CN110702727A - 一种测定材料静态再结晶体积分数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定材料静态再结晶体积分数的方法，应用热力模拟试验机进行一组单道次压缩试验，得到应力应变曲线，进行数据拟合、微分操作，得到加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线，从曲线中的拐点判断发生动态再结晶的临界应变ε_c；应用热力模拟试验机进行一组双道次压缩试验，双道次的总变形量小于单道次的变形量，且双道次压缩试验中的每一道次变形量ε₀均小于单道次压缩试验确定出的动态再结晶临界应变量ε_c；采用多项式分别对单道次、双道次中应力应变曲线进行拟合，分别进行积分操作，得到相应的应变能；最后计算静态再结晶体积分数。本发明考虑了回复、动态再结晶对静态再结晶体积分数的影响，能够更准确测定钢铁材料奥氏体静态再结晶体积分数。

Description

一种测定材料静态再结晶体积分数的方法

技术领域

本发明涉及一种测定材料在轧制过程中组织演化的方法，特别涉及一种测定材料静态再结晶体积分数的方法。

背景技术

在材料进行热加工成形过程中，其内部会同时发生加工硬化和回复、再结晶软化两个过程。再结晶方式存在动态再结晶、亚动态再结晶和静态再结晶，而静态再结晶亦是加工过程中的一个重要的软化方式。研究材料在成形过程中的静态再结晶的规律对于控制热加工时的组织与性能具有重要意义。

针对新钢种或新工艺下，在轧制道次间隔时间的组织变化的数学模型研究的前提是获取静态再结晶体积分数。测定奥氏体静态再结晶软化率可以通过金相组织观察和双道次变形的方法，由于前者工作量太大，所以通常不采用。因此，后者得到了普遍应用。然而，基于双道次变形方法，出现了许多计算静态再结晶软化率的方法。主要有0.2％补偿法、2％补偿法、5％全应变法、后插法、平均应力法及面积法。

双道次变形测定静态再结晶体积分数的原理是基于两道次间的奥氏体软化所导致两道次应力或应变能产生的差异。如，用0.2％补偿法、2％补偿法、5％全应变法是基于某一个应力值进行计算，容易产生偶然误差和系统误差，现有的面积法或平均应力法没有明确规定双道次的变形条件和用于计算的道次变形量，需要依赖外推模型，这会导致不同的研究人员得到不同结果，尤其在变形时，材料发生动态再结晶的情况，仍然按照现有方法计算，结果是不科学和不合理的。因此，不同的方法得到的结果不一致，有的甚至相差甚远，为了更准确地预测出在轧制道次间隔时间的静态再结晶分数，以建立轧制道次间隔时间的组织变化的数学模型，还需提出更准确的测定方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种测定材料静态再结晶体积分数的方法，该方法根据实际的单道次试验数据，得到真实的应变能，以剔除动态再结晶的影响，能够更准确测定材料奥氏体静态再结晶体积分数。

为了实现发明目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

1)应用热力模拟试验机进行单道次压缩试验，将一组试样加热、保温，然后以设定冷却速度冷却到不同变形温度、保温，以设定应变速率和变形量将试样压缩，采集试验过程中的应力和应变数据，得到应力应变曲线；对得到的单道次应力应变曲线进行数据拟合、微分操作，得到加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线，从曲线中的拐点判断发生动态再结晶的临界应变ε_c，若曲线无拐点，则未发生动态再结晶，若有拐点，说明发生了动态再结晶；发生动态再结晶的临界应变ε_c用于设定双道次压缩的道次变形量，以及用于确定静态再结晶体积分数计算方法的选取，单道次压缩的应力应变曲线用于计算变形过程中消耗的应变能。

2)应用热力模拟试验机进行双道次压缩试验，用于试验的一组试样状态与步骤1中的试样一致，加热、保温、冷却以及变形温度、变形速度条件均与步骤1中单道次压缩试验相同；双道次的总变形量小于单道次的变形量，且双道次压缩试验中的每一道次变形量ε₀均小于单道次压缩试验确定出的动态再结晶临界应变量ε_c。

