0I:10.13374/j.1ssn1001053x.1998.06.005 第20卷第6期 北京科技大学学报 Vol.20 No.6 1998年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1998 EPM处理Q235钢方坯热加工后组织与性能 王建中薛庆国王静松苍大强 唐 勇 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要通过对电脉冲孕育(EPM)处理和未经处理的Q235钢连铸小方坯热加工后组织及性能的 比较，研究了经EPM处理后改善和细化了的凝固组织对热加工后组织和性能的影响.研究结果表 明，经EPM处理后的Q235钢连铸小方坯锻造，热处理后的组织均匀，比未经处理钢的晶粒更为细 小，晶粒尺寸由40um减小到20μm0提高了6.9%，a,值提高了10%. 关键词连铸小方坯；电脉冲孕育(EPM):热加工：组织与性能 分类号0733；0482.1 金属凝固组织改善和细化后，连铸坯组织和化学成分均匀，热裂倾向小，宏观偏析现象减 小.凝固组织的改也变将影响铸坯热加工后的组织及其性能.本文在采用电脉冲孕育（简称 EPM)处理技术改善和细化Q235钢连铸小方坯研究的基础上)，对比分析了经EPM处理细 化后和未经处理的Q235钢连铸小方坯锻后、热处理后的组织和力学性能，以及凝固组织的改 善和细化对该钢热加工后组织和性能的影响， 1实验方法 将经EPM处理和未经处理的Q235钢连铸120小方坯锻成中20mm×200mm、15mm× 15mm×200mm的坯料.为了消除锻造过程中由于残留应力的差异对力学性质的影响，将锻 后棒料在同一硅碳棒炉内加热至900℃正火处理.按照GB228-76和GB2106-80的要求，将2 种正火试样加工成拉伸和冲击试样，在MTS拉伸实验机和摆锤式冲击实验机上检测它们的 力学性能，并检测未经EPM处理和经EPM处理后铸坯锻后和热处理后的组织， 2实验结果 Q235钢连铸120小方坯经EPM处理和未经处理的铸态组织如图1所示，图2是2种俦 坯锻后组织，图3是正火后的组织.表1是2种不同方式处理后的试样的力学性能. 3结果分析 3.1锻后组织的比较 图2的结果可以看出，未经EPM处理的Q235钢小方坯锻后组织与经EPM处理的锻后 组织相比，未处理的锻后组织均匀性差，晶粒尺寸约为40~50μm.显而易见，这种未经处理 钢由于原始铸坯组织粗大且均匀性差，导致锻后组织的不均匀，晶粒也比较粗大， 1998-05-08收稿 王建中男，40岁，副教授博士
第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 反 】尧 处理 钢方坯热加工后组织与性能 王 建中 薛庆 国 王静松 苍大 强 唐 勇 北京科技大学 冶金学 院 ， 北京 摘要 通过对电脉冲孕育 处理和未经处理 的 钢连铸小 方坯 热加 工后 组织及性 能的 比较 ， 研究了经 处理后改善和细化了的凝固组织对热加工后组织和性能 的影 响 研究结果表 明 ， 经 处理后 的 钢连铸小方坯锻造 、 热处理后 的组织均匀 ， 比未经处理钢 的晶粒更 为细 小 ， 晶粒尺寸 由 “ 减小到 “ 几提高了 ， 值提高了 · 关健词 连铸小方坯 电脉冲孕育 热加工 组织 与性能 分类号 金属凝 固组织改善和细化后 ， 连铸坯组织和化学成分均 匀 ， 热裂倾 向小 ， 宏观偏 析现象减 小 凝固 组 织 的改也变将影 响铸坯 热加工 后 的组 织 及 其性 能 本 文 在 采 用 电脉 冲孕 育 简称 处理技术改善和细化 钢连铸小 方 坯研究 的基 础 上 ， 对 比分析 了经 处理 细 化后 和 未经处理 的 钢连铸小方坯锻后 、 热处理后 的组织和力学性 能 ， 以及凝 固组 织 的改 善和 细化对该钢热加工后组织和性能 的影 响 实验方法 将 经 处理 和 未经处理 的 钢连铸 小方 坯 锻成 中 、 巧 巧 的坯料 