硕士学位论文-45#优质碳素结构钢的热变形行为研究.pdf

重庆大学硕士学位论文45#优质碳素结构钢的热变形行为研究姓名：游红申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：黄光杰刘加才20070418重庆大学工程硕士论文中文摘要摘要本文利用Gleeble-1500热力模拟试验机，采用高温等温压缩试验方法，获得试验数据，对45钢的高温塑性变形流变应力行为进行了研究。通过数学回归分，研究了该合金高温塑性变形过程中的峰值流变应力or、应变速率占和变形温度T之间的相关性。并采用扫描电镜观察高温拉伸断口，并对断口形貌进行了分析，进而研究了45钢的断裂机制。最后对45钢的化学成分和热轧工艺进行了优化，得到了比较理想的性能指标。主要内容如下：45钢在温度为11231273、应变速率分别为001s1、O1s-1、1s-l，5s，高温塑性变形时存在一峰值应力。45钢高温压缩塑性变形时，峰值流变应力盯、应变速率s和变形温度T之间符合双曲正弦函数关系。采用回归分析方法，求出了45钢高温塑性变形的四个材料常数：变形激活能Q、结构因子A、应力指数n和应力水平参数a值，以及峰值流变应力方程。45钢高温拉伸断口出现大量韧窝，断裂以韧性断裂为主。通过化学成分和热轧工艺参数的优化，45钢的性能得到了改善。关键词：45钢，高温塑性变形，峰值流变应力，断口，断裂机制，优化独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞塞堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学雠文储签名：【侈勿签字日期2司年一月斯学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密(镬)，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密(V)。(请只在上述一个括号内打“4”)学位论文作者签名：纱髫台亿签字日期：司年l，月厂日导师签名：茎蟛导师签名：鱼乏珍签字日期：如矽年i月夕日重庆大学硕士毕业论文1绪论1绪论11课题背景随着世界经济的发展和贸易的增长，汽车、摩托车需求量不断上升，到了21世纪，汽车工业经过200多年的发展，汽车用钢向高安全、高强度、轻型化方向发展，汽车工业有着广阔的发展前景【l】中国汽车工业自上世纪五十年代开始生产运输及工程机械类车，但产量规模和质量水平都不太高，进入八十年代后期，随着我国改革开放的力度不断加大，国际汽车知名品牌进入我国后，其汽车、摩托车制造业得到快速的发展，并大规模进入国际市场，汽车工业已逐步成为我国支柱产业之一。根据中国汽车工业总公司统计和规划【2】，2006年我国汽车工业的年销售收入达到5300亿元，到2010年，可望达到l万亿元。预计在不久的将来，中国将成为世界汽车制造大国、强国。汽车业的兴旺，使汽车用钢材的消耗大量增加，给冶金制造企业也带来了机遇。由于汽车零部件多由钢铁材料制造，所以汽车工业是消耗钢铁较大的行业。而45钢广泛应用于汽车的结构件制造，其产品技术含量相对较高，附加值也越高。生产优质碳素结构钢和合结圆钢，可以促进公司工装设备、技术、管理水平的提高，能为公司创造可观的经济效益。因此，国内各钢铁企业纷纷将汽车用铜作为生产的重点，努力扩大汽车用钢产量。我国每年消耗汽车用钢材1000万吨左右。随着汽车制造工业的发展，对钢材具有优良强韧性、可焊性和高表面质量的需求在不断增长，对材料的要求愈加苛刻。汽车制造业都要求钢材要具有强度、ob的匹配及稳定性，韧性及塑性的富余值，以满足汽车在高速行驶或遇突发事故中的高安全性，要求汽车用钢具有抗裂纹扩展和抗脆性断裂。韧塑性指标必须留有相当余地，以补偿在各种热、冷加工导致的材质性能下降，尤其是重要部位如汽车传动轴、齿轮等需要抗裂性较好的材料。要求低温条件下具有较低的韧脆性转交温度，即良好的低温韧性。因此方面材料必须具有良好的可焊性，同时要满足对材料的冷、热弯及水火弯板等成形操作，不致形成表面损伤及产生微细裂纹【”。我国制定了优质碳素结构钢和低合金结构钢的化学成分、机械性能国家标准GB699，主要要求如表11和表12所示。