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文献综述

其实,任何一门学科都离不开死记硬背,关键是记忆有技巧,“死记”之后会“活用”。

不记住那些基础知识,怎么会向高层次进军?

尤其是语文学科涉猎的范围很广,要真正提高学生的写作水平,单靠分析文章的写作技巧是远远不够的,必须从基础知识抓起,每天挤一点时间让学生“死记”名篇佳句、名言警句,以及丰富的词语、新颖的材料等。

这样,就会在有限的时间、空间里给学生的脑海里注入无限的内容。

日积月累,积少成多,从而收到水滴石穿,绳锯木断的功效。

论文题目：

Q550低碳微合金钢热变形行为研究

这个工作可让学生分组负责收集整理,登在小黑板上,每周一换。

要求学生抽空抄录并且阅读成诵。

其目的在于扩大学生的知识面,引导学生关注社会,热爱生活,所以内容要尽量广泛一些,可以分为人生、价值、理想、学习、成长、责任、友谊、爱心、探索、环保等多方面。

如此下去,除假期外,一年便可以积累40多则材料。

如果学生的脑海里有了众多的鲜活生动的材料,写起文章来还用乱翻参考书吗?

姓名：

班级：

学号：

教师范读的是阅读教学中不可缺少的部分，我常采用范读，让幼儿学习、模仿。

如领读，我读一句，让幼儿读一句，边读边记；第二通读，我大声读，我大声读，幼儿小声读，边学边仿；第三赏读，我借用录好配朗读磁带，一边放录音，一边幼儿反复倾听，在反复倾听中体验、品味。

高强度低合金钢具有较高的屈服强度，良好的焊接性能，冷加工性能良好，特别是在弯曲和板厚方向上的塑性性能良好，断裂韧性高，较低的韧脆转变温度，良好的热加工性能等等。

因此被广泛应用于建筑、船舶、高压容器、管材、线材、车辆、工程机械等行业。

这类钢材能够这么广泛地的应用于各个行业。

我国在20世纪80年代末就开始开展了相关方面的研究和开发，2019年就启动了新一代钢铁材料的重大基础研究项目，为实现新一代超细化、低成本、节能型钢种的开发，发展了低碳贝氏体钢的组织细化跟组织控制技术，基本实现了中温转变组织超细化及性能的大幅度提高，该技术现在已经在我国冶金企业全面推广和使用。

Q550属于高强度低合金钢，它在生产制备时采用控制轧制和控制冷却工艺，微合金元素使钢的奥氏体在转变之前的热变形过程中达到了合理的组织状态，在转变后得到更细小的铁素体晶粒，从而使钢具有高强度和高韧性的配合。

而金属的高温塑性变形行为是制定其挤压、轧制、扭转等热加工工艺的理论依据。

所以研究Q550低碳微合金钢高温塑性变形时的流变应力行为、σ-ε-T相关性、变形条件与组织和性能间的关系以及变形过程中的回复和再结晶行为等，从而为Q550低碳微合金钢的挤压、轧制等热加工组织与性能控制、工艺制定、模具设计、设备选型等提供理论依据和实验基础[1～5]。