3)采用多项式对步骤1中某一变形温度、应变速率下获得的单道次应力应变曲线进行拟合，拟合曲线选取单道次应力应变曲线中应变量为ε₀-2ε₀(ε₀为双道次压缩试验中的每一道次变形量)的一段，得到如下公式：

σ_m＝A_m+B_mε+C_mε²+D_mε³+… (1)

其中，ε为应变量，σ_m为应力，A_m，B_m，C_m，D_m，…为常数；

目的在于用真实的试验曲线进行静态再结晶体积分数的计算，以剔除回复、动态再结晶对静态再结晶体积分数计算的影响；

采用多项式对步骤2中双道次试验获得的每一道次的应力应变曲线进行拟合，得到如下公式：

σ₁＝A+Bε+Cε²+Dε³+… (2)

σ₂＝A₂+B₂ε+C₂ε²+D₂ε³+… (3)

其中，ε为应变量，σ₁为第一道次应力，σ₂为第二道次应力，A，B，C，D，A₂，B₂，C₂，D₂，…为常数。

4)对步骤3中的公式(1)，(2)和(3)分别进行积分操作，得到如下公式：

其中，S₁、S₂和S_m分别为双道次变形时第一道次应变能、双道次变形时第二道次应变能和单道次变形应变由ε₀-2ε₀时的应变能；

S_m为试验中消耗应变能的真实值，而非通过外推或计算得到，其计算值和真实值的差异会在2ε₀>ε_c条件下呈现较大差异，致使计算结果产生较大偏差。

5)若单道次压缩得到的加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线无拐点或拐点处确定的ε_c﹥2ε₀，根据步骤4得到的应变能，按照如下公式计算发生静态再结晶体积分数：

其中，X_s为静态再结晶体积分数；

若2ε₀>ε_c，则说明单道次压缩的变形量未达到2ε₀时就已经发生动态再结晶，所计算的软化值已包含了动态再结晶的软化部分，则计算静态再结晶体积分数的公式可改为如下公式：

其中，X_d为动态再结晶体积分数。

X_d的计算公式为：

其中,k、n为材料常数，ε_c、ε_p分别为发生动态再结晶临界应变、峰值应变

本发明的有益效果是：一种测定材料静态再结晶体积分数的方法，该方法考虑了回复、动态再结晶对静态再结晶体积分数的影响，能够更准确测定钢铁材料奥氏体静态再结晶体积分数，以准确建立钢铁材料在轧制道次间隔时间的组织变化的数学模型，尤其能够制定合理微合金钢的控制轧制工艺。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：

1.选用一种低碳微合金钢作为待测材料，应用热力模拟试验机进行一组单道次压缩试验，试样的试验工艺为，以20℃/s加热至1150℃，保温5分钟，然后以5℃/s速度冷却到850℃、950℃，在该温度下保温1分钟后进行压缩变形，变形量为70％，应变速率为5S^-1；采集试验过程中的应力和应变数据，得到应力应变曲线；

对850℃、950℃温度下变形得到的单道次的应力应变曲线进行数据拟合、微分操作，得到加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线，从该曲线可以看出，在950℃变形时曲线出现拐点，说明此处发生了动态再结晶，发生动态再结晶的临界应变确定为ε_c＝0.29，此值用于设定后续双道次每道次的变形量；而在850℃变形时，得到加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线无拐点，说明此条件下未发生动态再结晶；

2.在热力模拟试验机上进行另一组双道次压缩试验，该组试样与单道次压缩试验的试样均从一块坯料上获取。试验工艺为，以20℃/s加热至1150℃，保温5分钟，然后以5℃/s速度冷却到850℃、950℃，在该温度下保温1分钟后进行压缩变形，每个温度下压缩两道次，根据步骤1中确定的在950℃变形时曲线出现拐点，发生动态再结晶的临界应变ε_c＝0.29，双道次试验中每个道次变形量为ε₀＝20％，道次间隔时间分别为100、3秒，应变速率均为5S^-1。

