铈对低铬铁素体不锈钢静态再结晶行为的影响_.pdf

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第31卷第3期2010年3月材料热处理学报TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTVol.31No.3March2010铈对低铬铁素体不锈钢静态再结晶行为的影响李亚波1，王福明1，尚成嘉2，李长荣2（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083;2.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）摘要:

为研究铈对低铬铁素体不锈钢的静态再结晶行为的影响，冶炼含铈和不含铈的00Cr12不锈钢，在Gleeble-3800型热模拟试验机上采用双道次压缩法，测量不同温度下、不同道次间隔时间试验钢的应力应变曲线，计算再结晶体积分数，评价材料静态再结晶行为;对试验钢在不同温度下退火，侵蚀后进行组织观察。

结果表明:

铈的添加可抑制试验钢静态再结晶的进行，提高试验钢的再结晶温度，细化晶粒，铈含量0.028wt%时可将00Cr12不锈钢的静态再结晶激活能由103kJ/mol提高到114kJ/mol。

铈在晶界的偏聚，对晶界起到拖拽作用，降低了晶界迁移速度，从而抑制了静态再结晶行为。

关键词:

铁素体不锈钢;铈;静态再结晶;激活能中图分类号:

TG142.23;O614.33文献标志码:

A文章编号:

1009-6264（2010）03-0064-05Effectofceriumonstatic-recrystallizationbehaviorinlowchromiumferriticstainlesssteelLIYa-bo1，WANGFu-ming1，SHANGCheng-jia2，LIChang-rong2（1.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China）Abstract:

00Cr12ferriticstainlesssteelswithandwithoutceriumwerepreparedandtheeffectofceriumonstatic-recrystallizationbehaviorofthelowchromiumferriticstainlesssteelswasinvestigated.Thestress-straincurvesofthesteelsweretestedatdifferenttemperatureswithdifferentintervaltimebetweenpassesonaGleeble-3800thermo-mechanicalsimulatorbydouble-hithotcompressionmethod，andtheratesofrecrystallizationwerecalculatedaccordingtothetestedstress-straincurves.Microstructureofthesteelsannealedatdifferenttemperatureswasobservedbyopticalmicroscope.Theresultsshowthatstatic-recrystallizationbehaviorisdepressed，thetemperatureofstatic-recrystallizationisenhancedandthusgrainsizerefinedforthesteelwithadditionofcerium.Thevalueofstatic-recrystallizationactivationenergyisraisedfrom103kJ/molto114kJ/molforthesteelwith0.028wt%ofcerium.Themigrationvelocityofgrainboundarydecreasesastheresultofthesegregationofceriumongrainboundary，leadingthedepressionofstatic-recrystallizationprocessinthelowchromiumferriticstainlesssteel.Keywords:

ferriticstainlesssteel;cerium;static-recrystallization;activationenergy收稿日期:

2009-03-16;修订日期:

2009-10-10作者简介:

李亚波（1976），男，博士研究生，从事铁素体不锈钢的品种开发工作，发表论文10余篇，E-mail:

。

不含或含少量镍的铁素体不锈钢，成本较低，耐腐蚀性能、抗高温氧化性能良好，是一类具有发展前途的钢种，产量日益扩大。

铁素体不锈钢也是一种比较特殊的钢种，在相图上看，它没有共析反应，不能通过共析反应来细化组织，晶粒较粗大，存在低温、高温脆性，强度也较低1。

因此，晶粒细化是铁素体不锈钢研究的一项重要内容。

铁素体不锈钢板材在最后轧制道次间歇期间可发生静态再结晶，对钢材的晶粒细化影响较大，因此，对铁素体不锈钢静态再结晶行为的研究是轧制工艺制定和产品最终性能控制的关键2-4。

稀土元素原子半径较大，在钢中固溶时多在晶界偏聚，在钢的回复再结晶过程中可起到拖曳晶界的作用，从而抑制再结晶的进行5。

文献报道，稀土的微合金化作用可抑制低合金钢的动态再结晶行为，提高再结晶温度，细化晶粒6-8。

稀土在铁素体不锈钢中的应用较少，稀土元素对铁素体不锈钢静态再结晶行为的影响在以往文献中未见报道。

本文冶炼含铈的低铬铁素体不锈钢00Cr12，利第3期李亚波等:

铈对低铬铁素体不锈钢静态再结晶行为的影响用双道次压缩法和对不同温度下退火后的晶粒组织进行观察的方法，对铈对铁素体不锈钢的静态再结晶行为的影响进行研究。

1实验材料及方法实验所用的00Cr12低铬铁素体不锈钢在50kg真空感应炉冶炼，共冶炼2炉，分别浇铸成39kg钢锭，冶炼材料成分见表1。

后对铸锭进行锻造，开锻温度1100，终锻温度800，锻成15mm的圆棒，锻后水冷。

所有炉号均采取相同的加工工艺。

表1试验钢化学成分（质量分数，%）Table1Chemicalcompositionoftestedsteels（wt%）SteelCSiMnSPCrONCeTi，AlFeNo.10.0010.480.300.00400.01211.450.00590.00300.05Bal.No.20.0020.520.310.00240.01511.490.00550.00270.028本文通过双道次压缩法，测试设备为Gleeble-3800热模拟试验机，研究稀土对00Cr12低铬铁素体不锈钢在变形后道次间隔期间内发生的静态回复和再结晶行为。

并对锻后材料在不同温度下退火，观察其组织变化。

双道次压缩法4:

将8mm15mm的圆柱体试样以10s1的速率加热到1200，保温3min;然后以10s1的速率冷却到不同的变形温度T=1100，1000，900，800，保温20s后进行第1道次压缩，变形量20%，变形速率1s1，保温时间分别为0.5，2，10，50s;再进行第2道次压缩，变形量为20%，变形速率1s1。

记录两次变形过程中试样的应力-应变曲线。

图100Cr12铁素体不锈钢双道次压缩实验方案Fig.1Double-hithotcompressiontestingschemefor00Cr12ferriticstainlesssteel根据图2所示的双道次压缩实验下试样的应力-应变曲线可以计算静态再结晶分数，静态再结晶分数的计算方法有应力补偿法和平均流动应力法。

本文采取应力补偿法，真应变值取0.2%，如图2所示。

图2典型的双道次应力-应变曲线Fig.2Typicalstress-straincurvesofthesteelbydouble-hithotcompressiontesting采用应力补偿法计算软化率Fs9-10:

Fs=1s1s

（1）式中，1为第一次加载时的最大应力;s、s分别为第1、2道次的屈服应力，对应的塑性应变为0.2%。

形变铁素体体的软化包括回复和再结晶，再结晶在软化率约为0.2时开始，因而再结晶的体积分数Xsrx可由下式确定:

Xsrx=Fs0.210.2=Fs0.20.8

（2）组织观察:

在锻后圆棒上每个炉号取10mm10mm10mm的金相试样5个，均在锻后材料的同一部位（相当于钢锭中部）连续取得，每个炉号的其中4个试样分别在650、700、750和800下退火30min后空冷，退火后的试样与锻态试样一起打磨、抛光后侵蚀，侵蚀剂采用5g氯化铁+15ml盐酸+100ml水溶液。

在光镜下观察其组织并照相，按照标准YB/T5148-93金属平均晶粒度测定法中的截点法来测定热处理后钢的晶粒平均尺寸。

2实验结果与分析2.1铈对再结晶分数的影响根据在不同温度、不同时间间隔条件下双道次压缩法得到的应力-应变数据，计算出材料的软化率和再结晶分数，并将不含铈的No.1钢与含铈的No.2钢作对比，得到如图3的结果。

由实验结果可以看到，在不同的温度下，随着道次间隔时间的延长，No.2钢的静态再结晶曲线在No.1钢之下，这说明，铈的加入抑制了试验钢静态再结晶行为的进行。

56材料热处理学报第31卷图3不同温度下道次间隔时间对静态再结晶分数的影响Fig.3Effectofintervaltimebetweenpassesonthefractionsofstatic-recrystallizationatdifferenttemperatures（a）800;（b）900;（c）1000;（d）11002.2静态再结晶激活能及计算静态再结晶的体积分数Xsrx可由Avrami方程来表征9-10:

Xsrx=1expBttFnA（3）这里，tF表示再结晶的体积分数为F时所需要的时间，B=ln（1F），nA为常数。

若再结晶的体积分数F为50%，则B=0.693，则有:

Xsrx=1exp0.693tt0.5nA（4）因此确定t0.5、nA的数值即可描述静态再结晶动力学。

发生50%再结晶所需要的时间t0.5与变形工艺参数，如变形温度、变形量、原始奥氏体晶粒尺寸及应变速率密切相关，它可以由下式来表征:

t0.5=KDp0qrexpQ/（RT）（5）式中，为真应变;为应变速率;T为绝对温度K;Q为静态再结晶激活能，J/mol;D0为原始晶粒尺寸;K、p、q、r为系数;R为常数（8.314Jmol1K1）。

