周 湛周志伟程 勇刘栋林徐海峰包耀宗

（1.江苏苏钢集团，江苏苏州 215153；2.华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉 730074；3.钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081）

钒含量对直接切削用非调质钢动态再结晶的影响

周 湛1周志伟1程 勇1刘栋林1徐海峰2，3包耀宗3

（1.江苏苏钢集团，江苏苏州 215153；2.华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉 730074；3.钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081）

在Gleeble-3800热模拟实验机上进行热变形试验，研究不同钒含量的直接切削用非调质钢在变形温度为950～1 150℃，应变速率为0.1～10 s－1，变形量为60%的单道次压缩的奥氏体再结晶过程。计算得出，V1钢的动态再结晶激活能Qd比V2钢的提高了79.617 kJ／mol，增加钒含量具有延迟奥氏体动态再结晶发生的作用。根据试验模拟结果并结合实际生产情况，确定了V1钢和V2钢的最佳热加工工艺参数。

钒元素 非调质钢 动态再结晶激活能 动态再结晶状态图

直接切削用非调质钢主要通过钒微合金化提高其强度，控制轧制和控制冷却获得理想状态的组织，进而达到既提高其强度又提高韧性等力学性能。目前关于直接切削用非调质钢的研究仍然较少。本文采用添加微量的合金元素钒，在随后的变形和冷却过程中析出大量弥散微细的合金碳氮化物，细化奥氏体晶粒同时并发生析出强化，使钢的强度、硬度及韧性增加，获得与调质钢经调质处理后相近的综合力学性能［1-3］。

研究采用两种不同钒含量的直接切削用非调质钢，在相同变形条件下的热变形行为，建立两种钢热变形过程中的动态再结晶晶粒尺寸模型和动态再结晶状态图，探索了钒对动态再结晶的影响及其变化规律，为工业化生产提供理论依据和优化的工业路线提供工艺数据［4-6］。

1 试样制备与试验方法

表1为试验选用的两种微合金复合直接切削用非调质钢（记为V1钢和V2钢）的化学成分。热模拟试验试样为φ8 mm×15 mm的圆柱体，在Gleeble-3800热模拟试验机上进行热压缩试验。首先将试样以10℃／s的速率升温到1 200℃，保温60 s以消除试样内部的温度梯度。再以10℃／s的速率冷却至相应的变形温度，然后分别以0.1、1、10 s-1的应变速率和60%的变形量进行高温变形试验，变形完后立即水淬以保留高温奥氏体的晶粒形貌，并测得真应变量-真应变曲线及数据。将经水淬后的试样沿长轴方向1／2切开，磨制抛光后使用铬酸电解腐蚀。腐蚀后用水清洗擦拭，吹干后在Olympus GX51金相显微镜下观察原奥氏体晶粒形貌并采集5张以上200×的照片，利用SISC IAS V8.0图像分析软件中的截点法测量奥氏体晶粒尺寸，其相对误差均小于3%。

表1 试验用V1钢和V2钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical compositions of the tested V1 and V2 steels（mass fraction） %

2 试验结果与分析

2.1 动态再结晶的激活能

为研究变形温度和应变速率对动态再结晶的影响，引入Zener-Hollomon变形因子来修正变形温度对应变速率的影响［7-10］：

研究表明，变形因子Z与峰值应力σp存在幂函数关系：

式中，A、β—常数；σp—峰值应力。

因此，可以得到：

在温度恒定的情况下，对式（3）两边取自然对数，再对σp求偏微分，则系数β可表示为：在恒定应变速率下，式（3）对1／T求偏导数，

可得出动态再结晶激活能Qd：

表2为试验钢峰值应力随变形参数的变化。图1为σP与ln的关系曲线，图中各直线的平均斜率分别为＝16.92和＝17.83，代入式（4）中得到：

表2 V1钢和V2钢峰值应力随变形参数的变化／MPaTable 2 Peak stress of V1 and V2 steels as a function of deformation parameters／MPa

