（材料加工工程专业论文）cmn双相钢的组织形成机理研究及开发.pdf

、t 7f ? 。 l， ：一 i 飞 t 。 ad i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r e s f o r m a t i o nm e c h a n i c so fc m n d u a lp h a s es t e e la n d d e v e l o p m e n to f t h es t e e l b y l i uy a n c h u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gg u o d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 2 0 0 71 2 2 ，? _lvi卜 孵 0。#篱。lf， oi，t1六瞥斗， 节 j 0 jj蕊j j 一一。 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 ，并表示谢意。 学位论文作者签名：到秀着 日 期：伽扩哆见 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。+ ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签名日期：签名日期： 一弘， l卜f l _ i - 。矿 j - l r i 一 碡。，-j1】1 f l麓 4 节一 兮弋。 ，一 4 - h 东北大学博士学位论文摘要 c m n 双相钢的组织形成机理研究及开发 摘要 本文研究工作之初，作者认为“快速、大量析出的铁素体晶粒抑制了中温区剩余奥 氏体向贝氏体的转变，从而在低温区( m s 以下) 形成马氏体 ；而“c m n 钢中铁素体 晶粒快速、大量析出是c s p 生产流程的重要特点。因而，采用连续冷却工艺，在包 钢c s p 线上进行5 4 0 m p a 级c 。m n 双相钢的开发试验，取得令人满意的结果。虽然如此， 但猜测性的机理仍需从逻辑或理论上加以论证。因此，本文选题为“c m n 双相钢的组 织形成机理研究与开发”，确切地说，是对连续冷却条件下过冷奥氏体依次形成铁素体、 马氏体而不产生贝氏体( 或只产生微量贝氏体) 的相变动力学过程的研究。 通过推导连续冷却条件下“膨胀曲线”与“相变动力学曲线 之间的数学关系，获 得连续冷却条件下的表观意义上的相变动力学曲线。以连续冷却相变动力学曲线为基 础，建立不同类型相变之间以及同类相变不同阶段之间的临界温度和对应转变分数的分 析方法，命名为“a ，u s t i n - 掰c k 甜指数法 。利用a u s t i n r i c k e a 指数法，研究连续冷却条 件下奥氏体晶粒尺寸、冷却速度、c 含量对先共析转变过程的影响，解释连续冷却条件 下铁素体快速、大量析出的原因。通过研究快速、大量析出铁素体的先共析转变对剩余 奥氏体后续相变的影响，分析讨论了c c t 图中贝氏体区分离的可能性，建立连续冷却 相变过程中铁素体和马氏体双相组织的形成机理，并利用补充实验验证其正确性。 利用上述“双相组织形成机理 ，重新解释“在c s p 线，以普通c m n 钢为原料， 采用连续冷却工艺生产出5 4 0 m p a 级c m n 双相钢”的原因，分析c s p 工艺对于生产热 轧c m n 双相钢的适应性。根据“双相组织形成机理”，在包钢c s p 线安装“超快速冷 却 装置，扩大双相钢生产规格，实现低成本c m n 热轧双相钢的商业化生产。 在研究过程中建立的“获得连续冷却转变动力学曲线的方法”以及“a u s t i n r i c k e t t 指数法”，是一种研究连续冷却条件下相变规律的新思路；贝氏体区“分离 的c c t 图， 是采用连续冷却工艺开发热轧c m n 系双相钢的理论基础。 关键词：连续冷却；双相钢：相变动力学；膨胀曲线；a u s t f i l r i c k e t t 指数法 - 众，“ 、p，；咤 叭，、 jj蕾 呻 10_-， 。： 鐾 l “ p h d d i s s e r t a t i o no f n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t ya b s t r a c t r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r e s f o r m a t i o nm e c h a n i c so fc m n d u a l - - p h a s es t e e la n d d e v e l o p m e n to f t h es t e e l a b s t r a c t b e f o r et h ep r e s e n tw o r k , ap r e d i c t i o nw a sg i v e nb yt h ea u t h o r , a c c o r d i n gt oac o n j e c t u r e m e c h a n i c s ，w h i c hi st h a tt h ed u a lp h a s es t e e lc o u l db em a d eo fc m ns t e e lb yu s i n go n e s t a g e t y p ec o n t i n u o u sc o o l i n go nc