在本实验中，、变形条件一致;变形前的加热制度相同，所以对同一钢号来说D0也是常数。

因此，对式（5）两边取对数，得lnt0.5=lnA+QRT（6）t0.5可由再结晶曲线上得到，因此，以lnt0.51/T作图，得到的直线斜率为Q/R，R为常数，即可计算出再结晶激活能Q。

根据计算结果，No.1钢的静态再结晶激活能约为103kJ/mol，这比IF钢的静态再结晶激活能（115kJ/mol）2还低，说明低铬铁素体不锈钢很容易发生再结晶;No.2钢的静态再结晶激活能约为114kJ/mol，铈的添加提高了试验钢的再结晶激活能，抑制了静态再结晶行为。

图4lnt0.51/T关系图Fig.4lnt0.5vs1/T2.3组织观察及晶粒度评价No.1、No.2钢锻后的分别在不同温度下退火后的组织如图5、图6。

No.1钢试样锻后是十分凌乱的组织，有亚晶组织出现;650退火30min后，试样已经出现了部分再结晶晶粒;700退火后，试样已经大部分是再结晶晶粒，还有部分晶粒处于形核状态，晶粒大小还不均匀;750时，试样已经全部是再结晶晶粒，晶粒形状已经变成规则的六边形，晶粒大小较均匀，部分晶粒有长大现象，说明静态再结晶已结束;800时，试样明显出现了晶粒长大，晶粒比750时粗化。

No.2钢试样锻后也是比较凌乱的组织，也有亚晶组织出现;650退火30min后，No.2钢试样还处66第3期李亚波等:

铈对低铬铁素体不锈钢静态再结晶行为的影响图5No.1钢锻态及不同温度下热处理后组织Fig.5MicrostructureofsteelNo.1afterdifferentheattreatment（a）as-forged;（b）650，30min;（c）700，30min;（d）750，30min;（e）800，30min图6No.2钢锻态及不同温度下退火后组织Fig.6MicrostructureofsteelNo.2afterdifferentheattreatment（a）as-forged;（b）650，30min;（c）700，30min;（d）750，30min;（e）800，30min于回复阶段，出现了亚晶的长大、合并现象;700退火后，出现了部分再结晶晶粒;750时，组织大部分为再结晶晶粒，仍有再结晶晶粒处于形核阶段;800时，晶粒趋向均匀，但晶粒形状没有变成规则的六边形，部分晶粒还在形核长大，再结晶还没有结束，晶粒组织比750退火明显得到了细化。

对两个钢号试样800退火30min后的试样进行晶粒度评价，测得的No.1钢的晶粒平均尺寸为50m，No.2钢晶粒平均尺寸为35m，组织比未加铈的No.1钢细化了。

3讨论根据实验结果可以分析，添加铈元素后，试验钢的静态再结晶行为受到抑制，再结晶温度提高，晶粒得到细化。

一般来说，微合金元素对材料静态再结晶的抑制作用有两种机制11:

一种是形成细小弥散的析出物，钉扎晶界，降低晶界的迁移速度，如添加Ti、Nb形成碳氮化物;另一种是大原子半径的元素固溶，在晶界偏聚，起到对晶界的拖曳作用。

稀土碳化物生成自由能高于铬的碳化物12，00Cr12不锈钢中铬含量高，所76材料热处理学报第31卷以在此体系中不能形成稀土碳化物;铈和氮的溶度积比较大，在本实验中，氮的含量较低，达不到析出稀土氮化物的浓度5。