本综述将简单介绍Q550的研究现状，热变形理论基础，物理模拟和数值模拟，动态再结晶，明确论文的研究内容。

一、研究现状

研究材料的热变形行为，流变应力是材料在高温下的重要变量之一，是表征合金和金属的变形能力的一个基本变量。

流变应力的变化对应着在变形过程中合金和金属的显微组织演变，利用流变应力值能量化分析模拟合金的变形过程。

在热变形过程中，变形温度、应变量、应变速率是影响流变应力行为的三个重要参数。

在我国20世纪80年代初已经开始了“控制轧制、控制冷却”这一领域的研究，在实践中也积累了丰富的有关轧制组织和工艺参数的数据。

重钢股份公钢研究所的陈文满、李利、肖亚等[6]分析了研制CGQ550D钢板的工艺和技术难点，研制出了采用低碳贝氏体钢成分设计，利用控轧控冷配合热处理技术来生产550MPa级别的工艺；太钢集团临汾钢铁有限公司的段双霞[7]运用了金相检验、金相显微硬度、力学性能测试等手段研究了Q550D钢板延伸率不合格的原因并得出Q550D钢中由于成分偏析而引起带状组织、MnS钢中硫化物夹杂多级别高还有内部疏松缺陷是钢板轧制后延伸率不合格的主要原因，提出可以用热处理技术来解决；吕斌、宋波[8]通过对Q550成分设计、生产以及轧制情况进行分析，找出了合理成分组成，提出在冶炼工序中利用不锈半钢增加镍、铬的含量以满足钢板成分需要的途径；杨道和[9]针对Q550D在焊接过程中出现的常见问题提出了相应的解决办法；林鹏、严慧成等[10]研究了Q550D在不同装炉温度下的组织演变过程，并探讨了加热制度，最终得到了在不同加热制度下淬火之后的金相组织得出Q550D钢理想的热装区间是共析线温度下的低温区；蒋庆磊、李亚江等[11]在不预热条件下采用不同合金成分焊丝焊接Q550钢，研究了焊丝中的合金对焊缝组织、接头抗拉强度及冲击韧性的影响；冯路路[12]采用中碳高Mn的微合金化设计，采用TMCP工艺在两阶段轧制并加速冷却最终生产出了符合性能要求的Q550钢板；董现春、张熹等[13]采用斜Y裂纹敏感性实验、焊接热影响区最高硬度试验研究了Q550D钢板的冷裂纹敏感性；张武斌[14]研究了轧制和冷却工艺对550MPa汽车钢板组织性能的影响，分别试验和调整了加热温度、终轧温度、轧制压下率等轧制工艺参数和卷取温度、卷取模式等冷却工艺参数对550MPa级别汽车钢板组织金额性能的影响。

二、热变形理论基础

热变形是金属变形的一种，金属在再结晶温度以上发生的塑性变形。

热变形机制指的是热加工过程中微观组织的变化过程及原理，热变形过程中钢的奥氏体再结晶行为包括动态再结晶、动态回复、超塑性变形、各种微观裂纹的形成、流变失稳和热加工过程中的析出溶解等过程。

在热变形条件下，随着位错数量的增加，位错运动会使部分位错消失或重新排列，而畸变能累积到一定程度就会发生再结晶，使更多位错消失。

这两个过程同时在进行，并贯穿在热加工变形的全过程中，根据这两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。

钢在热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在，而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。

自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形加工。

热塑性变形的主要目的是通过发生动态再结晶来获得满足使用要求的性能及晶粒组织。

为了更加系统深入地研究合金的热变形特征，首先对金属材料热变形过程中的力学行为及微观机理要有全面的认识，因此有必要对热变形过程中的动态软化行为和典型流变应力曲线特征进行概述。

1、流变应力曲线特征

由于变形条件的不同，热变形过程的流变应力曲线可能会出现如下不同的几种类型（如图1）：

（1）只发生加工硬化（曲线a）

（2）只发生加工硬化与动态回复（曲线b）

（3）发生连续动态再结晶（曲线c）

（4）发生不连续动态再结晶（曲线d）

图1热变形的流变应力曲线类型

在热变形过程中，由于材料各部分受力不均匀，使不同部位的再结晶过程进行的先后不同，因此产生了连续的动态再结晶（曲线c）和不连续的动态再结晶（曲线d）两种情况，对于这种现象，各国学者从不同角度进行了解释，归结起来大致有三种结论：

（1）Luton和Sallar等人[15]认为如果发生动态再结晶的临界应变

大于动态再结晶所需要的应变量

则当第一轮再结晶完成时，再结晶晶粒位错密度未能达到发生新一轮动态再结晶的临界值，因而曲线表现为多峰，也就是发生不连续动态再结晶；相反，如果

，那么几个再结晶循环就可以重叠的进行，曲线就表现为单峰特征，也就是发生连续动态再结晶。

（2）R.Ding和Z.X,Guo[16]则充分考虑了晶粒内部位错密度跟晶粒尺寸的影响，假设动态再结晶形核的位置为原始晶粒的晶界，当动态再结晶开始后，如果原始晶界都已经成为再结晶核心，新晶粒的位错密度还没有达到发生新一轮动态再结晶的临界值，就需要应变量的进一步增加，这时候则发生不连续的动态再结晶；反之，原始晶界被消耗之前，若新晶粒的位错密度就达到了产生新一轮动态再结晶的临界值，则发生连续动态再结晶。