o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ( c s p ) l i n e s i m p l y , t h ec o n j e c t u r e m e c h a n i c sc o n s i d e rt h a tt h ef a s t & l a r g e l yn u c l e a t i o nf e r r i t eg r a i ns u p p r e s st h er e m a i n d e r a u s t e n i t e - b a i n i t et r a n s i t i o ni nt h em i d d l et e m p e r a t u r es c a l ea n dm a k et h er e m a i n d e ra u s t e n i t e c h a n g et om a r t e n s i t eu n d e rt h em sp o i n t f e r r i t eg r a i nn u c l e a t i o nf a s t & l a r g e l yi st h e i m p o r t a n tf e a t u r eo ft h ec s pl i n e d u r i n gt h es u b s e q u e n ti n d u s ，t r i a le x p e r i m e n t s ，a5 4 0 m p a g r a d ec - m nd u a l - p h a s es t e e ls t r i pw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yb yu s i n gc o n t i n u o u sc o o l i n g p r o c e s so nb a o t o uc s pl i n e ，b a s e do nt h ep r e d i c t i o no f t h ea u t h o r t h er e s u l to ft h ep r e d i c t i o n w a sv e r i f i e dc e r t a i n l y h o w e v e r , t h ec o n j e c t u r em e c h a n i c sn e e dd e t e c t i n gi nl o g i co ri nt h e o r y b yn om e a n s t h e r e f o r e ，t h et o p i co ft h ep a p e ri st h a tt h er e s e a r c ho nt h es t r u c t u r e s - f o r m a t i o n ， m e c h a n i c si nt h eh o tr o i l e dc m nd u a l - p h a s es t e e lp r o d u c e db yu s i n gc o n t i n u o u sc o o l i n g p r o c e s s ，i e ，t h er e s e a r c ho nt h eo v e r - c o o l i n ga u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o nt ot h ef e r r i t ea n d m a r t e n s i t e ，b u tn ob a i n i t eo ro n l ym i c m s c a l e ，o nt h ec o n d i t i o no fc o n t i n u o u sc o o l i n g f i r s t l y , am e t h o df o ro b t a i n i n gt h et r a n s i t i o nk i n e t i c sc u r v ew a se s t a b l i s h e d ，b a s e do nt h e m a t h e m a t i c sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i l a t a t i o nc u r v ea n dt h et r a n s i t i o nk i n e t i c sc u r v e a l s o ， b a s e do nt h et r a n s i t i o nk i n e t i c s c u r v e ，an e wm e t h o d ，n a m e da u s t i n - r i c k e t tf o r m u l a e x p o n e n t ( a r e ) m e t h o d , w a sc o n s t r u c t e d ，w h i c hi su s e df o ra n a l y z i n go rd e t e r m i n i n gt h e c r i t i c a l t e m p e r a t u r ea n dt h ec o r r e s p o n d i n g t r a n s i t i o nf r a c t i o n a m o n gt h e d i f f e r e n t t r a n s f o r m