所以稀土不能形成对晶界起钉扎作用析出物，稀土对材料静态再结晶的抑制很可能是稀土原子对晶界拖曳作用的结果。

由表1可以看到，含铈炉号钢样比较纯净，氧、硫含量不高，铈含量较高，能有部分铈固溶。

铈元素的原子半径比铁大，容易在晶界附近偏聚，这一点已经得到大量实验的证实13。

静态再结晶时，铈原子对晶界能起到拖曳作用，抑制再结晶的进行，提高再结晶温度，在同样的热处理制度下，铈处理钢能得到更细小的晶粒。

这对于没有共析反应来进行晶粒细化的不锈钢来说，非常有意义。

4结论1）实验钢在8001100时，根据双道次压缩法应力-应变曲线计算所得静态再结晶分数的研究结果表明，添加铈可抑制实验钢的静态再结晶行为，提高再结晶温度;0.028wt%的铈含量可将实验钢的静态再结晶激活能由103kJ/mol提高到114kJ/mol;2）固溶的铈可在晶界上偏聚，对晶界起到拖曳作用，降低晶界的迁移速度，从而抑制实验钢的静态再结晶行为，对两个钢号试样800退火30min后的试样进行组织观察和晶粒度评价结果表明未添加铈的No.1钢试样静态再结晶已基本结束，晶粒平均尺寸为50m，添加铈的No.2钢试样静态再结晶还没有结束，晶粒平均尺寸为35m，晶粒得到了细化。

参考文献1肖纪美.不锈钢的金属学问题M.北京:

冶金工业出版社，2006.2高燕，张建华，周满春，等.IF钢热变形铁素体的静态再结晶行为J.河北理工大学学报:

自然科学版，2007，29（3）:

4548.GAOYan，ZHANGJian-hua，ZHOUMan-chun，etal.ThestaticrecrystallizationbehaviorofIFsteelafterferritehotdeformationJ.JournalofHebeiPolytechnicUniversity:

NaturalScienceEdition，2007，29（3）:

4548.3陈庆军，康永林，孙浩，等.X70管线钢热变形奥氏体的静态再结晶行为J.北京科技大学学报，2007，29（12）:

12121215.CHENQing-jun，KANGYong-lin，SUNHao，etal.Static-recrystallizationbehaviorofhotdeformationausteniteX70pipelinesteelJ.JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing，2007，29（12）:

12121215.4HLAndrade，MG.Akben，JJJonas.Effectofmolybdenum，niobium，andvanadiumonstaticrecoveryandrecrystallizationandonsolutestrengtheningandmicroalloyedsteelsJ.MetallurgicalTransactionsA，1983，14:

19671977.5杜挺，韩其勇，王常珍.稀土碱土等元素的物理化学及在材料中的应用M.北京:

科学出版社，1995.6林勤，叶文，陈宁，等.超低硫微合金钢中稀土元素的作用J.中国稀土学报，1997，15（3）:

228233.LINQin，YEWen，CHENNing，etal.Effectofrareearthsonextra-lowsulfurmicroalloysteelJ.JournaloftheChineseRareEarthSociety，1997，15（3）:

228233.7叶文，林勤，郭世宝，等.稀土对14MnNb钢的微合金化作用J.北京科技大学学报，1995，17

（2）:

159163.YEWen，LINQin，GUOShi-bao，etal.Effectsofrareearthonmicroalloyingof14MnNbsteelJ.JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing，1995，17

（2）:

159163.8刘勇华，叶文，林勤，等.稀土对管线钢中沉淀相和再结晶的影响J.中国稀土学报，1996，14（3）:

245248.LIUYong-hua，YEWen，LINQin，etal.EffectofrareearthonprecipitationandrecrystallizationinpipelinesteelJ.JournaloftheChineseRareEarthSociety，1996，14（3）:

245248.9LiG，MaccagnoTM，BaiDQ，etal.EffectofinitialgrainsizeonthestaticrecrystallizationonkineticsofNbmicroalloyedsteelJ.ISIJInternational，1996，36（12）:

14791985.10ChoJR，JeongHS，ChaDJ，etal.PredictionofmicrostructuralevolutionandrecrystallizationbehaviorsofahotworkingdiesteelbyFEMJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology，2005，160:

18.11牧正志.细化钢铁材料晶粒的原理与方法J.热处理，2006，21

（1）:

19.TadashMaki.PrincipleandvariousmethodsforgrainrefinementofsteelsJ.HeatTreatment，2006，21

（1）:

19.12DavidRSigler.TheoxidationbehaviorofFe-20Cralloyfoilsinasyntheticexhaust-gasatmosphereJ.OxidationofMetals，1996，46:

335364.13林勤，姚庭杰，刘爱生，等.稀土在石油套管中的应用研究J.中国稀土学报，1996，14

（2）:

160165.LINQin，YAOTing-jie，LIUAi-sheng，etal.ApplicationofrareearthinoilcountrytubulargoodsJ.JournaloftheChineseRareEarthSociety，1996，14

（2）:

160165.86