Q235低碳钢高温变形过程的动态组织演化分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.02.045 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 Q235低碳钢高温变形过程的动态组织演化分析 张麦仓)董建新》曾燕屏”孙影”杨忠民) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)钢铁研究总院结构材料研究所，北京100081 摘要通过Gleeble2000上的热模拟压缩实验，分析了Q235低碳钢在不同热加工参数下的 动态组织演化特征.结果表明：应变速率和温度对Q235钢的奥氏体形变特征影响强烈，在相 同变形温度下，应变速率的提高可以明显推迟动态再结晶的发生：应变速率较低时，降低温 度同样可以延迟动态再结晶的发生.利用定量金相技术及线性、非线性拟合算法，建立了 Q235钢热变形过程的唯像本构关系及组织演化动力学模型，并将其应用于Autoforg肥3.1有限 元软件平台.压缩过程有限元模拟分析表明，分别采用Arrhenius双曲正弦方程描述Q235钢 的唯像本构关系及Yada模型表征Q235钢变形过程的平均晶粒尺寸，可以满足预测精度，与 实际变形过程基本吻合， 关键词Q235低碳钢；高温变形；组织演化；再结品 分类号TG142.31 新一代钢铁材料的开发研究，以获得超细晶 1实验材料和研究方法 粒为主要目标.金属的晶粒细化有多种途径：包 括大挤压比变形、局部剪切大变形、控制轧制等 1.1实验材料 方式.对普通低碳钢棒线材，一般通过常规的 实验材料为工业生产的Q235钢12mm棒 初轧、中轧及将终轧温度控制在A如，附近的控制 材，其化学成分为（质量分数，%）：C,018:Si,022: 轧制工艺获取细晶或超细晶组织5向.实际热加工 Mn,0.60:P,0.02:S,0.016:fe,余量. 过程中，动态再结晶是材料动态软化及晶粒细化 1.2研究方法 的主要手段，且高温变形过程的动态软化机制取 热压缩实验在Gleeble2000型热模拟实验机 决于变形温度、应变速率、变形程度等热加工参 上进行，采用8mm×12mm的圆柱试样.试样加 数.因此，确定合理的热加工参数，对于最终获得 热规范如图1.具体实验方案如下：变形温度为： 细小乃至超细的晶粒，提高产品的组织与性能具 1100,1050,1000,950,900,850℃：变形速率为： 有重要意义. 0.1,0.5,1,5,10,20,30,60s'.按上述条件的不同 本文以工业生产的Q235低碳钢为研究对 组合进行实验，每一种变形条件下的变形量均为 象，借助Gleeble2000上的热模拟压缩实验，分析 其在不同热加工参数下动态组织演化特征.采用 1100℃ 定量金相技术及线性、非线性回归方法，建立 10℃s 变形温度 3℃s Q235钢的唯像本构关系及组织演化动力学模 型，并利用Autoforge3.1有限元软件分析Q235钢 180s 动态组织演化模型的合理性，为进一步轧制过程 水冷 30s 数值模拟及工程应用提供材料模型， 收稿日期：2004-04-21修回日期：2004-08-15 时间s 基金项目：国家“973"项目No.G1998061501) 图1加热规范示意图 作者简介：张麦仓(1967-，男，副教投，博士 Fig.1 Schematic diagram for heating process

第 2 , 卷 第 2 期 2 00 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e sr i yt o f S c i e n e e a n d eT c h n o l o gy B e ij in g V b】 . 2 7 N 0 . 2 A P .r 2 0 0 5 Q 23 5 低碳钢 高 之曰 了月n 变形过程 的动 态组织演化分析 张 麦 仓 ” 董 建新 ” 曾燕 屏 ” 孙 影 ” 杨 忠 民 ” l) 北 京科技 大学 材料 科学与 工 程 学 院 , 北 京 1 00 0 83 2) 钢铁研 究 总院 结构 材料研 究所 , 北 京 10 0 0 81 摘 要 通 过 lG e bl o 2 0 0 上 的热 模 拟压缩 实 验 , 分 析 了 Q2 35 低 碳钢 在不 同热 加工 参数 下 的 动 态组 织演 化特 征 . 结果 表 明 : 应变 速 率和温 度 对 Q2 35 钢 的奥 氏 体 形变特 征 影响 强烈 . 在相 同变形 温度 下 , 应变 速率 的提 高可 以明显 推迟 动态 再 结晶 的发 生 : 应 变速 率较 低 时 , 降低温 度 同样 可 以延 迟动态 再 结晶 的发 生 . 利用 定量 金相 技 术及线 性 、 非 线性 拟合 算法 , 建 立 了 Q23 5 钢热变 形 过程 的唯像 本 构关 系及 组织演 化动 力 学模 型 , 并将 其应 用于 A ut o fo gr e 3 . 1 有 限 元 软件 平 台 . 压缩 过程 有 限元模 拟 分析 表 明 , 分别 采用 A r he in us 双 曲正弦 方程 描述 Q2 35 钢 的唯像 本构 关 系及 aY da 模型 表征 Q2 35 钢 变形 过程 的平 均 晶粒尺 寸 , 可 以满足 预测 精度 , 与 实 际变 形过 程基 本吻 合 . 关键 词 Q2 3 5 低 碳钢 ; 高 温变 形 ; 组织 演化 ; 再 结 晶 分 类号 T G 142 .3 1 新一 代钢 铁 材料 的开 发研 究 , 以获得 超 细 晶 粒 为主 要 目标 . 金 属 的 晶粒细 化 有 多种 途 径 : 包 括 大挤 压 比 变 形 、 局部 剪 切大 变 形 、 控 制 轧制 等 方 式 `川 . 对 普 通低 碳 钢 棒 线材 , 一般 通 过 常规 的 初 轧 、 中轧及 将 终 轧温 度 控制 在 为 3 附近 的控 制 轧制 工 艺获取 细 晶或超 细 晶 组织`, · 司 . 实 际热加 工 过程 中 , 动态 再 结 晶是材 料 动态 软化及 晶粒 细化 的主 要手 段 , 且 高温 变形 过程 的动态 软化 机制 取 决于 变 形温 度 、 应 变 速 率 、 变 形 程度 等 热 加工 参 数 . 因 此 , 确 定合 理 的热 加工 参数 , 对 于最 终获 得 细 小乃至 超 细 的晶粒 , 提 高 产 品的组 织 与性 能具 有 重要 意义 . 本 文 以工 业 生 产 的 Q2 35 低 碳 钢 为 研 究 对 象 , 借 助 lG e eb le 2 0 0 0 上 的热模 拟 压缩 实 验 , 分 析 其在 不 同热加 工 参数 下动 态 组织演 化特 征 . 