量keV 图71100℃加热保温10min变形后水淬试样.(a)透射电镜照片：(b)X射线能谱仪分析结果 Fig.7 Sample under water quenching after deformation at the austenitizing temperature of 1100C for 10 min:(a)TEM microstructure:(b)EDS spectrum 2.3静态再结晶体积分数及残余应变率模型的 建立 Intas=Ina hlndo+A+ (9) RT 通过对曲轴钢C38N2静态再结晶规律的研究， 通过对图3和图5的数据进行计算：静态再结 可以建立其静态再结晶模型，确定描述静态再结晶 晶激活能Q1=221kmo-1,a=4.15×10-",h= 的特征参量；同时建立残余应变率模型，预测累积应 0.46,f=-5.24,k=-0.55. 变的大小，为制定合理的热轧工艺和实现组织性能 as=4.15×10-"gs2e-a5. 预测提供参考. exp221000/(R1)]. (10) (1)静态再结晶体积分数X模型的建立.把 (3)残余应变率入模型的建立.式(5)中模型 tx=。5,C=0.693代入到式(3)中，同时两边取对 未考虑变形速率对残余应变的影响，由实验所得，残 数，得到 余应变率与变形过程变形速率也有关.根据道次间 []=in0.693+nlntn(6) 位错恢复过程，变形速率与变形量和变形温度对位 错的恢复有着相同的作用，其他条件不变时，三者的 通过对所测数据进行线性回归可以得到n=0.353, 增大都有利于提高变形过程的形变储存能，即变形 从而可以确定静态再结晶体积分数方程为 速率、变形量越大或变形温度越高，形变储存能越 (7) 高，位错恢复程度越大.因此对式(5)进行二次修 正，在应变和温度乘积项中引入C,+C4应变速率 (2)t。模型的建立 乘积项，得到修正后的模型为 to.s =ados efexp [Q/(RT)] (8) 入= 式中：d。为初始晶粒尺寸，um;s为应变；为应变 S 速率，s1:Q,为静态再结晶激活能，k·mol-1;R为 (C:+C)((C+C))exp(CzTexp(-Q2/RT))-C161 摩尔气体常数，8.314Jmol-1;T为热力学温度，K; (11) a~fh和k为与材料有关的常量.对方程两边取对 利用最小二乘法对实验数据进行回归得到如下 数，得到 模型： 入= -4.46×104 (9.43×10e1-4.46×10*)(0.20E-1.9+0.85)exp(-4.46×10°7exp(-1.36x102/RT)-9.43x10e,’ (12) 相关系数R=0.949.图8为残余应变率实验值与计 算所得的模型预测值的比较图。由图可以看出，模 3结论 型预测效果较好 (1)在实验条件下，随着变形温度由900℃升

第 8 期 蒋 波等: 曲轴用非调质钢 C38N2 的静态再结晶行为 图 7 1100 ℃加热保温 10 min 变形后水淬试样． ( a) 透射电镜照片; ( b) X 射线能谱仪分析结果 Fig． 7 Sample under water quenching after deformation at the austenitizing temperature of 1100 ℃ for 10 min: ( a) TEM microstructure; ( b) EDS spectrum 2. 3 静态再结晶体积分数及残余应变率模型的 建立 通过对曲轴钢 C38N2 静态再结晶规律的研究， 可以建立其静态再结晶模型，确定描述静态再结晶 的特征参量; 同时建立残余应变率模型，预测累积应 变的大小，为制定合理的热轧工艺和实现组织性能 预测提供参考． ( 1) 静态再结晶体积分数 Xsrx模型的建立． 把 tX = t0. 5，C = 0. 693 代入到式( 3) 中，同时两边取对 数，得到 [ ( ln ln 1 1 － X ) ] srx = ln0. 693 + nlnt － nlnt0. 5 ． ( 6) 通过对所测数据进行线性回归可以得到 n = 0. 353， 从而可以确定静态再结晶体积分数方程为 Xsrx = 1 － exp － 0. 693 [ ( t t ) 0. 5 ] 0. 353 ． ( 7) ( 2) t0. 5模型的建立［15］． t0. 5 = adh 0εf ε ·k exp［Q1 /( ＲT) ］． ( 8) 式中: d0 为初始晶粒尺寸，μm; ε 为应变; ε · 为应变 速率，s － 1 ; Q1 为静态再结晶激活能，kJ·mol － 1 ; Ｒ 为 摩尔气体常数，8. 314 J·mol － 1 ; T 为热力学温度，K; a、f、h 和 k 为与材料有关的常量． 对方程两边取对 数，得到 lnt0. 5 = lna + hlnd0 + flnε + kln ε · + Q1 ＲT． ( 9) 通过对图 3 和图 5 的数据进行计算: 静态再结 晶激活能 Q1 = 221 kJ·mol － 1，a = 4. 15 × 10 － 11，h = 0. 46，f = － 5. 24，k = － 0. 55． t0. 5 = 4. 15 × 10 － 11 d0. 46 0 ε － 5. 24ε · － 0. 55· exp［221000 /( ＲT) ］． ( 10) ( 3) 残余应变率 λ 模型的建立． 