重庆大学硕士毕业论文1绪论表11化学成分化学成分(熔炼成分)wt牌号CMnSiPSCrNiCu35O32o3945042-050O50旬80O1737璺00351抑035_tO251田301D2560057加6580077加8515hIO12o1820hlO17旬23O70一1JDoO17o37卯0359035郢251ID30：iD2535N缸O32加r3940MnO37加44表12板材性能要求推荐热处理温度力学性能钢材硬度试样毛oboI65wAhHBRSl03000牌号坯K瞳a口aJ不大于尺正火淬火回火寸mm未热不小于退火处理490295215063179，3088086060035870850600530315204555197，452585084060060035516403922919760810|80820820480675400121080930630，2852414102452655|16315Mn920|4502752450l197，20Mn910，560335L8455522919735Mn2587085060040Mn86084060059035517454722920712重钢汽车用钢生产现状随着铁水预处理脱硫工艺、转炉复吹工艺、LF精炼工艺、连铸电磁搅拌工艺、棒线材轧制工艺正常化，钢质不断提高，品种不断扩大，但重钢长期以来极少开发汽摩用钢。汽车、摩托车工业已成为重庆经济的第一大支柱产业，它的生产量、钢材耗量、常用规格、质量要求、供应单位等一系列情况均不清楚。为此，钢铁2重庆大学硕士毕业论文1绪论股份公司于2003年9月21日成立了重庆市汽车、摩托车行业用钢情况调查组，调查组紧紧围绕重庆市汽车、摩托车行业用钢情况开展了以下具体工作：负责拟制了一份关于重庆市汽车、摩托车行业用钢情况调查大纲。为了提高工作效率。成立了汽车组、摩托车组，每组五名成员。各组根据调查大纲，分别对重庆市汽车、摩托车各生产厂及其配套厂进行逐一调查。调查内容包括近几年来汽车、摩托车年生产量、钢材耗量、钢材牌号、常用规格、质量要求、供应单位、钢材存在的主要问题等。收集整理目前汽车、摩托车行业用钢供应单位情况。包括炼钢、轧钢工艺装备情况、生产能力、产品质量状况等。分析了重钢汽车、摩托车用钢生产能力。明确提出了重钢应着重开发哪些汽车、摩托车用钢品种。重庆市汽车、摩托车行业用钢情况调查报告于2004年4月20日验收鉴定后，对公司领导在品种开发决策上起到了重要的参考和指导作用。钢铁股份公司制定了汽车、摩托车用钢开发大纲，仅2004年便开发出35、45碳结圆、40ar、20CrMo合结圆钢近10万吨，年刨利润达5000多万元。在钢铁股份公司重点品种和试验品种钢生产中，负责制订冶炼、精炼、连铸试制工艺技术规程，并且全科室工程技术人员经常深入现场，分岗位值班，加强质量控制，确保了新产品按时保质保量地完成了试制开发任务。2003年全年开发全新品种18个，其中方坯品种5个，板坯品种13个，生产新产品钢种61个3746炉合计281313t。2004年全年共开发全新产品14个，其中方坯品种7个：45(棒)、Q345C(方)、Q345B(管)、20ct(方)、Q345B(棒)、20CrMo(棒)、80，板坯品种7个：CGIE0921、LF390、SA-612M、SA-662MGrC、LF590、Q390一B及14MnMoVg；全年共生产新产品61个5754炉合计428558908t，其中锚链钢、高碳钢已分别形成月产5000t、10000t的生产能力。13汽车用钢重钢公司生产内控标准重钢股份公司根据炼钢、轧制等生产水平，制定了汽车用钢(优质碳素结构钢和低合金钢)的生产内控标准，其主要内容为钢的牌号、化学成分机械性能、轧制要求、交货状态及钢级标志规定等，简介如下。13，1牌号和化学成分重钢股份公司制定的012-120mm的优质碳素结构钢和低合金体结构用圆钢牌号和化学成分、化学成分的允许偏差、残余元素允许值如表13，14，15所示。当需方要求时，按炼钢熔炼成分市场计算圆钢的当量Ceq其计算公式为：Ceq=C+Mn6HC什Mo+、州5+(Cu+Ni)15表13优质碳素结构用钢和低合金结构钢的化学成分(wWo)Tablel3Thechemicalcompositionofthecarbonconstructionalqualitysteelandlow-alloy牌号CMnSiPSCr1ICu027050-017301抑0251Io025璺025郢25郢250340，80037043050-O17451D0251j0020璺D25翊251抑25050O800370，16一o80-017100-004Ni、Cu20C心Inl_152533(3群铸机)或单枪最高温度154032(1#和5撑铸机)、153533(3捍铸机)；5)l撑、5撑铸机电磁搅拌装置运行不正常，铸坯按流改判；6)浇注过程中换水口铸坯按段改判；7)中包液面高度_355Mpa相比，平均高出67Mpa，富裕量较大；抗拉强度的平均值为620Mpa(标准偏差为1225)，与国家标准ob：600Mpa相比较，高出22Mpa，富裕值不大：延伸率的平均值为26，比国家标准16高出10，富于值较大；断面收缩率平均值为46，比国家标准40高出6，富于值较大。钢中有害元素P、S的平均值分剔为00232和001682，此含量较高。这两种元素都对45钢的实物质量的提高十分不利。硫的最大危害是使钢在热加工时开裂即形成热脆，特别是级别较高的硫化物类夹杂和基体界面在受力情况下将产生应力集中，从而降低高强度船钢的延伸和冲击。