采 用 定 量金 相 技 术及 线性 、 非 线 性 回 归方 法 , 建 立 Q2 3 5 钢 的唯 像 本 构 关 系 及 组 织 演 化 动 力 学 模 型 , 并 利用 A ut o fo gr e 3 . 1 有 限元 软件 分 析 Q2 35 钢 动态 组织演 化 模 型的合 理 性 , 为进 一 步轧 制过 程 数值 模拟 及 工 程应 用 提供 材 料模 型 . 1 实 验材 料 和 研 究方 法 L l 实验 材 料 实验 材料 为工业 生 产 的 Q2 35 钢 拟 2 ~ 棒 材 , 其化 学成 分 为( 质量 分 数 , 0,0 ) : C , 0 . 18 ; 5 1 , 0 . 2 2 ; M n , 0 . 6 0 ; P , 0 . 0 2 ; S , 0 . 0 1 6 ; F e , 余量 . L Z 研 究方 法 热 压 缩实 验 在 G l e bl e 2 0 0 型热 模 拟 实验机 上 进 行 , 采 用邮 m m 月 Z m m 的圆柱 试 样 . 试 样 加 热 规 范 如 图 1 . 具体 实 验方 案 如下 : 变 形温 度 为 : 1 100 , 1 0 5 0 , 1 0 0 0 , 9 50 , 9 0 0 , 8 5 0 oC ; 变 形速 率 为 : 0 . 1 , 0 . 5 , l , 5 , 1 0 , 2 0 , 3 0 , 6 0 5 一 , . 按 上述 条 件 的不 同 组 合 进行 实验 , 每一 种变 形 条件 下 的变 形 量均 为 1 10 0 ℃ 变形温度 甲广1150 n ℃ s/ 一 侧尸、明 水冷 收稿 日期 : 20 4刁今2 1 修 回 日期 : 2 0 4 -0 8 一 15 基 金项 目 : 国家 “ 9 7 3 ” 项 目困 。 石 19 9 8 0 6 1 50 1) 作 者简 介 : 张麦仓 ( 19 67 一) , 男 , 副 教授 , 博 士 时 间 s/ 图 1 加 热规范 示意 图 F ig . l S e h e m a it d i a g ar m fo r 卜e a it n g P or e es s DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 045

·184 北京科技大学学报 2005年第2期 60%(真应变0.9)，变形后立即水淬以保持样品高 200 温变形后的组织状态， (a) 将热变形后的样品纵向切开，镶样、腐蚀后 60s+. ·再用截线法测量样品不同部位的晶粒大小， 305' -20 10s 数值模拟采用MSC/Autoforge3.1有限元软 1s1 件，压缩变形的有限元模型如图2所示.在建模 0.5s 过程中，考虑对称性，取样品的12作为研究对 0.1s4 象，采用四边形四接点等参单元，上、下模均为导 0 0.20.40.60.8 1.0 热的刚性体. 真应变 数值模拟过程中材料的热物理性能参数分 别为m:弹性模量2.12×10Pa,泊松比0.288，比热 150 (b) 容0.833JkgK,密度7860kgm,对流换热系 750℃ 数30Wm2.K-,辐射换热系数0.12×5.67×10 800℃ 850℃ Wm2K,工模具接触热传导系数2kWm2K. 100 900℃ 950℃ 4000℃ 变形方向 .1050 》 1100℃ 上模 坯料弼 下模 0 0.2 0.40.6 0.81.0 真应变 图3不同变形条件下Q235钢的流变特征，(a)变形温度1050 ℃；(b)应变速率0.1s Fig.3 Flow behavior of Q235 steel under different forming condi- 图2样品的计算横型 tions:(a)T=1050℃；b)e=0.1s1 Fig.2 Calculating model for tested specimens 2Q235钢的热变形特性 2.1Q235钢的流变特性 图3为Q235钢在不同热加工参数下的宏观 响应.可以看出，应变速率和温度对奥氏体形变 特征影响强烈.图3(a)表明在相同变形温度下， 应变速率的提高可以明显推迟动态再结晶的发 生.图3b)表明，应变速率(01s)较低时，降低温 度同样可以延迟动态再结晶的发生，当温度降低 到800℃以下时，进入铁素体一奥氏体两相区，变 形应力峰值出现一定程度降低且呈现动态再结 晶特征，应是铁素体软化和残余奥氏体动态再结 晶共同作用的结果. 2.2变形参数对组织演化的影响 热加工参数（变形温度、变形量、应变速率 50m 等)是影响材料变形抗力和热变形奥氏体动态再 图4不同温度下Q235钢奥氏体微观组织（应变速率5s).() 结晶行为的主要因素.一般地，变形温度降低，应 1100℃；(b)950℃ 变速率升高，峰值应力σ，增大，且应力峰值向应 Fig.4 Microstructures of Q235 steel at different temperatures: 变增大的方向移动，动态再结晶进程减慢.对奥 (a)1100℃：(b)950℃ 氏体动态再结晶晶粒来说，变形温度越高，再结 提高，原子扩散和晶界迁移能力增强，晶粒易于 晶晶粒越大（见图4）.这是由于随着变形温度的 长大.图4(a)对应的试样平均晶粒尺寸约53μm

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 z 期 豁ùō a) , … l e .胜F n à n . 创ó之、只裤 60 % (真应 变 .0 9) , 变 形 后 立 即 水 淬 以保 持 样 品 高 温 变 形后 的组 织状 态 . 将 热 变 形后 的样 品纵 向切 开 , 镶 样 、 腐蚀 后 ` 再 用截 线 法 测 量样 品 不 同部 位 的 晶粒 大 小 . 数 值 模 拟 采用 M S C A/ ut o fo gr e 3 . 1 有 限元 软 件 , 压 缩 变 形 的有 限元 模 型 如 图 2 所 示 . 在 建 模 过 程 中 , 考虑 对称 性 , 取 样 品 的 12/ 作 为研 究 对 象 , 采 用 四边 形 四接 点等参 单元 , 上 、 下模 均 为导 热 的 刚性 体 . 数 值 模 拟 过 程 中 材 料 的热 物 理 性 能 参 数 分 别 为`, , : 弹 性 模量 2 . 12 x l o , P a , 泊松 比 0 . 2 8 8 , 比热 容 0 . 8 3 3 ) · k g 一 ’ · K 一 ’ , 密 度 7 8 6 0 k g · m 一 , , 对 流换 热 系 数 3 0 W · m 一 , · K 一 ’ , 辐 射 换 热系 数 0 . 12巧 . 6 7 x l 0一 w · m 一 , · K 一 ’ , 工 模 具接 触热 传 导系 数 Z k w · m 一 , · K 一 ` . 0 . 5 5 - O , 1 5 一 ’ 0 . 2 0 鸿 0 石 0 . 