式( 5) 中模型 未考虑变形速率对残余应变的影响，由实验所得，残 余应变率与变形过程变形速率也有关． 根据道次间 位错恢复过程，变形速率与变形量和变形温度对位 错的恢复有着相同的作用，其他条件不变时，三者的 增大都有利于提高变形过程的形变储存能，即变形 速率、变形量越大或变形温度越高，形变储存能越 高，位错恢复程度越大． 因此对式( 5) 进行二次修 正，在应变和温度乘积项中引入 C3ε ·b + C4 应变速率 乘积项，得到修正后的模型为 λ = C2 ( C1ε1 + C2 ) ( ( C3ε ·b + C4 ) ) exp( C2 τexp( －Q2 /ＲT) ) － C1ε1 ． ( 11) 利用最小二乘法对实验数据进行回归得到如下 模型: λ = － 4. 46 × 104 ( 9. 43 × 105 ε1 － 4. 46 × 104 ) ( 0. 20 ε · － 1. 53 + 0. 85) exp( － 4. 46 × 104 τexp( － 1. 36 × 105 /ＲT) ) － 9. 43 × 105 ε1 ， ( 12) 相关系数 Ｒ = 0. 949． 图8 为残余应变率实验值与计 算所得的模型预测值的比较图． 由图可以看出，模 型预测效果较好． 3 结论 ( 1) 在实验条件下，随着变形温度由 900 ℃ 升 · 3401 ·

·1044· 北京科技大学学报 第36卷 0.8 技术，2003(4)：42) 。实验值 -©-预测值 2]Guo JG.The Defect Analysis and Quality Control of Crankshaf 0.7 C38N2 Steel [Dissertation].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2013 0.6 (郭俊国.曲轴钢C38N2缺陷分析与控制[学位论文].北京： 北京科技大学，2013) B] Zhu Y H.Li Y.Magnetic image analysis on the surface of forging product.Mach Manuf,2010 (13):54 .4 (朱永辉，李晔.锻件表面磁痕分析.机械制造，2010(13)： 54) 4]Song WX.Metallurgy.Beijing:Metallurgical Industry Press, 0.2 1980 10 15 20 25 序号 (宋维锡.金属学.北京：治金工业出版社，1980) 图8残余应变率实验值与预测值的比较 [5]Cho H,Kang K B,Jonas JJ.The dynamic,static and metady- namic recrystallization of a Nb-microalloyed steel.IS/J Int,2001, Fig.8 Comparison between the tested and predicted values of residu- 41(1):63 al strain ratio [6]Zhang Z,Liu Y,Liang X,et al.The effect of Nb on reerystalliza- 高到1000℃，发生50%静态再结晶的时间由66.3s tion behavior of a Nb micro-alloyed steel.Mater Sci Eng A,2008, 减少到11.2s;变形量由10%升高到15%，发生 474(1):254 Li G,Maccagno T M,Bai D Q,et al.Effect of initial grain size 50%静态再结晶的时间由110.0s减少到11.34s; on the static recrystallization kinetics of Nb microalloyed steels. 变形速率由2s升高到5s1,发生50%静态再结晶 SIJ Int,1996,36(12):1479 的时间由11.1s减少到6.7s:原始奥氏体晶粒尺寸 8] Xue C X,Zhang L,Yang W Y,et al.Static recrystallization in 由89μm增加到128μum,发生50%静态再结晶的时 low-carbon niobium-microalloyed steels with coarse austenite.J 间由11.2s增加到13.2s.变形温度、变形量和变形 Univ Sci Technol Beijing,2008,30(4):374 (薛春霞，张玲，杨王玥，等.低碳含铌钢粗大奥氏体的静态 速率的升高都促进了静态再结晶的发生；原始奥氏 再结晶.北京科技大学学报，2008,30(4)：374) 体晶粒尺寸的增大抑制了静态再结晶的发生。变形 ] Lin YC.Chen MS,Zhong J.Study of static reerystallization ki- 程度对静态再结晶影响最大，变形温度和应变速率 netics in a low alloy steel.Comput Mater Sci,2008,44():316 次之，初始奥氏体晶粒尺寸对其影响较小. 10]Sun W P,Hawbolt E B.Comparison between static and metady- (2)奥氏体化温度在1250℃以下时，对静态再 namic recrystallization:an application to the hot rolling of steels. 