为了消除锻造过程 中 由于残 留应 力的差 异 对力学性 质 的影 响 ， 将锻 后棒料在 同一硅碳棒炉 内加热至 ℃ 正火处理 按 照 一 和 一 的要 求 ， 将 种正 火 试样加工成拉伸和冲击试样 ， 在 拉伸实验 机和 摆锤式 冲击 实验机 上检 测 它们 的 力学性能 ， 并检测未经 处理 和经 处理 后铸坯锻后 和热处理后 的组织 实验结果 钢连铸 小方坯经 处理 和未经处理 的铸态组 织如 图 所示 ， 图 是 种铸 坯 锻后组织 ， 图 是正 火后 的组织 表 是 种 不 同方式处理后 的试样 的力学性 能 结果分析 锻后组织 的比较 图 的结果 可 以 看 出 ， 未 经 处理 的 钢小 方 坯 锻后 组 织 与 经 处理 的锻 后 组 织 相 比 ， 未 处理 的锻后 组 织 均 匀性 差 ， 晶粒 尺 寸约 为 一 协 显而 易 见 ， 这 种 未 经处理 钢由于原 始铸坯组织粗大且 均匀性差 ， 导致锻后组织 的不均 匀 ， 晶粒也 比较粗大 一 一 收稿 王 建 中 男 ， 岁 ， 副教授 博士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．06．005
第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 反 】尧 处理 钢方坯热加工后组织与性能 王 建中 薛庆 国 王静松 苍大 强 唐 勇 北京科技大学 冶金学 院 ， 北京 摘要 通过对电脉冲孕育 处理和未经处理 的 钢连铸小 方坯 热加 工后 组织及性 能的 比较 ， 研究了经 处理后改善和细化了的凝固组织对热加工后组织和性能 的影 响 研究结果表 明 ， 经 处理后 的 钢连铸小方坯锻造 、 热处理后 的组织均匀 ， 比未经处理钢 的晶粒更 为细 小 ， 晶粒尺寸 由 “ 减小到 “ 几提高了 ， 值提高了 · 关健词 连铸小方坯 电脉冲孕育 热加工 组织 与性能 分类号 金属凝 固组织改善和细化后 ， 连铸坯组织和化学成分均 匀 ， 热裂倾 向小 ， 宏观偏 析现象减 小 凝固 组 织 的改也变将影 响铸坯 热加工 后 的组 织 及 其性 能 本 文 在 采 用 电脉 冲孕 育 简称 处理技术改善和细化 钢连铸小 方 坯研究 的基 础 上 ， 对 比分析 了经 处理 细 化后 和 未经处理 的 钢连铸小方坯锻后 、 热处理后 的组织和力学性 能 ， 以及凝 固组 织 的改 善和 细化对该钢热加工后组织和性能 的影 响 实验方法 将 经 处理 和 未经处理 的 钢连铸 小方 坯 锻成 中 、 巧 巧 的坯料 为了消除锻造过程 中 由于残 留应 力的差 异 对力学性 质 的影 响 ， 将锻 后棒料在 同一硅碳棒炉 内加热至 ℃ 正火处理 按 照 一 和 一 的要 求 ， 将 种正 火 试样加工成拉伸和冲击试样 ， 在 拉伸实验 机和 摆锤式 冲击 实验机 上检 测 它们 的 力学性能 ， 并检测未经 处理 和经 处理 后铸坯锻后 和热处理后 的组织 实验结果 钢连铸 小方坯经 处理 和未经处理 的铸态组 织如 图 所示 ， 图 是 种铸 坯 锻后组织 ， 图 是正 火后 的组织 表 是 种 不 同方式处理后 的试样 的力学性 能 结果分析 锻后组织 的比较 图 的结果 可 以 看 出 ， 未 经 处理 的 钢小 方 坯 锻后 组 织 与 经 处理 的锻 后 组 织 相 比 ， 未 处理 的锻后 组 织 均 匀性 差 ， 晶粒 尺 寸约 为 一 协 显而 易 见 ， 这 种 未 经处理 钢由于原 始铸坯组织粗大且 均匀性差 ， 导致锻后组织 的不均 匀 ， 晶粒也 比较粗大 一 一 收稿 王 建 中 男 ， 岁 ， 副教授 博士