8 1 . 0 真应变 招之只创斌ó 上模 } 坯料 下模 / ( b ) 一 庭凳睿… 0 严城洱黔 竺0 图 2 样 品的计 算模 型 F ig · 2 C a l e u l a 6 n g m o d e l fo r t e , t el s P e e im e . s 真应 变 图 3 不 同 变形 条件 下 Q2 3 5 钢 的 流变特 征 . ( a) 变形温 度 10 50 ℃ ; (b )应 变速率 .0 15 一 , F ig . 3 lF o w b e b a vi o r o f Q2 3 5 s t e l u n d e r d i幻陇比。 t fo mr i n g e o . d i - it o n州 a ) T = 1 0 50 ℃ ; b( ) 亡, 0 . 1 5一 , 2 Q 2 3 5 钢 的热 变形 特 性 .2 1 Q 23 5 钢 的流 变特 性 图 3 为 Q2 3 5 钢 在 不 同热 加 工参 数 下 的宏 观 响应 , 可 以看 出 , 应 变速 率 和温 度 对 奥 氏体 形 变 特 征 影响 强 烈 . 图 3 ( a) 表 明在 相 同变 形温 度 下 , 应 变 速率 的提 高 可 以明显 推迟 动 态 再 结 晶 的发 生 . 图 3 (b) 表 明 , 应 变 速率 (0 . 1 5 一 ’ )较 低 时 , 降低温 度 同样 可 以延迟 动 态再 结 晶的发 生 . 当温度 降低 到 8 0 0 ℃ 以下 时 , 进 入铁 素体 一 奥 氏体 两相 区 , 变 形应 力 峰值 出现 一 定 程度 降低 且 呈 现 动态 再结 晶特 征 , 应 是铁 素体 软化 和残 余 奥 氏 体动 态 再结 晶共 同作用 的结 果 . .2 2 变 形 参数 对 组织 演 化 的影 响 热 加 工参 数 (变 形 温度 、 变 形 量 、 应变 速 率 等 )是 影 响材 料变 形 抗力 和 热变 形 奥 氏体 动态 再 结 晶 行为 的主要 因素 一般 地 , 变 形温度 降低 , 应 变 速 率 升高 , 峰值 应 力几 增 大 , 且应 力 峰值 向应 变 增 大 的方 向移 动 , 动态 再 结 晶进 程 减慢 . 对 奥 氏 体 动态 再 结 晶晶 粒 来说 , 变形 温 度 越 高 , 再 结 晶晶 粒越 大 (见 图 4) . 这 是 由于 随着 变形 温度 的 图 4 不 同温度下 Q 23 5 钢 奥氏体 微观 组织 (应 变速 率 5 5 一 ’ ) . ( a) 1 1 00 ℃ ; ( b ) 95 0 ℃ F i g . 4 M i c m s t r u e t u er , o f Q2 3 5 s妞 e l . t d i到飞代 n t et m P e r a t u比 s: ( a ) 1 10 0 ℃ ; ( b ) 9 5 0 oC 提 高 , 原子 扩 散和 晶界迁 移能 力 增 强 , 晶粒 易于 长 大 . 图 4 (a) 对 应 的 试样 平 均 晶粒 尺 寸 约 53 林m

Vol.27 No.2 张麦仓等：Q235低碳钢高温变形过程的动态组织演化分析 ·185- 图4(b)对应的试样平均晶粒尺寸约28μm.此外， 引入Zener--Holloman参数Z,式(I)可变形为 应变速率越高，奥氏体动态再结晶晶粒越小（见 如下形式： 图5).这是因为在高速率压缩变形时，奥氏体中 a=a'sinh[(ZA)] (2) 形成了大量的位错和结构缺陷，形变储存能增 式中，Z=eexp(Q/RT.对图1所示数据进行非线 大，为奥氏体再结晶提供了有利的形核位置，提 性回归可得2=352.617 kJ.mol-. 高了形核率，从而达到了细化晶粒的效果.图5 考虑热塑性变形过程应变的影响，n,A可看 (a)对应的试样平均晶粒尺寸约为19μm:图5b) 作等效应变的非线性函数： 对应的试样平均晶粒尺寸约为25.8μm. n4=30.90801+3.15994e-1.48328e2 n=10.93345-22.24643e+19.43820e2 (3) 图6为不同变形温度时Q235低碳钢流变应 力的实测值和计算值的比较.可以看出，二者符 合得比较好 3.2Q235钢的晶粒尺寸演化模型 对于Q235低碳钢，材料变形过程的平均晶粒 尺寸可以用Yada模型表征： (d=Ci&-Cexp(-CQ/RT)(626) d=do (ese) (4) 6=C.exp(C;/T) 式中，d为动态平均晶粒尺寸，d为初始晶粒尺 寸，8为临界应变，2为形变激活能，C,=1,2,…,5, 为待定参数. 对实验数据进行线性回归，可得C=32020, C2=C,=0.20437,C4=7.59×10-,C=7605.2值与式 100(a) 5 图5不同应变速率下Q235钢的奥氏体微观组织（变形温度 畅 1 900℃).(a)20s:(b)5s 0905 Fig.5 Microstructures of Q235 steel at different strain rates:(a)20 国 s;(b)5s 0 0.1 ·实验值 一计算值 3Q235钢的唯像本构关系及组织 0.2 0.4 0.6 0.8 演化模型 真应变 3.1Q235钢的唯像本构关系 100Fb) 对某一特定材料，材料的本构关系综合反映 80 了流动应力对热加工参数及变形机制的动态响 应.具有较高拟合精度的材料本构模型对准确表 征材料的高温变形机制及采用数值模拟方法预 40 。。。。。。。。十0.1 实验值 测材料的变形过程具有重要作用.在应变给定 20 时，一般采用Arrhenius双曲正弦方程描述材料 的唯像本构关系： 0.2 0.4 0.6 08 真应变 E exp (O/RT)=Asinh(ao) (1) 图6不同变形温度下Q235低碳钢流变应力的计算值与实验 式中，卫为变形激活能，R为气体常数，为等效应 值的对比.(a)1100℃；b)1050℃ 变速率，T为变形温度，o为流动应力，n,a及A均为 Fig.6 Predicted and tested values of flow stress of Q235 steel at 材料的特性参数，这里取a为0.012. temperatures:(a)1100℃；(b)1050℃