（3）Saksi[17,18]等人在试验中发现，流变应力曲线特征与再结晶晶粒尺寸

跟原始晶粒尺寸

的比值有关：

当

时，则由于原始晶粒较小，晶界面积较大，可以形成足够多的再结晶核心，有利于不同部位再结晶的同时发生，从而形成多峰值得流变应力曲线，相反，若

，则没有足够的晶界用于再结晶形核，在同一时刻试样的不同部位将会处于再结晶过程的不同阶段，因而流变应力曲线表现为单峰值特征。

典型热变形流变应力曲线可分为三个阶段[19]（以曲线（b）为例）：

（1）加工硬化：

一方面，由于位错密度不断提高，造成材料发生加工硬化，另一方面，由于变形在高温条件下进行，在变形过程中所产生的位错一部分通过滑移和攀移的方式，异号位错相互抵消或滑出表面而消失，一部分则可以重新排列形成亚晶界，从而发生动态回复。

随着变形量的不断增加，位错密度不断增大，位错消失的速度也不断增大，使得加工硬化速率减弱，因此第一阶段曲线的斜率越来越小，但是总体上加工硬化还是起主导作用。

因此流变应力随着变形量的增加而增加，直到变形储存能达到动态再结晶临界值为止。

（2）部分动态再结晶：

当流变应力达到峰值以后，随着变形量的进一步增加，流变应力反而减小，这种现象发生的原因是由于金属内部的畸变达到一定程度后，变形储能达到临界值，变形的晶粒组织将会重新形核并长大，从而形成动态再结晶过程，使得更多的位错消失。

随着变形量的增加，动态再结晶的速度加快，在这一过程中由于位错增殖所造成的加工硬化越来越多的被动态再结晶所抵消，达到峰值之后，动态再结晶过程开始占据主导作用，流变应力开始下降。

随后，由于变形储能在再结晶过程中得以释放，动态再结晶速度也因为驱动力的降低而变得相对缓慢，流变应力的下降速度也变缓，当变形量达到某一数值后，变形的晶粒组织将全部完成动态再结晶过程。

在这一阶段中，既有未发生完全再结晶的晶粒，也有位于晶界处等轴的新晶粒。

（3）完全动态再结晶：

变形量继续增大，达到某一定值之后，流变应力维持在某一稳定值处，这时加工硬化与动态再结晶达到了动态平衡，此时位错的增殖与消失趋于稳定，晶粒组织均为动态再结晶所形成的新晶粒。

2、热变形过程的软化行为

在金属发生热变形的过程中，一方面由于晶粒形状、晶粒尺寸的变化，晶粒间将会产生碎晶，晶格发生扭曲，因此增加了滑移阻力，从而产生了“加工硬化”的现象，在力学行为上表现为强度和硬度上升，塑性和韧性下降；另一方面，由于热变形过程中温度比较高，原子运动相对剧烈，金属内部产生位错的原子将恢复正常的排列，从而消除晶格扭曲，加工硬化部分被消除，这一过程称为动态回复。

随后由于变形量的进一步增大，导致位错密度不断增大，变形储能也得以增加，当变形量增大到某一临界值以后，变形晶粒将会依附某些亚晶或杂质相而生长形成新的晶粒，从而完全消除晶粒内部的加工硬化，这个过程则称为动态再结晶[20]。

动态回复得以进行的原因是由于原子激活能升高，运动加剧，晶格缺陷减少，力学性能在一定程度上得以恢复。

温度较低时，主要得力于点阵缺陷的运动和点缺陷之间相互结合，在较高温度下，位错运动加大，异号位错则通过交滑移和攀移两种形式相互抵消，并且出现了亚晶的合并和长大，位错密度得以降低。