a t i o nc o u r s eo rt h ed i f f e r e n ts t a g ei nt h es a m et r a n s f o r m a t i o nc o u r s e b yu s i n gt h e a r em e t h o d , t h ee f f e c t so ft h ea u s t e n i t eg r a i ns i z e ，c o o l i n gr a t ea n dc a r b o nc o n t e n to nt h e p r o e u t e c t o i dt r a n s i t i o n w e r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y t h ep h e n o m e n o no ft h ef e r r i t e l i b e r a t i n gq u i c k l ya n dm a s s i v e l yw a si n t e r p r e t e d t h ee f f e c to ft h ep r o e u t e c t o i dw i t ht h e f e r r i t el i b e r a t i n gq u i c k l ya n dm a s s i v e l yo nt h es u b s e q u e n tt r a n s f o r m a t i o no ft h er e s i d u e a u s t e n i t ew a sr e s e a r c h e d b a s e do nt h ec c tw i t ht h eb a i n i t ez o n e s e g r e g a t i o n ，t h e d u a l - p h a s es t r u c t u r e s f o r m a t i o nm e c h a n i c si nt h e h o tr o l l e dc m nd u a l p h a s es t e e lp r o d u c e d b yu s i n gc o n t i n u o u sc o o l i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d t h ev a l i d i t yo ft h em e c h a n i c sw a s h p h d d i s s e r t a t i o no f n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y a b s t r a c t c e r t i f i e db yas u p p l e m e n t a r ye x p e r i m e n t t h er e a s o nw h yt h ed u a lp h a s es t e e lw a sm a d eo fc m ns t e e lb yu s i n gc o n t i n u o u s c o o l i n go nb a o t o uc s pl i n ew a se x p l a i n e db yu s i n gt h em e c h a n i c s t h ea d a p t a b i l i t yo ft h e c s pl i n ef o rp r o d u c i n gd u a l p h a s es t e e l sw a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c s ，t h eh i 醢 r a t ec o o l i n g ( h r c ) d e v i c eh a db e e ni n s t a l l e do nt h ec s pl i n e i ti su s e df o ri n c r e a s i n gt h e 。 t h i c k n e s s s p e c i f i c a t i o no fd u a l - p h a s es t e e la n dp r o d u c i n gl o wc a s tc m nd u a lp h a s es t e e l c o m m e r c i a l l y m em e t h o df o ro b t a i n i n gt h et r a n s i t i o nk i n e t i c sc u r v ea n dt h ea r em e t h o di nt h e p r e s e n tw o r ka r et h en e wm e a t l qf o rs t u d y i n gt h et r a n s i t i o nr e g u l a r i t y0 nt h ec o n d i t i o no ft h e c o n t i n u o u sc o o l i n g a l s o ，t h ec c t 、析t hb a i n i t ez o n e s e g r e g a t i o n i st h et h e o r e t i c a lb a s i so n t h ea s p e c to ft r a n s i t i o nk i n e