M , 1 . 2 7 N 0 . 2 张麦仓 等 : Q2 35 低碳 钢 高温 变形 过程 的 动态组 织 演化 分析 图 4( b) 对 应 的 试样 平 均 晶粒 尺 寸约 28 林m . 此 外 , 应变 速 率越 高 , 奥 氏 体 动态 再 结 晶 晶粒 越 小 (见 图 5) . 这是 因为在 高 速 率压 缩 变形 时 , 奥 氏体 中 形 成 了 大量 的位错 和结 构 缺 陷 , 形 变储 存 能 增 大 , 为奥 氏体 再 结 晶提 供 了有 利 的形 核 位 置 , 提 高 了形 核 率 , 从而 达 到 了细 化 晶粒 的效 果 . 图 5 a( ) 对 应 的试 样 平均 晶粒 尺 寸约 为 19 脚 ; 图 5伪) 对应 的试 样平 均 晶粒 尺 寸 约 为 25 . 8 脚 . 引入 Z e n e r 一 H o ll o m an 参数 Z , 式 ( l ) 可变 形 为 如下 形 式 : 口= a 一 , s ihn 一 , [(刀月) ” 〕 ( 2 ) 式 中 , Z = 云e xP (口仄乃 , 对 图 1 所 示数 据进 行 非 线 性 回归 可 得 Q 二 3 52 . 6 17 kJ · m o l 一 , . 考 虑 热 塑性 变 形过 程 应变 的影 响 , n , A 可 看 作等 效 应 变 的非线 性 函数 : I n A = 3 0 . 9 0 8 0 1+ 3 . 15 9 9七一 1 . 4 83 2 8扩 n = 10 . 9 33 4 5 一 2 2 . 2 4 6 4 3针19 . 4 3 8 2 0扩 (3 ) 图 6 为不 同 变形 温度 时 Q2 3 5 低 碳 钢流 变 应 力 的实 测值 和 计算 值 的比 较 . 可 以看 出 , 二 者 符 合得 比 较好 . 3 .2 Q 23 5 钢 的 晶粒 尺寸 演 化模 型 对 于 Q2 35 低 碳钢 , 材料 变 形过 程 的平均 晶粒 尺 寸可 以用 aY da 模 型 , ,表 征 : { d = C : 云 一。 e x (P 一 已 口/尺乃 ( 。 七 凡 ) d = d0 ( 。 ` 氏 ) 几 = G xe (P 已 /乃 ( 4 ) 式 中 , d 为 动 态 平 均 晶粒 尺 寸 , d0 为初 始 晶粒 尺 寸 , 民 为临 界应 变 , Q 为形 变 激活 能 , C , 拼1 , 2 , … , 5, 为待 定参 数 . 对 实验 数据 进 行线 性 回 归 , 可得 C 、二 3 2 02 0 , G = 已 = 0 . 2 0 4 3 7 , 已= 7 . 59 x l 0 一 ` , Q = 7 6 0 5 . Q值 与 式 ,“叶 `a) 厂 : 万二二二日 5 曰只侧裤ó层一 图 5 不 同应变速 率下 Q 235 钢 的奥 氏体微观组 织 (变形温 度 9 0 0 ,C ) . ( a ) 2 0 5一 , ; ( b ) 5 , 一 ` iF .g 5 M i e or s t ur e t u 代 5 o f Q 2 3 5 s te l a t d l n陇er n t s t r a i . ar t e s : ( a ) 2 0 s 一 , ; ( b ) 5 5 一 , . 卜亏汁宁汁洲 0 乏之 . 实验值… 计算值 0 . 4 真应变 0 6 0名 、一山, 产一róU 、àù,上 住105.10 3 Q 23 5 钢 的唯 像 本构 关 系 及 组 织 演 化模 型 .3 1 Q23 5 钢 的 唯像 本构 关系 对 某 一特 定材 料 , 材 料 的本 构 关系 综合 反 映 了流 动 应 力 对 热加 工 参 数 及 变 形机 制 的动 态 响 应 . 具有 较 高拟合 精度 的材料 本构 模 型对 准确 表 征材 料 的高 温 变 形机 制 及 采 用 数值 模 拟 方 法 预 测材 料 的变 形 过程 具 有 重 要 作 用 . 在 应 变 给 定 时 , 一 般采 用 A r h e in us 双 曲正弦 方程 `8] 描述 材 料 的唯 像 本构 关 系 : 宕e x P (C限 乃 = A s ihn ( a o) n ( l ) 式 中 , Q 为变 形激 活 能 , R 为气 体 常数 , 宕为 等效 应 变速 率 , T 为变形 温度 , 。 为流动 应 力 , n , a 及 A均 为 材 料 的特 性参 数 , 这 里 取 a 为 .0 0 12 . 兴 … 片 . 实 计 验 算 值 值… 0 4 真应变 0 . 6 0 8 一.、气孟 `尸、一八“ 俪e 卜仁门赚谱陌 080642 0 。 目侧斌ó芝ù只 图 6 不 同变形 温度 下 Q 2 3 5 低碳钢 流 变应 力的计 算值 与实验 值 的对 比 . ( a ) 1 10 ℃ ; 伪) 1 0 50 ℃ F i g . 6 P er d i e t e d a o d est tde v a l u es o f fl o w s t比 , , o f Q2 3 5 s et e l a t et m p e ar t u 比 s: ( a ) 1 10 ℃ ; ( b ) 1 05 0 ℃

·186· 北京科技大学学报 2005年第2期 (2)相同：d取原始坯料的平均晶粒尺寸250m. 比.可以看出，变化趋势基本一致 图7为实测晶粒平均尺寸与模型计算值的对 4压缩变形过程的有限元模拟 70 图8为不同变形条件下Q235压缩变形过程 是0 的有限元模拟结果及实际样品心部组织（变形量 40 60%).由图可知，在1100℃，应变速率20s'时，样 30 品心部晶粒的预测尺寸为31,75m,而此时实测 ◆ 20 样品心部的平均晶粒尺寸约为35.8m(图8(a): 15 25 3545556575 同样，在变形温度950℃，应变速率5s'的条件 实测值仙m 下，模拟值与实测值分别为22.02m和28m(图 图7品粒尺寸实测值和计算值的比较 8(b),两者比较接近， Fig.7 Calculated and tested grain sizes (a)变形温度1100℃，应变速率20s 50四 (b)变形温度950℃，应变速率5s 图8不同变形条件下晶粒尺寸分布的模拟结果与样品心部实际组织的对比 Fig.8 Comparison of simulated grain size distributions under different conditions with actual microstructures in the center of specimens 5 结论 参考文献 [1]Yamashita A,Horita Z,Langdon TG.Improving the mechanical (1应变速率和温度对Q235钢的奥氏体形变 properties of magnesium and a magnesium alloy through severe 特征影响强烈.在相同变形温度下，应变速率的 plastic deformation.Mater Sci Eng,2001,300:142 提高可以明显推迟动态再结品的发生：当应变速 [2]Matsubara K,Miyahara Y,Horita Z,et al.Developing super- 率较低时，降低温度同样可以延迟动态再结晶的 plasticity in a magnesium alloy through a combination of extru- sion and ECAP.Acta Mater,2003,51:3073 发生. [3]齐俊杰，杨王玥，孙祖庆。低碳钢过冷奥氏体形变过程组 (2)有限元计算结果表明，分别采用Arrhenius 织演变机制.北京科技大学学报，2002,24(2)：97 双曲正弦方程描述Q235钢的唯像本构关系及 [4]赵磊，郑为为，杨王玥，等.Q235碳素钢多道次热变形中 Yada模型表征Q235钢变形过程的平均晶粒尺 的组织演变及性能.北京科技大学学报，2004,26(5)：508 [5]Sato A.Research project on innovative steels in Japan.In: 寸，可以满足预测精度. ULTRA-STEEL 2000.Proc of International Workshop on the In (下转第196页)

