焊接用钢热变形行为及其数学模型研究

  随着我国造船、桥梁、压力容器、输送管道、建筑等制造工业和焊接自动化技术的迅猛发展，对焊接结构件的需求量呈逐年快速上升，同时对焊接结构件的性能要求越来越高，由此对焊接用钢的化学成分、组织状态等也提出了更高的要求。为了更有效控制焊接用钢的组织和性能，有必要研究其热变形的行为，以便为焊接用钢在热轧过程中通过合理的热轧工艺制度而提高强度、提高塑性、改善拉拔性能 ^[1]。焊接用钢BH08G是目前宝钢高线生产的焊接用钢的主要产品之一， 目前BH08G钢的研究主要在热处理工艺或组织性能的研究，而该钢在高温变形的动态再结晶行为及其动力学参数研究工作目前还未见系统的报道。为此本文研究BH08G钢在不同形变条件下的热变形行为及其动态再结晶过程的各种动力学参数，能为数值模拟提供依据，同时可以提供合理的热塑性成形工艺，改进材料的微观结构，提高产品力学性能。

  1、BH08G钢热变形行为实验研究方法

  热压缩试验试样BH08G取自宝钢高线的退火态线材，其化学成分(质量分数)为：0.077C、0.258Si、1.59Mn、0.34Mo、0.123Ti、0.011P、0.025S 。试样直径为φ10 mm，长度为12 mm，在Gleeble-1500热模拟试验机上进行等温压缩变形。BH08G钢的试验工艺如图1所示，应变速率 分别为 0.10 、5.0 和 10 (1/s)，形变温度T分别为 950、1000 和1050 ℃，最大相对应变为 70%．试样以10 ℃／s的加热速率加热至1200℃，保温5 min，然后以 5 ℃／s的速率降温至形变温度，保温15 S 以消除试样内部的温度梯度，最后在变形温度下等温变形。所有试样在变形结束后迅速淬火，在变形过程中，用石墨片润滑以减小压头与试样之间的摩擦作用。

   2、实验结果分析与讨论

   2．1  BH08G焊接用钢形变温度及应变速率对流变应力的影响

   图2所示为BH08G焊接用钢在不同变形温度T和应变速率 下的高温应力一应变曲线。由图可见，当应变速度 较低( =0．1  1/s )时，σε曲线均出现峰值 (见图2(a))，属动态再结晶型；而当 达到 5 (1/s) (见图2(b))时，只在变形温度 T >1000℃时，材料才在变形时发生动态再结晶，T 低于950℃时， σε曲线不出现峰值，材料在变形过程中只发生动态回复，而不发生动态再结晶； 当 升高到10（1/s）时，即使 T 升高到950℃， σ—ε 曲线亦不出现峰值(见图2(c))，仍属动态回复型．这一结果表明， 较低时，材料中的储存能较高，从而有利于材料在热变形过程中发生动态再结晶，且随T的升高，峰值应力下降(见图2)，即T愈高，愈有利于动态再结晶。在生产中，通过升高T 并降低 ，可使材料迅速达到动态再结晶状态，从而有利于变形金属的晶粒细化。一般认为，具有动态回复机制的流变应力曲线可分为两种情况：① 当加工硬化和动态回复基本达到平衡时应力趋向恒定值；② 动态回复发生后，仍有加工硬化，σε曲线的最后阶段仍呈上升趋势．由图2(b)、(c)可见，当T ≤ 950℃，且 >5（1/ s） 时，曲线为典型的加工硬化和动态回复基本平衡类型。

2．2  BH08G焊接用钢形变激活能及峰值应力的确定

在热变形过程中高温屈服应力决定于变形温度 T 和应变速度 ,该关系可以用如下蠕变方程表示 ^[2-4]:

式中：Z 为 Zener—Hollomon参数(温度补偿的应变速率因子)Q 为形变激活能，反映材料热变形的动态再结晶难易程度T 为变形温度（K）R 为气体常数f(σ)为应力函数为变形速率（1/S）当变形温度T愈低、变形速率 愈大时，Z值变大，动态再结晶开始的变形量和动态再结晶完成的变形量也变大，也就是说需要一个较大的变形量才能发生动态再结晶。分析表明 ，峰值应力 、稳态应力和任意应变时刻对应的流变应力都符合式(1)，f(σ)有两种表示形式：