钢中磷的危害在于使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度升高，重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析使钢变脆。因此，高强度船钢中的P、s含量处于较高水平时，对塑韧性都会生产不良影响。51245圆钢化学成分与力学性能的直方图分析直方图分析在数理统计中可用来显示分析批次的质量分布特征。通过各参数的直方图分析，可以估计或预测该参数的质量水平。在本次数理分析过程中，具体的作法是将45圆钢实际测试的235批次中的各种基础数据，其中包括该批次的含C、Mn、P、S、屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率等参数收集起来，按照收集数据一计算组距，确定组界一计算各组中心值一计算各组频数一计算简化中心值一求平均值一求标准偏差一作直方图。作直方图时，是以45圆钢的化学成分或力学性能具体指标为X轴，以各批次出现的频数为Y轴，直方图柱形条顶部的数值代表该中心值在整个样本中出现的频次。相应的计算结果见图51图56，它们分别是含C、Mn、P、S、屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率等参数的直方图。C100图5145钢的含C量分布直方图Fi951TherectangularhistogramoftheCcontetttonthe45steel从图51可以看出碳含量的分布属正常型。国家标准中规定了45钢含碳量的范围为O42加50。样本中各个案的含碳量均在标准规定的范围内。通过数据统计及处理后可知，在平均值O45C附近出现的频数最高，随着偏离中心程度的加大，出现的频数渐渐减少。从直方图的形态来看，其左右对称性较好。统计中45钢含碳量处于合理的分布范围。个案中含碳量在O44048区间的频数占总样本数的78以上。重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析从图51可以看出碳含量的分布属基本正常型。国家标准中规定了45钢锰含量的范围为050-080。样本中各个案的含锰量均在标准规定的范围内。通过数据统计及处理后可知，在平均值O56Mn附近出现的频数最高，随着偏离中心程度的加大，出现的频数渐渐减少。从直方图的形态来看，其左右对称性较好。统计中的高强度船钢含锰量处于合理的分布范围。个案中含锰量在060-075区间的频数占总样本数的百分之九十以上。gn100图5245钢Mn含量分布直方图Fi952TherectangularhistogramoftheMncontentOilthe45steel37重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析S1000图5345钢S量分布直方图Fi953TherectangularhistogramoftheScontentonthe45steel从图53可以看出硫含量的分布属基本正常型。国家标准中规定了45钢硫含量的上限为0035。样本中各个案的含硫量均在标准规定的范围内。通过数据统计及处理后可知，在平均值001682S附近出现的频数最高，随着偏离中心程度的加大，出现的频数渐渐减少。从宣方图的形态来看，硫含量较偏向高硫侧。个案中含硫量在O015-0024(P在高于平均值)区间的频数占总样本数的百分之八十以上。故统计中的45钢含硫量绝大部分处于较高的分布范围。因此总体来说，公司45钢的硫含量处于较高水平，这将降低钢的塑韧性，并且使钢板的性能产生波动。故炼钢中要加强脱硫控制，以净化钢质。重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析频数pxl000图5445钢P含量分布直方图Fi954Therectangular妇togramofthePcontentonthe45steel从图54可以看出磷含量的分布属正常型。国家标准中规定了45钢磷含量的上限为0035。样本中各个案的含磷量均在标准规定的范围内。通过数据统计及处理后可知，在平均值00232P附近出现的频数最高，随着偏离中心程度的加大，出现的频数渐渐减少。从直方图的形态来看，磷的分布较偏向高磷侧，即统计中的45钢含磷量处于较高的分布范围。个案中含磷量在O017-4)027区间的频数占总样本数的百分之八十七以上。钢中磷的危害在于使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度升高，使钢变脆，故炼钢中要加强磷含量的控制，以净化钢质，进一步提高钢的性能水平。