北 京 科 技 (2 ) 相 同 ; 编取 原始 坯 料 的平 均 晶粒 尺 寸 2 50 脚 . 图 7 为实测 晶粒 平均 尺 寸与模 型 计算 值 的对 大 学 学 报 比 . 可 以看 出 , 变 化 趋 势 基本 一 致 . 2 0 0 5 年 第 2 期 4 压 缩 变 形 过程 的 有 限 元 模拟 图 8 为 不 同变 形 条件 下 Q2 35 压缩 变 形 过程 的有 限元 模 拟 结果 及 实 际样 品心 部 组 织 (变形 量 6 0% ) . 由 图可知 , 在 1 10 0 ℃ , 应 变 速 率 20 5 一 , 时 , 样 品心 部 晶粒 的预 测 尺寸 为 31 . 75 卿 , 而 此 时 实测 样 品心 部 的平 均 晶粒 尺 寸约 为 3 .5 8 科m ( 图 8 a( )) ; 同样 , 在变 形 温 度 9 50 ℃ , 应 变 速率 5 5 一 , 的 条件 下 , 模拟 值 与 实测 值 分 别 为 2 .2 02 脚 和 28 脚(图 8 (b 》 , 两 者 比 较接近 . 70645 、划城占小`目一 30 卜 尸 1 2 0 卜 . / r 二 ’ 二 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 实测值 介翻 图 7 晶 粒尺 寸实 测值和 计算 值 的 比较 F ig . 7 C a k u l a et d a o d t e s t e d g ar i . s址 s a( ) 变 形温度 1 10 0 ℃ , 应 变速 率 20 5 一 ’ (b ) 变 形温 度 9 50 ℃ , 应 变 速率 5 5 一 , 图 8 不 同变形条件 下 晶粒尺寸 分布 的模拟结 果与样品 心 部实际组 织 的对 比 iF g . 8 C o m P a ir s o n o f s 而 u l a t e d g r a i n ,泳 d i , t ibr u 垃o n s u n d e r d if e助 t e o n d it o n s w iht a tC u a l . ic osr t r u e tU esr i n th e ce . et r Of s p eC 位m e us 5 结论 ( 1、应 变 速 率和 温 度对 Q2 35 钢 的 奥 氏 体 形变 特 征影 响 强 烈 . 在 相 同变 形 温度 下 , 应变 速 率 的 提 高可 以明显推 迟动 态 再 结 晶的发 生 ; 当应 变速 率 较低 时 , 降低 温 度 同样可 以延迟动态 再 结 晶的 发生 . (2 ) 有 限元 计算 结 果表 明 , 分别采 用 A hr ~ s 双 曲正 弦方 程 描 述 Q2 35 钢 的唯 像 本 构 关 系 及 丫认d a 模 型表 征 Q 2 35 钢 变 形过 程 的平 均 晶粒 尺 寸 , 可 以满足 预 测 精度 . 参 考 文 献 [ l ] Y由n a sh iat A , H o r iat Z , L an gd o n T G . mI p r o v in g ht e m e c h an i e a l P r o P ert i e s o f m a g ” e s lum a n d a m . g n e s i um a llOy htr o u hg s e v e re P las t i c d 。允 n 刀 a t lon . M a t ` r S e i E . 场 2 0 0 1 , 3 0 0 : 14 2 2[ 1 M ats ub ar 长 Miy ah 哪 丫 H o r iat Z , 以 叔 . eD ve lo p ing s uP e 卜 P las ti e i yt 访 a m a g n e s i um al loy U让 o u hg a e o m b in at i o n o f e x tur · s i o n an d E C A P A c 加 M a t e 叭 2 0 0 3 , 5 1 : 3 0 7 3 3[] 齐俊杰 , 杨 王明 , 孙 祖庆 . 低 碳钢 过冷 奥 氏体 形变 过程组 织演 变机 制 . 北京 科技 大学 学报 , 2 0 02 , 2 4 (2 ) : 97 4[ l 赵 磊 , 郑 为为 , 杨 王用 , 等 . Q 23 5 碳 素钢 多道 次热 变形 中 的组 织 演变及 性 能 . 北 京科 技 大学 学报 , 2 0 04 , 2 6 (5) : 508 5[ 」 s at o A . R es e ar c b rP oj etC on 腼vo a ti v e 雍e ls in JaP an · b : 1」L T R A 一 S犯EL 2 0 0 0 . P or e o f l n t e rn at ion a l w 乙r ks h o P o n ht e ln (下转第 1 9 6 页 )