t i c sf o rt h ed e v e l o p m e n to fc m nd u a l - p h a s es t e e l s u s i n g c o n t i n u o u sc o o l i n gp r o c e s s 一k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc o o l i n g ；d u a l p h a s es t e e l ；t r a n s i t i o nk i n e t i c s ；d i l a t a t i o nc u r v e ； a u s t i n r i c k e t te x p o n e n t ( a r e ) m e t h o d - ， 鬻 1 、 。 二 、 东北大学博士学位论文 目 录 目录 声明i 摘要i a b s 认c t i i 1 绪论1 1 1 选题背景：_ 1 1 2 研究基础2 1 2 1 基本理论j o h n s o n 、m e h l 及a v r a m i 等的相变动力学研究2 1 2 2 基本研究途径相变动力学曲线和连续冷却转变曲线4 1 2 3 基本实验方法一膨胀法6 1 3 相关研究6 1 3 1 处理连续冷却相变问题的方法：6 1 3 2 在膨胀曲线上确定相变临界温度的方法；7 1 3 3 热轧双相钢的组织形成机理1 0 1 4 研究内容及文章结构13 2 膨胀曲线与相变动力学曲线的关系。1 5 2 1 等温膨胀曲线与相变动力学曲线的关系：1 5 2 2 连续冷却膨胀曲线与相变动力学曲线的关系1 9 2 ：3 、 线膨胀系数造成的误差：2 2 2 4 本章小结：2 4 3 连续冷却相变临界温度确定方法a u s 血r i c k e t t 指数法一2 5 3 1 a u s t i n - r i c k e t t 指数1 1 的变化与相变临界点的关系2 5 3 2 a u s t i n r i c k e t t 指数r l 的变化与铁素体形核位置变化的关系。2 9 3 3 a u s t i n r i c k e t t 指数法”的实验验证3 0 3 4 本章小结3 4 4 影响先共析转变过程的因素：一3 5 学位论文 目录 氏体晶粒尺寸对先共析转变过程的影响。3 5 实验原料3 5 4 1 2 实验过程一3 5 4 1 3实验结果与分析。3 6 4 2 冷却速度对先共析转变过程的影响4 2 4 2 1实验原料4 2 4 2 2 实验过程：4 2 4 2 3实验结果分析4 3 4 3 碳含量对先共析转变的影响4 7 4 3 1实验原料一4 7 4 3 2实验过程- 4 7 4 3 3 实验结果分析4 8 4 4 本章小结。5 2 5 快速大量析出铁素体的先共析转变对后续相变的影响5 3 5 1 实验原料。5 3 5 2实验过程5 4 5 3 实验结果一5 4 5 4分析与讨论。6 0 5 4 1c c t 图中的临界冷速。6 0 5 4 2 c c t 图中相区内部划分和组织形成机理6 1 5 4 3 先共析转变对妒s p 。 和、，b 乙的影响一6 5 5 4 4 对猜想性“机理”的判断6 5 5 5补充实验6 6 5 6 本章小结6 9 6 热轧双相钢工业试验7 0 6 1 试验原料7 0 6 2 试验过程7 0 6 3试验结果与分析7 1 v 。 ：、 0 、 三一 东北大学博士学位论文 目 录 6 3 1微观组织_ 。j 7 l 6 3 2 力学性能7 2 6 4 分析与讨论7 3 6 5 本章小结。7 5 7 超快速冷却的应用和低成本c - m n 双相钢的开发。7 6 7 1包钢c s p 线“超快冷”系统的建立7 6 7 2 抗拉强度5 9 0 m p a 级低成本c m n 热轧双相钢的开发7 7 7 2 1成分设计。7 7 7 22 生产工艺7 9 7 2 3力学性能及微观组织7 9 7 2 4 试用情况。8 2 7 3 两段式冷却c - l v l n 双相钢的组织形成机理8 3 7 4“超快冷”对双相钢组织形成的作用8 5 7 5 本章小结8 6 8 结论。8 7 参考文献：8 9 攻读博士学位期间完成的论文情况9 6 致谢一9 8 ， 作者简介9 9 一一 二二一“一一嚣：。一一z 。 ： ： l 、| 东北大学博士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 本文选题依托于轧制技术及连轧自动化国家重点实验室( 东北大学) 与包钢钢联股 份有限责任公司薄板坯连铸连轧厂合作进行的“包钢热轧双相钢及超快速冷却新技术开 发 项目，项目主要内容是在包钢薄板坯连铸连轧生产线上，采用控轧控冷工艺，以普 通c m n 钢为原型钢，开发应用于汽车结构件的5 4 0 m p a 和6 0 0 m p a 级双相钢。 所谓双相钢，一般指由低碳钢或低合金钢经临界区处理或控制轧制得到的，主要由 铁素体和马氏体所组成的钢；双相钢具有屈服点低、初始硬化速率高以及强度和延性匹 配好等特点r 1 1 。双相钢中强度级别低的、薄规格的，主要用于制作车身外部面板、车盖 板、车顶内板、门外部面板、行李盖板等，以改善冲压成形性和压痕抗力；强度级别高 的钢用于撞击横梁、保险杠加强体、车轮的轮辐和轮盘，以减薄规格，降低路面噪声和 汽车总重量，从而降低油耗。 热轧双相钢以其兼有的高强度和高成型性能，以及与冷轧产品相比具有的低成本优 势，一直为国际钢铁制造业及相关行业关注，在汽车制造业中，双相钢已成为延续钢铁 材料相对其它代用材料优势竞争地位的关键。 