结晶的抑制作用不大：温度达到1250℃时，温度的 S01d,1997,37(10):1000 [11]Avrami M.Kinetics of phase change:I.General theory.J 升高对静态再结品的抑制显著，温度由1250℃升高 Chem Phys,1939,7:1103 到1350℃时，静态再结晶体积分数由99%降低到了 [12]Zhang W.Research on Microstructure and Mechanical Properties of 64%,Nb和Ti元素在高温奥氏体化条件下溶于奥 the X65 Pipeline Steel during CSP Rolling [Dissertation].Bei- 氏体中并在变形过程中的复合析出抑制了静态再结 jing:University of Science and Technology Beijing,2008 晶的发生. (张伟.CSP生产X65管线钢组织与性能的研究[学位论 文].北京：北京科技大学，2008) (3)通过对实验数据线性拟合和最小二乘法计 [13]Iron Steel Research Institute,Fu Shun Xin Fu Steel Company. 算，得到了实验钢静态再结晶体积分数X数学模 Metallurgy of Steel Hot Processing.Fushun:Fushun Xinfu Steel 型与50%再结晶时间t。s数学模型；同时对己有的 Company,1983 残余应变率模型进行修正，得到含有应变速率乘积 (钢铁研究总院，抚顺新抚钢厂.钢热加工金属学.抚顺：抚 项的残余应变率数学模型，模型预测值与实验值拟 顺新抚钢厂，1983) 04] 合度较好 Lin YC.Chen MS,Zhong J.Static reerystallization behaviors of deformed 42CrMo steel.J Cent South Unie Nat Sci,2009,40 (2):412 参考文献 (蔺永诚，陈明松，钟掘.42CMo钢形变奥氏体的静态再结 [Zhang A W,Jiang LZ.Production and development trend of non- 品.中南大学学报：自然科学版，2009,40(2)：412) quenched and tempered steel applied to crankshaft at Baosteel. [15]Medina S F,Quispe A,Gomez M.Model for static recrystallisa- Baosteel Technol,2003 (4):42 tion critical temperature in microalloyed steels.Mater Sci Techn- (张爱文，江来珠.宝钢曲轴用非调质钢的生产与展望.宝钢 ol,2001,17(5):536

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 8 残余应变率实验值与预测值的比较 Fig． 8 Comparison between the tested and predicted values of residu￾al strain ratio 高到 1000 ℃，发生 50% 静态再结晶的时间由 66. 3 s 减少到 11. 2 s; 变 形 量 由 10% 升 高 到 15% ，发 生 50% 静态再结晶的时间由 110. 0 s 减少到 11. 34 s; 变形速率由2 s － 1升高到5 s － 1，发生50% 静态再结晶 的时间由 11. 1 s 减少到 6. 7 s; 原始奥氏体晶粒尺寸 由 89 μm 增加到 128 μm，发生 50% 静态再结晶的时 间由 11. 2 s 增加到 13. 2 s． 变形温度、变形量和变形 速率的升高都促进了静态再结晶的发生; 原始奥氏 体晶粒尺寸的增大抑制了静态再结晶的发生． 变形 程度对静态再结晶影响最大，变形温度和应变速率 次之，初始奥氏体晶粒尺寸对其影响较小． ( 2) 奥氏体化温度在 1250 ℃以下时，对静态再 结晶的抑制作用不大; 温度达到 1250 ℃ 时，温度的 升高对静态再结晶的抑制显著，温度由 1250 ℃ 升高 到 1350 ℃时，静态再结晶体积分数由 99% 降低到了 64% ，Nb 和 Ti 元素在高温奥氏体化条件下溶于奥 氏体中并在变形过程中的复合析出抑制了静态再结 晶的发生． ( 3) 通过对实验数据线性拟合和最小二乘法计 算，得到了实验钢静态再结晶体积分数 Xsrx数学模 型与 50% 再结晶时间 t0. 5 数学模型; 同时对已有的 残余应变率模型进行修正，得到含有应变速率乘积 项的残余应变率数学模型，模型预测值与实验值拟 合度较好． 参 考 文 献 ［1］ Zhang A W，Jiang L Z． Production and development trend of non￾quenched and tempered steel applied to crankshaft at Baosteel． Baosteel Technol，2003( 4) : 42 ( 张爱文，江来珠． 宝钢曲轴用非调质钢的生产与展望． 