45钢控轧控冷工艺模拟试验

刘 莹, 骆春民

(天津钢铁集团有限公司, 天津 300000)

经过轧制的板材会出现组织异常或不均匀，造成其综合力学性能不稳定，给钢板的后续使用带来不利影响。为了减小产品组织不均匀性带来的影响，笔者利用热模拟试验机对45钢钢板进行控轧控冷工艺模拟试验，通过单道次模拟轧制，研究了45钢轧制过程中的动态再结晶行为，分析了应力-应变曲线特征参数，建立和绘制了45钢的动态再结晶图;同时研究了45钢的临界点及相变点，结合显微组织分析,绘制出45钢的过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线[1-3]。根据试验数据，完成了45钢控轧控冷工艺窗口设计，为45钢控轧控冷工艺的制定提供了可靠的理论依据。

1.1 试验材料

选取某批次30 mm厚的45钢热轧钢板，其化学成分如表1所示。将该钢板加工成尺寸为10 mm×15 mm(外径×长度)的圆柱形试样，对其进行再结晶试验；
再将钢板加工成尺寸为6 mm×85 mm(外径×长度)的圆柱形试样，绘制CCT曲线。

表1 45钢钢板的化学成分 %

1.2 试验方法

1.2.1 动态再结晶

通过单道次压缩变形试验，研究45钢变形奥氏体的动态再结晶行为，得到流变应力曲线，具体工艺为：将试样以5 ℃/s的升温速率加热到1 200 ℃，保温3 min，再以5 ℃/s的降温速率分别冷却到1 150，1 100，1 050，1 000，950，900，850，800 ℃，经30 s短时均温后，再分别以0.1,1 s-1的应变速率进行热压缩变形，变形量均为60%，变形后立即淬火,保留变形后组织。

通过模拟试验分析应力-应变曲线特征参数，观察试样形变奥氏体动态再结晶的晶粒形态，建立试验钢的动态再结晶图，研究试验钢动态再结晶行为的发生条件和演化过程。

1.2.2 45钢临界点及CCT曲线的绘制

利用膨胀法研究45钢的临界点，具体工艺为：以5 ℃/s的升温速率将试样加热到500 ℃，再以200 ℃/h的升温速率将试样加热到980 ℃，保温15 min，以200 ℃/h的降温速率冷却试样。记录热膨胀曲线拐点，确定45钢的Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的温度)、Ac3(加热时转变为奥氏体的终了温度)、Ar3(冷却时铁素体转变的开始温度)和Ar1(冷却时奥氏体向珠光体转变的温度)。

结合金相检验，绘制45钢的静态CCT曲线。选取不同的降温速率(0.5，1，2，3，5，7，10，15，20，30，50 ℃/s)进行试验。

2.1 45钢单道次压缩流变应力曲线

对单道次压缩时的应力-应变曲线进行分析，不同变形温度和应变速率下45钢单道次压缩变形的应力-应变曲线如图1所示。

图1 不同变形温度和应变速率下45钢单道次压缩变形的应力-应变曲线

在满足低变形温度和高应变速率条件时，45钢的应力-应变曲线呈现动态回复特征。当变形温度上升且应变速率下降时，应力-应变曲线的动态再结晶趋势增强。

随着变形温度的降低，当应变速率增加时，应力峰值随之上升，动态再结晶变得困难。当变形温度过低或应变速率过大时，应力-应变曲线已经没有明显的动态再结晶趋势，表现为加工硬化或动态回复特征。

当应变量相同时，随着变形温度的升高和应变速率的降低，流变应力呈下降趋势；
当变形温度相同时，随着变形速率的增大，应力峰值向着应变增大的方向移动；
当变形速率相同时，随变形温度的升高，应力峰值及应变都有减小的趋势。

不同试验条件下应力-应变曲线的对比，证明了动态再结晶是一个热激活过程，即变形温度越高，材料越容易发生动态再结晶。

试验结果表明：试样在满足变形温度高、变形速率低、变形量较大的条件下，材料在高温条件下的形变是软化行为，由于温度较高，材料内部受力产生的位错和恢复过程中亚结构位错的密度都减少了，在该条件下，动态再结晶更易发生。

2.2 45钢的动态再结晶图

根据单道次压缩时的应力-应变曲线，建立45钢的动态再结晶图(见图2)，当达到一定的应变，再结晶才会发生[4]。在满足再结晶发生的前提下，随着温度的增大，需要的应变随之减小。根据动态再结晶试验结果，对工艺进行调整，使45钢在粗轧阶段完成再结晶，在精轧阶段避免发生再结晶，在全过程避免发生部分再结晶，以免得到混晶组织。

图2 45钢的动态再结晶应变-温度曲线

2.3 静态CCT曲线

45钢的相变转变温度如表2所示(A为奥氏体，F为铁素体，P为珠光体，B为贝氏体，M为马氏体)，CCT曲线如图3所示。

表2 45钢的相变转变温度

在45钢的CCT曲线上，相变区域为铁素体区、珠光体区、贝氏体区、马氏体区。在冷却速率大于5 ℃/s时，有贝氏体相转变[见图4a)]，在较大的冷却速率下，如冷却速率大于50 ℃/s时，有马氏体相转变[5][见图4b)]。

图4 45钢在相变过程中的显微组织形貌

从CCT曲线可以看出，过冷奥氏体连续冷却速率不同，发生的转变及组织也不同。当冷却速率很小时，发生转变的开始温度和结束温度都很高，随着冷却速率的增大，转变温度降低，转变经历的温度区间随着冷却速率的增大而增大。

根据热模拟试验结果可知，45钢控轧控冷的工艺窗口设计为：开轧温度不小于1 050 ℃，中间坯厚度为90 mm，轧制道次为7～9，道次间隔时间不小于10 s，轧制速率为1 m/s；
开轧温度为880～900 ℃，头三道次间隔时间不大于10 s，轧制道次为7～9，末三道次总压下率不小于30%，成品道次压下率不小于8%，轧制速率为3 m/s，终轧温度为780～810 ℃；
终冷温度为670～700 ℃，冷却速率小于5 ℃/s。

对45钢钢板的控轧控冷工艺进行热模拟研究，可为实际轧制45钢控轧控冷工艺的制定提供可靠的理论依据,提高了45钢的力学性能，提升了经济效益。

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