1 000 115.033 158.785 184.537 103.292 149.057 185.287 950 140.809 208.67 231.310 121.736 172.393 217.404

图1 不同变形温度下峰值应力σP与ln的关系曲线Fig.1 Relationship betweenσPand lnat different deformation temperatures

图2为σP与1／T的关系曲线。各直线的平均斜率分别为：

将式（6）～式（9）代入式（5）中，得出：

计算结果表明，V1钢的动态再结晶激活能Qd比V2钢的提高了79.617 kJ／mol。由此证明了增加钒含量具有延迟形变奥氏体动态再结晶发生的作用。与成分类似的其他非调质钢如38MnVS、C38N2相比［11］，V1钢的Qd明显较高，这同样与钢中钒含量的差异有关。

2.2 动态再结晶晶粒尺寸模型

图3为V1钢和V2钢在应变速率为1 s－1、变形温度为1 000℃下的奥氏体晶粒形貌，表3为V1钢和V2钢在不同变形条件下的奥氏体晶粒尺寸。从图3和表3中可以看出，随着变形温度的升高，两种试验钢变形后的动态再结晶晶粒尺寸显著增大。这是由于动态再结晶过程是热激活过程，温度升高原子热运动速度加快，动态再结晶越容易发生，从而导致动态再结晶形核后长大及合并速度加快，故温度升高所获得的动态再结晶晶粒尺寸增大。由于钒在高的变形温度下大部分固溶，形成的V（CN）析出起到的钉扎晶界作用并不大，所以两种不同钒含量的试验钢在高温变形过程中奥氏体晶粒尺寸的变化并不明显。

图2 不同应变速率下峰值应力σP与1／T的关系曲线Fig.2 Relationship betweenσPand 1／T at different strain rates

图3 试验钢在应变速率为1 s－1、变形温度为1 000℃下的奥氏体晶粒形貌Fig.3 Morphologies of austenite grains of the tested steels under deformation rate of 1 s－1and deformation temperature of 1 000℃

表3 试验钢在不同变形条件下的奥氏体晶粒尺寸／μmTable 3 Austenite grain size of the tested steels under different deformation conditions／μm

动态再结晶的晶粒尺寸取决于变形温度和应变速率，通常表示为Zener-Hollomon参数的函数［12］，以ln Z和ln DDRX（DDRX为奥氏体晶粒尺寸）作图进行线性拟合获得动态再结晶晶粒尺寸模型如图4和表4所示。由图4可见，随着Z的增加，动态再结晶晶粒尺寸逐渐减小，即在较高的应变速率和较低的变形温度下容易获得尺寸更细小的再结晶晶粒。

表4 V1钢和V2钢的动态再结晶晶粒尺寸模型Table 4 Dynamic recrystallization grain sizemodel of the tested steel

由于全固溶温度下碳氮化钒的组成相当接近于VN，因而碳氮化钒的全固溶温度相当接近于VN的全固溶温度，即碳氮化钒的全固溶温度主要是随着钢中氮含量和钒含量的增大而升高，而当钢中钒、氮元素的含量确定时，碳元素的含量对碳氮化钒的全固溶温度影响很小［13］。因此，采用《钢铁材料中的第二相》中的固溶度积公式（3-117）：

通过计算可以得出：

由计算结果可知，当奥氏体化温度达到1 050℃时，V2钢中的细小VN颗粒基本已全部固溶于奥氏体中。结合V1钢、V2钢的变形温度和全固溶温度，可以有效地抑制奥氏体晶粒的粗化。