Vol.20'o.6 王建中等：EPM处理Q235钢方坯热加工后的组织与性能 ·529 经过电脉冲处理后的钢，其锻后组织均匀，晶粒尺寸约为20μm,这是由于原始凝固组织 本身的均匀和细化所致.在同样的锻造工艺条件下，处理后的晶粒尺寸仅为未处理晶粒尺寸 的一半，说明经EPM处理铸坯的锻后组织比未处理的锻后组织有了明显的细化， 从2种锻后组织晶粒的差异可看出，尽管铸坯的变形比很大，约为150，在常规锻轧工艺 条件下未处理钢经热变形所能达到的细化效果大致如此，热处理可以进一步细化组织，但对 于Q235这样的钢种，这种细化程度是有限的.从经EPM处理铸坯锻后组织的细化效果来看， 凝固组织的细化对于细化钢材组织，提高钢材的均匀程度乃至提高钢材的性能更有效， 3.2正火后组织的比较 与锻后组织相比，2种不同方式处理的试样，经正火处理后其晶粒大小的均匀程度均有 提高，但与各自的原始晶粒大小相比，正火处理后细化的效果并不明显，说明Q235钢采用热 处理来细化晶粒的作用是比较小的，但改善了钢的均匀性，对钢材各方面的性能还是有益的， 与未经处理的试样相比，经EPM处理后的试样，其晶粒形态多为较为圆整的多边形，各 晶粒间尺度的差异也较小，说明EPM经处理后试样的均匀程度更高一些.毫无疑问，这种高 的均匀性与原始凝固组织的细化密切相关， 3.3力学性能的比较 从2种不同方法处理后钢的塑性、韧性上看，经电脉冲处理后钢的o平，6和4值均有提 高，其中a,值提高近10%，但是0，σ，却有所降低.对此从应力-应变曲线（图4）来分析 由应力-应变曲线（图4）可以看出，Q235钢含碳量较低，应力-应变曲线呈现突然屈服的 现象，曲线中有屈服平台，屈服过程为非均匀屈服，在非均匀屈服中对应着上、下2个屈服点， 所对应的应力分别称之为上屈服应力0和下屈服应力o·应力-应变曲线及表1中σu,0,各自 大小的比较看出，电脉冲处理后钢的o,比未处理钢的a大，约提高6.9%.Cottrell在非均匀屈 服理论中指出，当外应力未达到σ，之前，已有一些被钉扎的FR源由于局部应力集中的关系 而被激活，从而产生一定数量的位错.但由于晶界的阻碍作用而使这些位错不能跑出晶粒以 外，故都沿它们自己的滑移面塞积在晶界前沿.Cottrell导出上屈服应力与晶粒间得关系为： 0u=g,+kd12 (1) 式中：o为位错在晶内运动时所受到的阻力；d为晶粒直径；k为Petch斜率 由(I)式可知，G,的大小与晶粒尺寸相关，晶粒越细，σ，就越大，EPM处理后的组织晶粒得 到了明显的细化，因而在力学性质上反映出σ的提高， 实验结果显示，电脉冲处理钢的σ和a,比未处理钢的a和0，分别降低了4.8%和5.96%.从 金属力学性质的微观机理角度上说，Luders滑移带产生时所需应力正好对应ou,Luders带传 播时所需的应力为0，近似认为σ的值相当于晶体变形的临界分切应力的大小，由于双交滑 移位错增殖作用，0，大于临界分切应力.当晶粒大小均匀，Luders带传播时在未开动晶粒前沿 受阻，应力增大.但对于均匀晶粒的组织，应力略为增加，就诱使新的滑移带开动，如此下去， 应力-应变中的屈服平台呈现幅度较小的波动，如图3()所示，对于晶粒尺寸不均匀的组织， Luders带开动后尚未达到使其稳定传播的应力o,(此时对应的应力为o,0i>o),传播前沿 晶粒的阻碍，使得经一步变形所需应力增加，从而使其下屈服应力大于具有均匀晶粒组织的 σ·同时这种不均匀晶粒的阻碍作用造成了应力-应变曲线中屈服平台较大的波动（如图3(b) 所示) 经EPM处理后钢的σ，的下降于晶粒细化后加工硬化指数低有关，图4曲线可以看出，在
王 建 中等 处理 钢方坯热加工 后 的组织 与性能 经过 电脉冲处理 后 的钢 ， 其锻 后组 织均匀 ， 晶粒尺 寸 约 为 协 ， 这是 由于 原 始凝 固组 织 本 身的均 匀 和 细 化所致 在 同样 的锻造 工 艺条件下 ， 处理 后 的 晶粒 尺 寸 仅 为未 处理 晶粒 尺 寸 的一半 ， 说明经 处理铸坯 的锻后组织 比未处理 的锻后 组织有 了 明显 的细化 从 种 锻后 组织 晶粒 的差 异 可看 出 ， 尽管铸坯 的变形 比很大 ， 约 为 ， 在 常规锻 轧工 艺 条件下 未处理 钢 经热变形 所 能达到 