式中： 、 、 为常数， n为应力指数。一般认为，式（2）适用于应力较高的热变形，式（3）适用于应力较低的热变形，两式如应用于不合适的应力条件，则会造成较大误差。通过对多组试验数据的分析，对于宝钢高线的轧制条件的热变形工艺状况，用式（2）计算BH08G焊接用钢形变激活能是比较适合的。式（3）中的 一般认为是稳态应力 ，但由于 的精度受测量精度的影响较大，故一般用峰值应力 代替 。所以Z因子与峰值应力 的关系可以表示为：

由BH08G焊接用钢的高温应力—应变曲线上采集 、 、 值，对（6）式进行线性回归，从而确定其中的参数 、 、 。这样可以求得BH08G焊接用钢动态再结晶的形变激活能 ，而 ， （MPa-1）。所以：

在本文的研究条件下，BH08G焊接用钢的

2．3  BH08G焊接用钢峰值应力 、应变 、动态再结晶临界应变 和完成应变 与 的关系 ^[5-7]

为了进一步确定变形参数与 Z 因子的关系，建立峰值应力 、应变 、动态再结晶临界应变 与Z 因子的关系，便于轧制生产中对BH08G焊接用钢的动态再结晶进行有效的控制。根据应变 与Z 因子的实验关系曲线（如图3所示）和峰值应力 与Z 因子的实验关系曲线（如图3所示），回归出它们之间的关系。

根据动态再结晶完成应变 与Z 因子的实验关系曲线（如图4所示），回归出它们之间的关系。

焊接用钢的动态再结晶完成应变 与ln(Z) 因子的关系为：

从图3、图4看出，峰值应力 、应变 、动态再结晶临界应变 和动态再结晶完成应变 与 的关系见， 与lnZ基本上是线性关系，并且随lnZ增加而增大。随着变形温度的升高和变形速率的减小，Z因子值降低，动态再结晶的临界应变量 和动态再结晶的完成应变量 也逐渐减小，即容易发生和完成动态再结晶。

2．4  BHO08G钢的动态再结晶状态图

确定BHO08G钢动态再结晶开始的临界应变 、动态再结晶的完成应变量 对实际生产应用是很重要的，它们对建立BHO08G钢动态再结晶动力学方程也有着重要的意义。根据前面的实验回归建立的BHO08G钢动态再结晶开始的临界应变 、动态再结晶的完成应变量 与Z因子的关系，可以建立BHO08G钢动态再结晶状态图（如图5所示）。

由图5可见，随着 Z因子的降低，发生动态再结晶的临界应变降低。图中还标出了不同热变形条件下奥氏体所处的组织状态，其中，A 区为完全动态再结晶区；B 区为部分动态再结晶区；C区为未发生动态再结晶区，即加工硬化区。动态再结晶状态图能衡量不同形变条件下钢中动态再结晶进行的程度。通过应变速率和变形温度对变形机制产生影响的分析，升高变形温度和降低变形速率均有利于变形过程中发生动态再结晶，从而有利于变形晶粒的细化，改善材料的机械性能。

3、结论

3）建立BHO08G钢动态再结晶状态图，可以确定不同形变条件下钢中动态再结晶进行的程度和奥氏体所处的组织状态。

（4）在宝钢高线的实际生产中，BH08G焊接用钢线材轧制时的粗轧变形温度为980—1050℃，应变速率为10（1/s）以下，道次变形量不小于30%，因此BH08G焊接用钢在上述工艺条件下可以发生和完成动态再结晶。而予精轧和精轧变形温度为930—980℃，尽管应变速率大于10（1/s），但由于轧制道次之间的间隙时间很短，可以抑制静态回复和再结晶，获得较大的累积形变储能而引发动态再结晶，从而有利于变形晶粒的细化，改善材料的机械性能。