2.3 动态再结晶状态图及其热加工图

根据εc、εs和对应的变形因子Z，可以得到动态再结晶状态图。其中，εc为发生动态再结晶的临界变形量，一般认为临界变形量εc＝0.83εP［14-15］，εP为峰值应变，表示为发生动态再结晶时峰值应力所对应的应变，εs表示为完全动态再结晶的临界变形量。再根据计算出的试验钢动态再结晶激活能Qd，可以分别计算出各变形条件下的Z值，从而结合εc、εs作相应的动态再结晶状态图，如图5所示。从图5可以看出，V2钢比V1钢更容易发生动态再结晶，这说明高含量钒对动态再结晶具有抑制作用。其中大部分钒固溶在奥氏体中对晶界的迁移起到拖曳的作用；而少量的钒又可以与碳、氮形成稳定的V（CN），在位错线、晶界等高能量区发生偏聚钉扎晶界，阻止动态再结晶的发生，因此对动态再结晶具有阻碍或抑制作用。变形因子Z越小，即变形温度越高、应变速率越低，动态再结晶开始和完成的临界变形量越小，动态再结晶越容易发生。

图5 试验钢的动态再结晶状态图（Ⅰ）未再结晶区；（Ⅱ）部分再结晶区；（Ⅲ）完全再结晶区Fig.5 Dynamic recrystallization state diagram of the tested steel（Ⅰ）non-recrystallization region；（Ⅱ）partial recrystallization region；（Ⅲ）complete recrystallization region

图6为V1钢和V2钢的热加工图。结合试验钢的动态再结晶状态图和热加工图，并从控制成型精度和节能角度出发，确定试验钢的变形温度及应变速率分别为：V1钢，变形温度为1 125℃，应变速率为1 s－1；V2钢，变形温度为1 075℃，应变速率为1 s－1。

图6 试验钢在应变为0.4的变形条件下的热加工图Fig.6 Hot processingmaps of the tested steels in true strain of 0.4

3 结论

（1）钒含量较高的V1钢，其动态再结晶激活能Qd比钒含量较低的V2钢提高了79.617 kJ／mol，由此证明了钒具有抑制奥氏体动态再结晶的作用。

（2）在热变形过程中，变形温度和应变速率是影响非调质钢奥氏体动态再结晶晶粒尺寸的主要因素，其中变形温度对晶粒尺寸的影响最大。奥氏体动态再结晶晶粒尺寸随着变形温度的降低和应变速率的增大而减小，但钒微合金化的非调质钢在高温变形的过程中，钒含量的增加对细化非调质钢奥氏体晶粒尺寸的效果不明显。

（3）钒微合金化的直接切削用非调质钢同样遵循变形因子Z越小，动态再结晶开始和完成的临界变形量越小，动态再结晶越容易发生等动态再结晶的基本规律。

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收修改稿日期：2016-05-11

Effect of Vanadium on Dynam ic Recrystallization Behavior of Non-Quenched and Tem pered Steels for Direct Cutting

Zhou Zhan1Zhou Zhiwei1Cheng Yong1Liu Donglin1Xu Haifeng2，3Bao Yaozong3
（1.Jiangsu Suzhou Steel Group Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215153，China；2.College of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei730074，China；3.Institute for Special Steels，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

Austenite dynamic recrystallization process of the non-quenched and tempered steelswith different V contents for direct cutting in single pass compression with strain rate of 0.1～10 s－1and deformation 60%at 950～1 150℃was studied through the thermal deformation experiment on Gleeble-3800 thermal simulator.The calculated dynamic recrystallization activation energies of V1 steel was 79.617 kJ／mol higher than that of V2 steel.Results showed that the increasing vanadium content could delay the austenite dynamic recrystallization.According to the simulation results and the actual production situation，the optimum hotworking parameters of V1 steel and V2 steel were determined.

vanadium element，non-quenched and tempered steel，dynamic recrystallization activation energy，dynamic recrystallization state diagram

国际钒技术委员会（Vanitec）合作项目（V137）

周湛，男，高级工程师，从事非调质钢开发与研究，Email：zhouzhan＠sugang.com.cn

包耀宗，男，博士，教授级高级工程师，Email：baoyaozong＠nercast.com