的细化效 果 大致 如此 ， 热处理 可 以 进 一 步 细 化 组 织 ， 但 对 于 这样 的钢种 ， 这种 细化程度是有 限 的 从经 处理铸坯 锻 后 组 织 的细化效果来看 ， 凝 固组织 的细化对于细化钢材组织 ， 提高钢材 的均匀程度乃 至提高钢材 的性 能更有效 正火后组织 的比较 与锻 后 组 织相 比 ， 种不 同方式处理 的试样 ， 经 正 火处理 后 其 晶粒 大小 的均 匀程 度 均 有 提 高 ， 但 与各 自的原始 晶粒大小相 比 ， 正 火处理 后 细 化 的效果并 不 明显 说 明 钢采用 热 处理来细 化 晶粒 的作用是 比较小 的 ， 但改善 了钢 的均匀性 ， 对钢材各方 面 的性 能还是 有益 的 与未 经处理 的试样相 比 ， 经 处理后 的试 样 ， 其晶粒 形 态多 为 较为 圆整 的多边形 ， 各 晶粒 间尺 度 的差 异 也较小 ， 说 明 经处理 后 试 样 的均匀 程 度 更 高一 些 毫无疑 问 ， 这 种 高 的均匀性 与原始凝 固组织 的细化密切相 关 力学性能的 比较 从 种 不 同方法处理后钢的塑性 、 韧性 上看 ， 经 电脉 冲处理后 钢 的几 ， 叭 占和 、 值均有提 高 ， 其 中 、 值提高近 ， 但是气 ， 氏却有所 降低 对此从应力 一 应变 曲线 图 来分析 · 由应力 一 应变 曲线 图 可 以 看 出 ， 钢含碳量 较低 ， 应力 一 应变 曲线呈 现 突然 屈 服 的 现象 ， 曲线 中有屈服 平台 ， 屈服 过程为非均匀屈服 在非 均 匀屈服 中对应着 上 、 下 个屈服 点 ， 所 对应 的应力分别称之为上 屈服应力几和 下屈服 应力 应力 一 应变 曲线及 表 中 ， 各 自 大小 的 比较看 出 ， 电脉冲处理后钢 的 比未处理 钢 的几大 ， 约提 高 在 非 均 匀 屈 服理论 中指 出 ， 当外 应力未 达到几之前 ， 已 有一些被钉扎 的 源 由于 局 部 应力集 中的关 系 而被 激活 ， 从而 产生 一 定数量 的位错 但 由于 晶界 的阻碍 作 用 而 使这 些 位 错不 能跑 出晶粒 以 外 ， 故都沿它们 自己 的滑移面塞积在 晶界前沿 。 仗代 导 出上 屈服 应力 与晶粒 间得 关 系 为 甲 一 ’ ‘ ’ 式 中 为位错在 晶 内运 动时所受到 的阻力 为晶粒直径 气为 斜率 由 式可知 ， 几的大小 与晶粒尺寸相 关 ， 晶粒越 细 ， 声越大 · 处理后 的组织 晶粒得 到 了 明显 的细化 ， 因而在力学性质上反 映 出 的提高 实验结果显示 ， 电脉冲处理钢 的 和氏 比未处理 钢 的吸和氏分别 降低 了 和 · 从 金 属力学性 质的微观机理角度上说 ， 滑移带产生 时所需 应 力正 好对应 ， 带传 播 时所需 的应力 为 ， 近 似认 为久的值相 当于 晶体变 形 的 临界 分 切 应力 的大小 ， 由于 双 交 滑 移位错增殖作用 ， 大 于 临界分切应力 当晶粒大小均匀 ， 带传播 时在 未 开 动 晶粒前沿 受 阻 ， 应力增大 但 对于 均匀 晶粒 的组织 ， 应力 略为增 加 ， 就诱使新 的滑 移 带开 动 如 此 下 去 ， 应力 一 应变 中的屈 服 平 台呈 现 幅度较小 的波 动 ， 如 图 所示 对于 晶粒 尺 寸不 均 匀 的组 织 ， 带开 动后 尚未 达到 使其稳定传播 的应 力 气 此 时对应 的应 力 为人 ， 人 ， 传播前 沿 晶粒 的阻碍 ， 使得 经 一步 变 形 所需 应力 增加 ， 从而 使其下 屈 服 应 力 大 于 具有 均 匀 晶粒组 织 的 久 同时这种不 均匀 晶粒 的阻碍作用造成 了应力 一 应变 曲线 中屈服 平 台 较大 的波 动 如 图 所示 经 处理后 钢 的几的 下 降于 晶粒细 化后 加工硬化指 数低 有 关 ， 图 曲线 可 以看 出 ， 在