重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析ys图5545钢屈服强度分布直方图ri955TherectangularhistogramoftheyieldstrengthOilthe45steel65图5645钢塑性分布直方图Fi956Therectangularhistogramoftheplasticityollthe45steel从图55和56可以看出45钢屈服强度的分布属不正常型，延伸率的分布属40频数重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析正常型。国家标准中规定了45钢屈服强度下限为355MPa。样本中各个案的屈服强度在标准规定的范围内。通过数据统计及处理后可知，在平均值422MPa附近出现的频数最高，随着偏离中心程度的加大，出现的频数渐渐减少。从直方图的形态来看，其左右不对称。个案中屈服强度400-425MPa区间的频数占总样本数的百分之八十以上从分析和比较可知，45钢屈服强度的富裕量水平较高；延伸率富于量较大。513熔铸过程中化学成分与相关参数优化表52是45钢冶炼终点控制及铁水硫含量的控制，从表中可以看出，经过调整工艺参数，钢水中包温度更加稳定，终点C有所提高，尤其是P、S含量大幅度下降，45钢钢质纯洁度有所提高。表53是45钢LF精炼工艺参数的控制情况，从表53中可看出，45钢的LF精炼工艺参数得到进一步优化，P、S含量得至有效控制，脱硫效率明显提高，对降低45钢中夹杂物含量具有较好的作用，但平均S含量还相对还较高，此工艺还不能完全满足低硫钢的生产需要。T幻le52表5245钢冶炼终点控制及铁水硫含量的控制冶炼终点参数铁水硫含量的控制炉号T，C膈P，s，SN10101010X16350n001400251田030)1615O，900100009Xm165001300170035表5345钢LF精炼工艺参数控制情况the45steelLF工艺参数炉号进LF出LF工序时间精炼时间(min)(min)T，C慌S丹a1ycsN1010101010102020X1530045002315450450013534741重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析x曲1498O4800101538049O0054438x。1545O。4400351558O440018635652加热制度对45圆钢热轧性能的影响奥氏体晶粒尺寸的大小直接影响到轧后晶粒尺寸。在常规轧制工艺中，钢坯在连续加热炉内一般加热到1200左右。有资料表明，在控制轧制中，在加热含Nb、T1和Mo等低合金钢时，当加热温度达到1050时，Nb、Ti和Mo的化合物开始溶解，奥氏体晶粒开始长大。随着加热温度的提高，奥氏体晶粒进一步长大，到1150时奥氏体晶粒长大比较均匀。超过1180时，由于晶界的C、N化合物完全固溶，对晶粒长大的阻止作用消失，奥氏体晶粒开始急剧长大，当达到1200时，奥氏体晶粒因急剧长大而租化。因而坯料的加热温度应不超过1180。因此降低加热温度，利用晶界Nb、Ti等的碳、氮化合物对晶粒长大的抑制作用，取得细化晶粒的效果，45钢属于中碳钢在1150晶粒开始长大。因此，降低加热温度可以缩短在高温区轧后停留的时间，避免再结晶的奥氏体晶粒在高温区不断长大而得到粗大的晶粒直径，不利于韧性的改善。故一般认为钢坯在1150加热最适宜。这一理论在试验中得到了很好的印证。在该试验中实际测到的结果如图57所示。从图57钢坯加热温度与奥氏体晶粒大小关系中可知，高强度船钢加热过程分为二个温度阶段，第一阶段温度范围为900-1050区间，钢的奥氏体比较细小，其尺寸变化不显著，如上所述，这是由于含Nb、Ti钢的奥氏体晶粒被Nb、Ti的化合物钉扎住了晶界：第二阶段温度在1050-1200区间，随着加热温度的提高，钢的奥氏体晶粒长大比较猛烈，这主要是在1050后铌、钛的碳化物溶解，奥氏体晶界失去了钉扎作用而迅速长大。300220015010050O900105011001200温度图57加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响Fi957Theaffectionoftheheattemperatureandau忸tenitic鲥linsize重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析奥氏体晶粒尺寸的长大，将导致转变后的组织粗大，如前所述的Hall-Pccth理论可知，粗大组织直接影响到钢材的性能，特别是低温冲击韧性。我们在制定轧制工艺时，就充分考虑到在奥氏体再结晶区域轧制时道次之间间隙要小、道次变形量要足以使变形晶粒完全再结晶，这样在加热温度方面，就可选择1150-1200范围的较高加热温度。从试验结果来看，在1050-1200的较高温度加热尽管奥氏体晶粒长大迅猛，但对45圆钢的的性能影响不明显，而且有利于加快轧制节奏和减轻轧机负荷。53热轧工艺制度的优化轧钢通过控制钢坯的加热温度和加热时间，严格控制钢坯上、下表面温差不能大于50，铜坯加热温度均匀，轧制严格控制轧钢压下操作规程，高压水除磷运行正常，减少圆钢表面氧化铁皮，其终轧温度控制在5900C，热锯圆钢堆冷后检验入库，经检验其性能见表54。