动态再结晶是通过形核与核长大，最终形成无畸变的新晶粒的过程，可以完全消除加工硬化，其形核机制主要有[21]：

（a）对于层错能较高的金属，变形量较大时主要通过亚晶合并形成大角度晶界，再由于晶界的迁移，扫除了位错而形成再结晶晶粒核心；（b）对于高层错能金属，当变形量较小时，由于相邻晶粒间位错密度差较大，迫使晶界移动，晶界扫过的区域，位错密度得以降低而形成再结晶晶粒核心；（c）对于层错能较低的金属，由于位错密度较高，易于形成位错胞，同时由于位错间的位相差较大，胞壁易于转变为大角度晶粒并且向外迁移，因而形成再结晶核心。

三、物理模拟和数值模拟

在材料科学研究中，为了评价工艺方案对材料性能或产品质量的影响，过去多采用反复试验的方法，这种单凭多次试验的“经验”性的方法不仅要消耗大量时间、人力跟财力，而且还不能全面认识材料在工艺过程中的变化规律。

现代物理模拟技术和数值模拟技术的发展和结合大大的改善了材料加工工艺的优化手段。

本研究也正是使用这两种方法来研究来Q550的高温变形特征。

1、物理模拟技术在材料加工变形研究中的应用

物理模拟技术，从广义上来说是指缩小或者放大试样比例、或简化条件、或代用材料，以试验模型来代替原型的研究，物理模拟是工业实际过程在试验设备上的再现，是一种重要的科学分析方法和工程研究手段。

对于材料加工来说，物理模拟则通常是指利用小试样，借助于试验装置再现材料在制备或加工过程中的受热、受力的物理过程，充分的暴露和揭示材料或构件在热加工过程中的组织和性能的变化规律，评定或者预测材料在制备或者在加工过程中可能会出现的问题，为材料加工工艺的合理制定以及新材料的研制提供理论指导和技术依据[22~24]

物理模拟技术的发展与物理模拟试验装置的不断完善是密切相关的。

当前国际上应用于材料加工领域的物理模拟试验机大致分为三大类[25]：

第一类是以研究热变形加工为主要目标的，以日本富士电波工机株式会社生产的THERMECMASTOR-Z为代表热加工模拟器，其不足之处是在高应变速率时不易模拟，而且快速冷却保留变形时组织有困难；第二类则是以美国动态系统公司开发和生产的Gleeble系列热模拟机，这是在世界各国最为流行的物理模拟试验设备，其热变形加工模拟采用了计算机控制的液压侍服系统、直接电阻加热系统、负荷传感器及激光测变形系统、快速冷却系统、ISO-T压头和激光夹头系统以及低值力测力夹头系统，使热变形加工模拟功能基本趋于完善；第三类则是热加工扭转模拟试验机，这类试验机在法国、加拿大还有一些欧洲国家应用较为广泛。

本研究选用Gleeble-1500试验机。

2、数值模拟技术在材料加工变形研究中的应用

数值模拟则是利用合适的数值分析方法，以数值的形式再现实际加工过程，也就是把物理模拟的实验结果与数值分析技术特别是有限元技术结合起来，进而研究材料在塑性加工过程中的变形情况，温度，应力，应变的分布规律和微观组织的变化情况。