3.采用多项式对变形温度为850℃、950℃条件下，步骤1中获得的单道次应力应变曲线进行拟合，得到如下公式：

公式(10)对应变形温度为850℃条件下对应的曲线拟合结果；公式(11)对应变形温度为950℃条件下对应的曲线拟合结果

再采用多项式对步骤2中在850℃温度下变形的双道次试验的应力应变曲线进行拟合，得到如下公式：

公式(12)、(13)分别对应第一道次、第二道次曲线

再采用多项式对步骤2中在950℃温度下变形的双道次试验的应力应变曲线进行拟合，得到如下公式：

公式(14)、(15)分别对应第一道次、第二道次曲线

4.对步骤3中的公式(10)-(15)分别进行积分操作，得到应变能如表1所示：

表1不同温度下的应变能

5.通过步骤4计算的静态再结晶体积分数与其他方法计算的结果对比如表2所示。

表2静态再结晶分数比较

材料在850℃单道次压缩得到的加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线无拐点，ε_c﹥2ε₀，根据步骤4得到的应变能，按照公式(7)计算发生静态再结晶体积分数为66.7％：

材料在950℃单道次压缩得到的加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线出现拐点，ε_c＝0.29﹤2ε₀＝0.4，根据步骤4得到的应变能，按照公式(8)计算发生静态再结晶体积分数为66.9％。

从表中比较可知，采用本发明测定的静态再结晶体积分数与金相法测定的结果最为接近，且误差在5％以内，而采用其他测定方法产生的误差接近10％，可见采用本发明方法可以更准确地测定静态再结晶体积分数。

Claims (3)

1.一种测定材料静态再结晶体积分数的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)应用热力模拟试验机进行单道次压缩试验，将一组试样加热、保温，然后以设定冷却速度冷却到不同变形温度、保温，以设定应变速率和变形量将试样压缩，采集试验过程中的应力和应变数据，得到应力应变曲线；对得到的单道次应力应变曲线进行数据拟合、微分操作，得到加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线，从曲线中的拐点判断发生动态再结晶的临界应变ε_c；

2)应用热力模拟试验机进行双道次压缩试验，用于试验的一组试样状态与步骤1中的试样一致，加热、保温、冷却以及变形温度、变形速度条件均与步骤1中单道次压缩试验相同；双道次的总变形量小于单道次的变形量，且双道次压缩试验中的每一道次变形量ε₀均小于单道次压缩试验确定出的动态再结晶临界应变量ε_c；

3)采用多项式对步骤1中某一变形温度、应变速率下获得的单道次应力应变曲线进行拟合，拟合曲线选取单道次应力应变曲线中应变量为ε₀-2ε₀的一段，得到如下公式：

σ_m＝A_m+B_mε+C_mε²+D_mε³+… (1)

其中，ε为应变量，σ_m为应力，A_m，B_m，C_m，D_m，…为常数；

采用多项式对步骤2中双道次试验获得的每一道次的应力应变曲线进行拟合，得到如下公式：

σ₁＝A+Bε+Cε²+Dε³+… (2)

σ₂＝A₂+B₂ε+C₂ε²+D₂ε³+… (3)

其中，ε为应变量，σ₁为第一道次应力，σ₂为第二道次应力，A，B，C，D，A₂，B₂，C₂，D₂，…为常数；

4)对步骤3中的公式(1)，(2)和(3)分别进行积分操作，得到如下公式：

其中，S₁、S₂和S_m分别为双道次变形时第一道次应变能、双道次变形时第二道次应变能和单道次变形应变由ε₀-2ε₀时的应变能；

5)若单道次压缩得到的加工硬化率与相应的应力之间的关系曲线无拐点或拐点处确定的ε_c﹥2ε₀，根据步骤5得到的应变能，按照如下公式计算发生静态再结晶体积分数：

其中，X_s为静态再结晶体积分数；

若2ε₀>ε_c，则说明单道次压缩的变形量未达到2ε₀时就已经发生动态再结晶，所计算的软化值已包含了动态再结晶的软化部分，则计算静态再结晶体积分数的公式可改为如下公式：

其中，X_d为动态再结晶体积分数。

2.根据权利要求1所述的一种测定材料静态再结晶体积分数的方法，其特征在于：所述动态再结晶体积分数X_d的计算公式为：

其中，k、n为材料常数，ε_c、ε_p分别为发生动态再结晶临界应变、峰值应变。

3.根据权利要求1所述的一种测定材料静态再结晶体积分数的方法，其特征在于：单、双道次两组压缩试验的试样从一块坯料获取。