·196· 北京科技大学学报 2005年第2期 microstructure of Al-Si alloy in liquid and solid states.J Univ [13]唐勇.电脉冲作用下液态金属结构及其对钢凝固组织改 Sei Technol Beijing,2004,11(2):123 善的研究：[学位论文1.北京：北京科技大学，2000 [9]边秀房，刘相法，马家囊.铸造金属遗传学，济南：山东科 [14]陈襄武.钢铁冶金物理化学.北京：冶金工业出版社，1992 学技术出版社，1998 [15]张鉴，含化合物金属熔体结构的共存理论及其应用.特殊 [10]张瑞林，固体与分子经验电子理论.长春：吉林科学技术 钢，1993,15(6)：43 出版杜，1993 [16周尧和，胡壮麒，介万奇，凝固技术.北京：机械工业出版 [11]肖纪美，朱逢吾，材料能量学：能量的关系，计算和应用. 杜，1998 上海：上海科学技术出版社，1999 [17刀胡汉起.金属凝固.北京：冶金工业出版社，1985 [12】王静松.几种典型合金熔体电脉冲处理研究：[学位论文1， [18]弗莱明斯MC.凝固过程.关玉龙，屠宝洪，许诚信，等，译 北京：北京科技大学，2004 北京：冶金工业出版社，1981 Effect of derect pulse modification process on solidification structure of Sn-15%Pb Alloy WANG Jingsong,XUE Qingguo,SHI Xiangdong,FAN Fangguo,XU Jianguo,CANG Daqiang Metallurgical and Ecological Engincering School,University of Sciences and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The influence of electric pulse modification(EPM)process on the solidification structure of Sn-15% Pb alloy was experimentally investigated.It was shown that after the molten alloy was treated by electric pulse the solidification structure changed from dendrite shape to cellular shape,and the grains were obviously fined.The mech- anism of the change in solidification structure by EPM was discussed.The results indicated that EPM process makes the liquid structure of the alloy change:The activity of Pb in the molten Sn-Pb alloy increases,the distribution coef- ficient tends to 1,the solute enrichment in front of the solid-liquid interface decreases,and the solute distribution changes.All these lead to the change of solidification structure from dendrite to cellular. KEY WORDS Sn-15%Pb alloy;electro-pulse;liquid structure;solidification structure;activity 球预网平度题融型选选流吸越戳液r变飕浓世除观院孩效戏喷限戏 (上接第186页) novative Structural Materials for Infrastructure in 21st Century.2000 1986 6]王有铭.钢材的控制乳制和控制冷却.北京：治金工业出 [8]张麦仓.粉末高温合金涡轮盘成形过程数值模拟：[学位 版杜，1995 论文].西安：西北工业大学，1999 [刀马庆芳.实用热物理性质手册.北京：中国农业机械出版社， [9]陈火红.Mar℃有限元实例分析教程.北京：机械工业出版 社，2002 Dynamical microstructure evolution of Q235 low carbon steel during high tempera- ture deformation ZHANG Maicang",DONG Jianxin",ZENG Yanping",SUN Ying,YANG Zhongmin 1)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Division of Structure Materials,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China ABSTRACT The dynamical microstructure evolution behavior of Q235 low carbon steel at high temperature was systematically investigated through physical simulated tests carried out on a Gleeble 2000 machine.The experimental results showed that hot working parameters such as forming temperature and strain rate affected the dynamical micro- structure evolution behavior of Q235 steel to a great extent.At a given temperature,dynamical recrystalization could be postponed with the increasing of strain rate;meanwhile,at a lower strain rate,this phenomenon could occur with the decreasing of temperature.The quantitative metallurgical technique and the linear/non-linear regression analysis were used to construct an Arrhenius-type phenomenological constitutive relationship and a Yada-type kinetically microstructure equation of Q235 steel at high temperature,which were coupled into the finite element software of Autoforge 3.1.The results of numerical simulation showed that the phenomenological constitutive relationship and microstructure evolution equation depicted the dynamical microstructure evolution behavior of Q235 low carbon steel at high temperature very well. KEY WORDS Q235 low carbon steel;high-temperature deformation;microstructure evolution;recrystalization