宝钢 技术，2003( 4) : 42) ［2］ Guo J G． The Defect Analysis and Quality Control of Crankshaft C38N2 Steel［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2013 ( 郭俊国． 曲轴钢 C38N2 缺陷分析与控制［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2013) ［3］ Zhu Y H，Li Y． Magnetic image analysis on the surface of forging product． Mach Manuf，2010 ( 13) : 54 ( 朱永辉，李晔． 锻件表面磁痕分析． 机械制造，2010( 13) : 54) ［4］ Song W X． Metallurgy． Beijing: Metallurgical Industry Press， 1980 ( 宋维锡． 金属学． 北京: 冶金工业出版社，1980) ［5］ Cho S H，Kang K B，Jonas J J． The dynamic，static and metady￾namic recrystallization of a Nb-microalloyed steel． ISIJ Int，2001， 41( 1) : 63 ［6］ Zhang Z，Liu Y，Liang X，et al． The effect of Nb on recrystalliza￾tion behavior of a Nb micro-alloyed steel． Mater Sci Eng A，2008， 474( 1) : 254 ［7］ Li G，Maccagno T M，Bai D Q，et al． Effect of initial grain size on the static recrystallization kinetics of Nb microalloyed steels． ISIJ Int，1996，36( 12) : 1479 ［8］ Xue C X，Zhang L，Yang W Y，et al． Static recrystallization in low-carbon niobium-microalloyed steels with coarse austenite． J Univ Sci Technol Beijing，2008，30( 4) : 374 ( 薛春霞，张玲，杨王玥，等． 低碳含铌钢粗大奥氏体的静态 再结晶． 北京科技大学学报，2008，30( 4) : 374) ［9］ Lin Y C，Chen M S，Zhong J． Study of static recrystallization ki￾netics in a low alloy steel． Comput Mater Sci，2008，44( 2) : 316 ［10］ Sun W P，Hawbolt E B． Comparison between static and metady￾namic recrystallization: an application to the hot rolling of steels． ISIJ Int，1997，37( 10) : 1000 ［11］ Avrami M． Kinetics of phase change: Ⅰ． General theory． J Chem Phys，1939，7: 1103 ［12］ Zhang W． Ｒesearch on Microstructure and Mechanical Properties of the X65 Pipeline Steel during CSP Ｒolling［Dissertation］． Bei￾jing: University of Science and Technology Beijing，2008 ( 张伟． CSP 生 产 X65 管线钢组织与性能的研究［学 位 论 文］． 北京: 北京科技大学，2008) ［13］ Iron ＆ Steel Ｒesearch Institute，Fu Shun Xin Fu Steel Company． Metallurgy of Steel Hot Processing． Fushun: Fushun Xinfu Steel Company，1983 ( 钢铁研究总院，抚顺新抚钢厂． 钢热加工金属学． 抚顺: 抚 顺新抚钢厂，1983) ［14］ Lin Y C，Chen M S，Zhong J． Static recrystallization behaviors of deformed 42CrMo steel． J Cent South Univ Nat Sci，2009，40 ( 2) : 412 ( 蔺永诚，陈明松，钟掘． 42CrMo 钢形变奥氏体的静态再结 晶． 中南大学学报: 自然科学版，2009，40( 2) : 412) ［15］ Medina S F，Quispe A，Gómez M． Model for static recrystallisa￾tion critical temperature in microalloyed steels． Mater Sci Techn￾ol，2001，17( 5) : 536 · 4401 ·