随着计算机技术的飞速发展以及数学算法上的改进，三维模拟技术已经越来越成熟，并且开始在工业界得到广泛的推广和应用。

利用样本估计

的问题称为Y关于x的回归，如果

为线性函数，即

，这时估计

的这类问题称为一元线性回归。

假设：

对于x在某个区间内的每一个值均有

式中：

a、b、

均为未知参数。

我们对Y作正态假设，也就是要讨论下面这样的样本模型：

（1-7）

式（1-7）叫做一元正态线性回归模型，我们先讨论这种问题。

由样本通过一定的方法可得到式（1-7）中a、b的估计

和

，对于给定的x，我们取

作为

的估计，我们则称方程

为关于Y关于x的线性回归方程，其图形则称为回归直线。

对样本（x1，y1），（x2，y2），…，（xi，yi），…，（xn，yn），由式（1-7）有

（1-8）

考虑a，b的函数

（1-9）用最小二乘法估计a，b，使

。

分别取Q关于a，b的偏导数，并令其为0，有

（1-10）

得出方程组

（1-11）

式（1-11）叫做正规方程组。

由于

则式（1-11）改写为：

因为xi不完全相同，方程组的系数行列式不为0，即

所以方程组有唯一的一组解，解出a，b，即为

，

。

（1-12）

由于

（1-13）

则式（1-12）可以改写为

（1-14）

其中Sxy，Sxx按式（1-13）计算。

因此所求线性回归方程为

。

（1-15）

上面我们讨论了一元线性回归方程，下面继续讨论多元回归模型。

（1-16）

式中b0，b1，b2，…，bk，

都是未知参数。

（1-17）

是一个样本。

和一元线性回归类似，我们用最小二乘法估计参数b0，b1，b2，…，bk。

考虑函数

（1-18）

使

。

分别求Q关于b0，b1，b2，…，bk的偏导数，并令其为0。

（1-19）

式（1-19）的等价形式为

（1-20）

式（1-20）称为正规方程组。

我们用矩阵运算方法解正规方程组，先引入矩阵

X=

，

，

。

这样，根据矩阵的运算规则，式（1-20）可以表示为矩阵形式：

（

表示X的转置矩阵）。

（1-21）

假定

存在，在式（1-21）两端同左乘

有：

（1-22）

这就是B的估计

，即

（1-23）

方程

（1-24）

称为k元线性回归方程。

四、动态再结晶

再结晶组织的演变：

形变过程中随应变量增大微观组织发生变化的过程为:

变形初期的加工硬化→部分再结晶阶段→全部再结晶阶段

动态再结晶是一种非常普遍而重要的变形机制，它的发生与发展使得更多的位错消失，材料的软化速度明显加快，材料的变形应力很快下降。

动态再结晶是在热变形过程中发展的，即在动态再结晶形核长大同时持续进行变形的，这样由再结晶形成的新晶粒又发生了变形，产生了加工硬化，富集了新的位错，并开始了新的软化过程。

加热温度低，变形时原始奥氏体晶粒尺寸小，发生动态再结晶所需变形量相对小，孕育期短，相对容易发生动态再结晶。

动态再结晶的发生要有温度补偿因子Z和变形量ε之间的关系来局等。

动态再结晶是一个混晶组织，其平均晶粒尺寸D只由加工条件Z来决定，Z和D的关系符合Z=A

，Z愈大（即变形温度低，变形速率大）则D愈小。

并且与初始晶粒的尺寸

无关。

动态再结晶对变形参数是非常敏感，会显著地受到热加工过程中变形温度和应变速率的影响。

而变形温度和应变速率通过影响动态再结晶的形核和长大行为来实现对再结晶组织的影响。

一般应变速率增大会导致动态再结晶晶粒细化。

细化原因如下，

（1）应变速率增加，位错密度也相应地增加，晶内亚结构丰富，满足“尺寸和取向差异”的形核概率增大，即形核率N增大。

（2）在形核后的长大过程中，长大驱动力是再结晶晶粒与原始晶粒的形变畸变能之差，变形速率越大，新再结晶晶粒内也很快具有了较大变形畸变能，长大驱动力相应越小。

变形温度对动态再结晶的影响有两方面：

通过促进动态回复而影响动态再结晶的形核；增大扩散速率而增大再结晶晶粒长大速率。

动态再结晶组织是存在一定加工硬化程度的组织，因此在平均晶粒度尺寸相同的时候，动态再结晶组织比静态再结晶组织有更高的强度。

从生产上控制奥氏体晶粒度的角度来说，奥氏体动态再结晶的晶粒大小仅由Z参数来控制，Z值有变形温度和变形速度确定。

如图2：

图2变形奥氏体不同条件下的动态再结晶行为

（a）1s-1,（b）0.5s-1,（c）0.25s-1,（d）0.1s-1

1:

900℃,2:

950℃,3:

1000℃,4:

1050℃,5:

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1150℃

五、研究内容

1、在Gleeble-3800热力模拟试验机上进行高温等温压缩试验，获得Q550低碳合微金钢的流变应力曲线，探明其在高温等温压缩变形条件下的变化规律。

2、分析在试验变形条件范围内流变应力与热变形条件之间的关系，以及变形过程中的加工硬化、回复和再结晶行为等，得出了试验钢的形变激活能Q，并建立了试验钢的热加工方程和流变应力数学模型，为高强结构钢热加工组织与性能控制、工艺制定、模具设计、设备选型等提供理论依据和实验基础。

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