低碳铌钢热变形后的组织预测和控制

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1、低碳铌钢热变形后的组织预测和控制邵光杰许珞萍马学鸣（上海大学上海汽车金属材料研究工程中心）摘要采用Gleeble1500热模拟机测定低碳铌钢的奥氏体连续冷却转变曲线，对钢板变形后的冷却过程进行了非稳态导热分析，并据此预测钢板以不同的方式冷却后的组织。上海五钢集团现场热轧控冷实验表明，预测结果与实验结果吻合的很好。实验台架实验表明，细小多边形铁素体组织的钢板具有更高的疲劳性能。关键词低碳铌钢组织控制预测上海桑塔纳轿车后桥横梁钢板是一种微合金钢，长期以来一直依靠进口，由于钢材除了要达到一定的静强度和塑性指标外，还必须承受较为复杂

2、的疲劳应力，因而钢材国产化难度很大。在国内外关于微合金钢控制轧制研究工作[1~4]的基础上，本文通过模拟计算材料热变形后的冷却过程，结合CCT图预测材料最终的显微组织，据此调节生产工艺参数达到控制材料组织的目的。同时进行钢板的生产性应用研究，旨在为横梁钢板的国产化奠定基础。1试验材料和试验方法试验材料是自行研制的低碳铌钢（10Nb），其化学成分（w,%）为：C0.091，Mn0.62，Si0.20，Nb0.040，S0.002，P0.004，Al0.040。试验材料经20t电弧炉→钢液炉外精炼及真空处理→浇注→钢锭热送→初轧

3、开坯→热轧→以不同方式冷却（自然空冷、风冷、水冷）后收卷。根据GB5057标准在Gleeble-1500热模拟机上测定试验材料的CCT曲线和动态CCT曲线。用MM6显微镜分析显微组织，用S-570扫描电镜分析断口。试验材料制备成桑车后桥横梁实物在上海大众汽车有限公司台架试验机上测定疲劳寿命。2试验结果和讨论2.1材料的热轧热轧加热温度1220℃，材料经总变形量为95%的热轧后，奥氏体晶粒已充分细化。为了防止由于终轧温度过高引起晶粒长大，同时防止由于终轧温度过低而引起材料的各向异性，以致降低材料的疲劳寿命，确定终轧温度为950

4、~970℃。2.2奥氏体连续冷却转变曲线试验材料加工成标准试样，在Gleeble-1500热模拟机上测定CCT曲线。材料升温速度10℃/s，奥氏体化温度1200℃，保温3min,冷却至950℃，保温1min,然后测定在不同冷却164速度连续冷却时的相变点，绘制CCT曲线（图1）。由于铌元素的加入，奥氏体的转变点明显右移。试验材料在1200℃加热保温、经4次热变形、950℃结束变形。然后测定在不同冷却速度连续冷却时的转变点，并绘制动态CCT曲线（图2）。与图1比较，曲线的形状基本相似，但转变点的相对位置发生了较大变化，动态CC

5、T曲线中的各转变点均向左上方移动，即材料在动态奥氏体连续冷却转变时的转变温度提高，孕育期缩短。图110Nb钢奥氏体连续冷却转变图图210Nb钢动态奥氏体连续转变图Fig.1CCTdiagramof10NbsteelFig.2DynamicCCTdiagramof10Nbsteel2.3传热学分析和组织预测钢板热轧后冷却属于非稳态导热过程，本实验条件下，由于钢板处于连续轧制与冷却过程，钢板的厚度与宽度比较小，因此非稳态导热可用一维直角坐标的有限差分法处理。直角坐标一维非稳态热传导方程为：2∂T1∂T=（1）2∂xa∂τ边界条件

6、为：x=R；−k∂T/∂x=h(T−T)f∞2其中：h为对流换热系数W/(m·℃)k为材料的导热率W/(m·℃)2α为材料的热扩散率m/s,a=k/c·ρc为比热容kJ/(kg·℃)3ρ为密度kg/dm用完全隐式差分格式来进行近似表达，原方程改写为：165n+1n+1n+1n+1nTi+1−2Ti+Ti−11Ti−Ti=（2）2(∆x)a∆τn+1n+1n+1n整理后得：AT−AT+AT=−T（3）3i+12i1i−1ia∆τ2a∆τa∆τ其中：A=A=+1A=122232(∆x)(∆x)(∆x)初始条件：τ=0T=f(r)

7、0这里的内边界条件为绝热边界条件：T=T12n+1n+1T−Tff−1外边界条件改写为：−k=h(T−T)f∞∆xn+1n+1整理后得：−AT+AT=T4f−15f∞kk其中：A=A=+145h∆xh∆x写成矩阵形式：1T1f(τ)nA1−A2A3T2−T2……………×…=…nA1−A2A3Tf−1−Tf−1−A4A5TfT∞对以上三对角线阵可用追赶法求解。根据上述方程可以导出材料的冷却规律。将材料的连续冷却曲线与CCT图重叠，就

8、可以预测钢材最终的组织。典型的模拟冷却图见图3。模拟曲线①表示轧制后自然空冷，曲线②表示轧后水冷4s随后空冷；曲线③表示轧后水冷6s随后空冷。对应的组织分别是等轴铁素体和少量珠光体；细小等轴铁素体和少量珠光体；铁素体和贝氏体混合组织。2.4轧后组织控制工艺试验图3CCT图与连续冷却曲线Fi