一 1 9 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 2 期 m i e ro s trU c t u r e o f A I 一 5 1 a ll o y i n Ii qu i d an d s o lid s ta e s . J U n iv S e i Te e 卜n o l B e ij i n g , 2 0 0 4 , 11( 2 ) : 123 9[ 」 边秀房 , 刘 相法 , 马 家骥 . 铸造 金属 遗传 学 . 济南 : 山 东科 学技 术 出版 社 , 19 9 8 【10 ] 张瑞林 . 固体 与分子 经验 电子 理论 . 长春 : 吉林科 学技 术 出版 社 , 19 9 3 【川 肖纪美 , 朱 逢吾 . 材 料能量 学 : 能量 的 关系 、 计算 和应 用 . 上 海 : 上海 科学 技术 出版 社 , 19 9 【12] 王 静松 . 几种 典型合 金熔 体 电脉冲 处理 研究 : 【学位论 文】 . 北京 : 北 京科 技 大学 , 2 0 04 【13] 唐 勇 . 电脉冲 作用 下液 态金 属 结构及 其对 钢凝 固组 织 改 善 的研究 : I学位 论 文1 . 北 京 : 北 京科 技大 学 , 2 0 0 【14] 陈襄武 . 钢铁 冶金物 理化 学 . 北 京 : 冶 金工 业 出版 社 , 19 92 【151 张 鉴 . 含 化合物 金属 熔体 结构 的共 存理 论及 其应用 . 特殊 钢 , 19 9 3 , 15 ( 6 ) : 4 3 【16 』周 尧和 , 胡壮 麒 , 介 万奇 凝固技 术 . 北 京 : 机 械工 业 出版 社 , 19 9 8 「17 』胡汉 起 . 金属 凝 固 . 北 京 : 冶 金工 业 出版 社 , 19 85 t 18] 弗莱 明斯 M C . 凝 固过程 . 关玉龙 , 屠 宝洪 , 许诚 信 , 等 , 译 . 北京 : 冶金工 业 出 版社 , 198 1 E fe e t o f d e r e c t P u l s e m o diif c at i o n P r o e e s s o n s o li d i if c at i o n s trU c tur e o f S n 一 1 5% P b A ll o y 恻刃G iJ n gs o gn 尸Y之店 Q功g g u o , S子打 iX a gln do gn , FA N aF 刀及列口 , 尤U iJ a n g 祝口 , CA N G D a q ia gn M e alt l切嗯i e a l an d E c o l o g i e a l nE g in e e r i n g S e h o o l , U in v ers ity o f s e i e n e e s an d 介 e ho o l o gy B e ij in g , B e ij in g l 0 0 0 8 3 , Ch in a A B S T R A C T Th e in fl u e nc e o f e l e e itr e P ul s e m o d iif e iat on ( E PM ) P r o e e s s o n ht e s o l id i if e iat o n s lt u c 仪叮 e o f S n 一 1 5% P b a ll o y w a s e x P e ir m e n t a l ly i n v e s t i g aet d . It w as s h o wn ht at aft e r ht e m o let n a lloy was tr e at e d b y e l e e itr e P u l s e ht e s o li d iif e iat o n s t ur c trU e e h an g e d fr om d en d r it e s h ap e t o e e ll u l ar s h ap e , an d ht e gr a in s w er ob v iou s ly ifn e d . Tb e m e e h - an i s m o f t h e e h an g e in s o li d i if e iat o n s trU e tL江 e 妙 E P M w a s d i s cu s s e d . hT e r e s u lt s in d i e at e d ht at E P M P r o e e s s m ak e s ht e Ii q u i d s trU e t 叮e o f t h e a ll o y c h an ge : hT e a e ti v i yt o f P b i n ht e m o lt e n S n 一 P b a lloy icn er as e s , ht e d i s itr b iut on e o e -f if e i e in t e n d s t o l , ht e s o lut e e而 e h m e nt i n for in o f ht e s o li-d liqu i d int e 对触c e de e er as e s , an d ht e s o lut e d i s itr b iut o n e h an g e s . A ll ht e s e l e a d t o ht e c h an g e o f s o li d i if e at i o n s utr e ut r e fr o m d e n d ir t e t o e e llu .ar K E Y W O R D S S n 一 15% P b a ll o y : e l e e tr o 一 Pul s e : li q u i d s trU c权耳e ; s o lid iif e at i o n s it u c h 叮 e ; a c t i v iyt 脚咧牌导政颐截 好敏颐获裂卿民写姿戳分 裂卿戮绎号醚颐汽烈颐异致如陋芝颐笋砚笋陋之肠片致颐吸趁弈只翼颐笋峨娜闷 颐秘 娜毋派侧莎限 郊侧 梦例郊侧拐例多锹娜政笋致颐喂娜政另牙裂邺吕致卿 裂分斌娜豉娜裂梦异致卿致娜戳 娜 `戮 (上接第 1 8 6 页 ) n o v at i v e S trU c t u r a l M aet ir al s fo r nI fr as trU c t u r e in Z l st C e n tU yr . 