表5445圆钢热轧状态的性能力学性能规格成材率合格率mm吼ab6sl，硬度MPa舻aHRB4405640627846219950189130975475-41566563529也449-42217178415863882794652087中2296169824453956656352争v2448-422351804451653526846819040259661985450-415660_62529以349-4020618242916374248468204502896989884453956401028之247|o219195435615126446219450309678986450390640-605282249-40206186425663922884051860359578982445-3956456202蝴4536203186从表54中可看出：通过对冶炼工艺参数的优化，钢质量纯洁度有所提高后，重庆大学硕士毕业论文5综合研究与优化分析轧制工艺参数的优化，控制其终轧温度，使其45圆钢的力学性能比优化前有所提高和改进，产品成材率平均提高035，合格率平均提高O31，屈服强度(os)平均提高10MPa、抗张强度(ob)平均提高15Mpa、延伸率(65)和断面收缩率(1I，)平均提高l。材料的表面硬度(HRB)平均提高lO个，其效果较为明显。从表55和56中可以看出，通过对铁水脱硫处理，钢水LF精炼处理后，其45钢中的气体含量和夹杂含量明显下降，尤其是S含量平均下降0005、夹杂物总量比试验前有所降低，其钢质纯洁度有一定的提高，这对改进45圆钢产品实物质量，降低用户质量索赔，提高产品市场占有率有明显的作用。表5545圆试验后的气体含量、名称【N】阻】【O】项目PPmPPmPnnN101010X463O50X血301330】745O76表5645圆钢试验后的夹杂物含量TableS6Theinclusioncontentaftertestinthe45roundsteel。貅MxOySi02A1203FeOCaOMgOMnO项目(总量)(占夹杂物的比例)NlO10lO10101010X000731035243865320272283Xm00031066302466O15033O80X0018920270052230432608506重庆大学硕士毕业论文6结论6结论在各试验条件下，流变应力曲线上均存在应力峰值，在峰值前，流变应力随应变量的增加而增大，达到峰值后流变应力随应变量的增大而降低。应变速率对高温流变应力的影响较大。在同样变形温度条件下，随着应交速率的提高，峰值应力增大。变形温度对高温流变应力的影响也很显著。在一定的应变速率条件下，随着变形温度的升高，峰值应力减小。峰值流变应力与应变速率、变形温度满足Arrhenius方程，通过计算证明了双曲正弦函数关系可以很好地描述流变应力和应变速率e、变形温度T的关系，相关系数达到O99以上，该结果进一步证明了45钢的热变形是受热激活控制的塑性变形过程。用作图法求解材料常数，得Qe3442kltool，A-9047x10”s-1，n=7064，a=000755mm2N。峰值流变应力方程为：圆047x10”Nrth(0007550)7oxp(-3442mr)】45钢高温拉伸断口出现大量韧窝，断裂以韧性断裂为主。通过对45圆钢冶炼工艺、连铸工艺和LF精炼工艺参数的优化、调整，纯净了45钢钢质，并对化学成分和轧制工艺的优化调整，其各项性能指标有了良好的改善，减少了用户质量异议，提高产品市场占有率。重庆大学硕士毕业论文致谢致谢本论文在黄光杰老师的关心和指导下得以顺利完成。从论文的选题到撰写，提供了许多资料，提出了宝贵的建议，黄老师的悉心教导和严谨的治学态度使我获益匪浅。在此，对黄老师的指导和关心表示最衷心的感谢和深深的敬意。感谢评阅论文和参加答辩的各位老师!游红2007年4月于重庆重庆大学硕士毕业论文致谢参考文献【1】王利，杨雄飞，陆匠心汽车轻量化用高强度钢板的发展钢铁叨2006。9(5)：9-12【2】苏凯，余际星，徐建兵新型汽车用高强度钢的应用现状与发展趋势阴钢铁钒钛，2006。12：27-30f3】陆培明，钱春华，童恬汽车钢制车轮行业的现状和趋势汽车工程【J】2006，5：32-35【4】徐洲Fe-32Ni合金高温变形与再结晶行为田金属热处理，1999，6：3-6【5】徐洲，酒井拓Fe5Ni合金奥氏体高温变形行为热加工工艺，1996，6：8-10【6】曲锦波，王昭东，刘相华，王国栋等HSLA钢板控轧控冷生产中组织性能的预测模型【J】钢铁，1999，34(1)：35-39【刀WANGLin-yuaFANYong-ge，eftFlowg眦ssandsofteningbehaviorofwroughtmagnesiumalloyAZ31Batelevatedtempe