530· 北京科技大学学报 1998年第6期 加工硬化段，经过EPM处理钢的(do/de)小于 未经处理钢的(do/de),假设说， 29.5kN Pm=33.55kN 22 kN =a+]1d (2) 炒 35.58kN 在相同的积分区间内未处理钢具有较高的σ， 22.5kN 是显而易见的.从工程意义上说，降低了o是 人们所不希望的.但从冷加工变形角度上说， 应变e 低的硬化指数对于减少制耳等冷冲缺陷是有 图4经EPM处理各未经处理的 益的， Q235钢应力-应变曲线 4结论 (1)经EPM处理铸坯在热加工中可得到，比未处理的晶粒细化了1倍以上；(2)EPM处理 铸坯经热加工后，其综合力学性能得到了提高，其中σ，提高6.9%，a值提高近10%. 参考文献 1边秀房，邹新国，刘广荣，等.金属晶粒自身细化.金属学报，1997,33(6)：602 2蔡开科.凝固与浇注.北京：冶金工业出版社，1992 3王建中，液态金属团簇结构假说及电脉冲孕育处理技术研究：[博士学位论文].北京：北京科技大学， 1998 4哈宽富编著.金属力学性质的微观理论.北京：科学出版社，1983 Structure and Property of Heating Working Q235 Bloom by EPM Treated Wang Jianzhong Xeu Oingguo Wang Jingsong Cang Dagiang Tang Yong Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Compared the structure and property of Q235 continuous casting bloom by EPM treating with no-treating after heating working,the influence of structure and prop- erty of heating working with improved and fined casting structure by EPM treating have been researched.The results shown that the structure of heating working by EPM treating is more even and the crystal is finer than no-treating.The ou increases 6.9%,and a increases 10%. KEY WORDS continuous casting bloom;electro-pulse modification;heating working;struc- ture and property
· · 北 京 科 技 加工 硬化段 ， 经过 处理钢 的 小于 未经处理钢 的 ， 假设说 ， 大 学 学 报 年 第 期 乃 一 只侧。 ‘ ， ， 在相 同 的积分 区 间 内未 处理 钢 具有 较 高 的仇 是显 而 易 见 的 从工 程 意 义 上 说 ， 降低 了氏是 人们所不 希 望 的 但从冷加 工 变形 角度 上说 ， 低的硬化指 数对于 减 少 制耳等冷冲缺 陷是 有 益 的 应变 ￡ 图 经 处理各未经处理的 钢应 力一 应变曲线 结论 经 处理铸坯在 热加工 中可 得 到 ， 比未处理 的 晶粒 细化 了 倍 以 上 处理 铸坯 经 热加 工 后 ， 其综合力 学性能得 到 了提 高 ， 其 中几提 高 ， 。 、值提 高近 · 参 考 文 献 边秀房 ， 邹新国 ， 刘广荣 ， 等 金属晶粒 自身细化 金属学报 ， ， 蔡开科 凝 固 与浇注 北京 冶金工 业 出版社 ， 王建 中 液态金属 团簇 结构假说及 电脉冲孕育处理技术研究 博士 学位论文 北京 北京科技大学 ， 哈宽富编 著 金属 力学性质 的微观理论 北京 科学 出版社 ， 计匕 刀 笔 ， ， ， 勿 一 ， 卜 加 加 ， 巧 一 ’ · ， 阴 一 加代