2 0 0 0 6[ ] 王 有铭 . 钢材 的控 制轧 制和 控制冷 却 . 北 京 : 冶金 工业 出 版 社 , 19 9 5 17 1 马 庆芳 . 实用热 物理性 质手册 . 北京 : 中国农业机 械 出 版社 , [8」 [9」 19 8 6 张麦仓 . 粉 末高 温合 金涡 轮盘 成形 过程 数值 模拟 :l 学位 论文〕 . 西 安 : 西北 工业 大学 , 19 9 陈火 红 . M ar c 有 限元 实例 分析 教程 . 北 京 : 机械 工业 出版 社 , 2 0 0 2 D yn am i c a l m i c or s如 c t u r e e vo l u t i o n o f Q2 3 5 l o w c a r b o n s te e l d ur i n g h igh t e m P e ar - 加r e d e of r 们以at i o n Z月叼N G 人匆ic a gn ,气D O N G iJ a xn in ’气Z E N G aY nP ign ,) S切 V万 n g l气别刀召 hZ 口刀 g阴 inz , l ) Mat e ir a l S S c i e n e e an d E吧in er ign S e h o o l , nU i v e rs ity o f s c i e n e e 助d eT e h n o l o罗 B e ij ing , B e ij ign l 0 0 0 8 3 , C h i n a 2 ) D i v i s i o n o f s trU e ot r e M a t e r i a l s , C e n t r a 1 orI n an d S t e e l eR s e ar e h ih s t i t u t e , B e ij in g l 0 0 0 8 1 , C h in a A B S T R A C T hT e d yn am i e al m i cor s tr u c tur e ve o lut i o n b e h va i o r o f Q2 3 5 l o w e ar b o n s t e e l at ih gh te m P e r a t 叮e w as s y s te m at i e a lly ivn e s it g at e d t h r o gu h P h y s i e a l s l r n u l at e d t e s t s c a 币e d o ut o n a G l e e b l e 2 0 0 0 m a e h i n e . hT e e x P e ir m e in a l re s u lt s s h o w e d ht at h o t w o r k i n g Pa r 别叭 e t e r s s u c h as of rm ign t e m P e r a tu r e an d str a l n r at e a fe e t e d hte d y n am i e a l m i e r o - s tru e tur e e v o lut i on b e h va i o r o f Q2 3 5 s t e e l t o a gr e at e xt e in . A t a g i v e n t e m P e r a h 叮e , dy n am i e a l r e e yr s alt i azt i o n c o ul d b e P o s tP o n e d w i ht t h e i n e er as i n g o f s tr a i n r at e : m e an w h il e , at a l o w e r s tr ian art e , hit s P h e n o m e n on e o u ld o e e ur w iht ht e d e e r e a s i n g o f t em P e r al 肚 r e . hT e q u a n t it at i v e m e t a l l u 笔l e al t e e h n i q u e an d ht e l ien 别 r/ n o n 一 li n e ar er gr e s s i o n an a l y s i s W e r e u s e d t o c o n s trU c t an A r h e n i u s 一 铆 e Ph e n o m e on l o g i e a l e o sn t iut iv e er lat i o n s hi P an d a aY d -a ytP e ik n e it e a l ly m i e r o s trU e trU e e q u at i o n o f Q2 3 5 s t e e l at hi hg t e m P e r a h红 e , w h l c h we er e o uP l e d i nt o ht e ifn it e e l e m e n t s o if w ar e o f A ut o fo r g e 3 . 1 . hT e er s u lt s o f num e ir e a l s lm u l at i o n s h o w e d th a t ht e P h en o m e no l o g i e a l e on s ti ot ti v e er l iat o n s h i P an d m i e or s t ur c t u r e e v o lut i o n e q u a t l o n d e P i e et d ht e dy n am i e a l m i e r o s utr e ut r e e v o lut i o n b he va i o r o f Q2 3 5 l o w e a r b o n s t e e l at h i gh t em P e r a ut r e v e yr we ll . K 卫Y W O R D S Q2 3 5 l o w e a r b o n s et e l; h igh 一 t e m P e r a t ur e d e fo mr a tion : m i cor s utr e ut r e ve o l u t i on : er c yr s t al i z at i on