以普通c m n 钢为原型钢生产双相钢不仅有低成本的优点，还具有“生态环境材料” ( 2 卅的特点，因而是有发展前途的。含m o 、c r 、v 、c u 、p 、n i 等微量合金元素的双相 钢已经在国内外研究开发多年陟1 7 】，日本曾以c m n 钢为原料，采用两阶段冷却工艺开 发出5 9 0 m p a 级直接热轧双相钢【1 8 】；2 0 0 3 年西班牙毕尔巴鄂的a c b 公司首次在c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 线开发出m n c r - s i 系双相钢【1 9 】。但是，在本文研究工作之 前，国内外尚无在c s p 线成功开发c m n 双相钢的先例，更没有以“一段式”连续冷 却工艺开发c m n 双相钢的成功先例。因此，本文的相关研究成果取得了中国发明专利 f 2 0 ，2 1 】 o 在本文研究工作之前，作者曾提出一种以“一段式”连续冷却工艺生产c m n 双相 钢的猜想性“机理 ，包括两点：1 ) 如果铁素体在短时间内大量析出，就会抑制剩余奥 氏体向珠光体、贝氏体转变；2 ) 被大量铁素体包围的剩余奥氏体的马氏体转变所需冷 速降低( 低于淬火产生马氏体的f 临界冷速) 。依据此猜想“机理”做出预测：以普通c - m n 钢为原料，在c s p 线上采用“一段式”连续冷却工艺可以生产出热轧双相钢。在随后 r 东北大学博士学位论文1 绪论 的工业化实践中，以0 0 8 c 1 2 0 m n 0 1 5 s i 钢为原料，在包钢c s p 线采用“一段式”连 续冷却工艺( 冷速2 0 2 5 s ) ，试制成功两种厚度规格的5 4 0 m p a 级铁素体马氏体型双 相钢。虽然预测的结果被试验证实，但猜想性的“机理”仍需从逻辑或理论上加以检验。 因此，本文选题为“c - m n 双相钢组织形成机理研究与开发”，这里所说的“组织形成 机理 ，主要是指基于相变动力学对组织形成过程的描述，而不是基于相变热力学对组 织形成条件的评估，因此，本文侧重于对连续冷却条件下过冷奥氏体依次形成铁素体、 马氏体而不产生贝氏体的相变过程研究。 可以将本文“组织形成机理”的研究归结为3 个问题：1 ) 连续冷却条件下铁素体 在短时间内大量析出的原因；2 ) 以较低冷速( 2 0 2 5 c s ) 冷却，产生马氏体的原因； 3 ) 连续冷却相变过程中只形成铁素体和马氏体，而未出现贝氏体的原因。3 个问题之 间是相互关联的，本文研究将围绕这3 个问题逐步展开。 1 2 研究基础 本文研究建立在以下3 方面基础知识之上，包括：基本理论、基本研究途径和基本 实验方法等。一 1 2 1 基本理论_ j o h n s o n 、m e h l 及a v r a m i 等的相变动力学研究 新相的析出，包括形核和长大两个阶段；形核需要一定的孕育期f 。 采用孕育期f 作为形核阶段，则形核率( 单位时间单位体积内的形核数目) n 应和 1 三( f 取平均值) 成正比。若t = f 时，未经相变的母相体积为v 口，则在f 和f + 如的 f 时间间隔内将有新的区域形核，区域数目应为y 口d r ( n 为f 时间的形核率) 。简单地， 设已经相变的新相卢为球状，且为各向同性长大，长大速率为g ，卢区域体积，自t = f 开始增加，则 y ：冬占s o f ) 3 f ) 气 、7 、7 v = 0 ， o 1 0 ，纵向温度差t 8 0 ；( 2 ) 贝氏体转变区的右侧端部应封口，否则，双相 组织中将出现贝氏体组织，图1 7 为宋全义和阎振柴使用的c c t 图。这种观点虽然可 以解释双相产生的现象，但在c c t 图中采用改变连续冷却路径的分析方法，却是值得 商榷的。 馏 嚏 时阿 图1 7 宋全义和阎振綮解释双相组织形成的c c t 图 f i g 1 7c c td i a g r a mf o ri n t e r p r e t i n gt h ed u a lp h a s e st r a n s i t i o nf r o ms o n gq u a n y ia n dy a nz h e n q i 4 ) a j t r o w s d a l e 8 0 】等的观点 图1 8 为a j t r o w s d a l e 等采用的c c t 图。区别于其它c c t 图的显著特点是铁 素体和马氏体区域直接相邻，中间没有贝氏体区域，当铁素体析出一定量后，加快冷却 速度，冷却曲线进入马氏体转变区域，最终产物为铁素体马氏体双相组织。虽然可以 解释双相产生现象，但未给出c c t 图中“铁素体和马氏体区域直接相邻 的原因。由 于“相邻”是与经验不符的，因此需要特别解释。另外，a j t r o w s d a l e 等也在c c t 图中采用改变连续冷却路径的分析方法。 ； ， 啊- g 明 星湖 缃 枷 - 1 2 东北大学博士学位论文1 绪论 图1 8 a j t r o w s d a l e 解释双相组织形成的c c t 图 f i g 1 8c c td i a g r a mf o ri n t e r p r e t i n gt h ed u a lp h a s e st r a n s i t i o nf r o ma j t r o w s d a l e 5 ) w o l f g a n gb l e c k 和k d a n g y u tp h i u - o n 【8 l 】的观点 w r o l f g a n gb l e e k 和k r i a n g y u tp h i u - o n 采用的c c t 图是示意性的，如图1 9 ，特点是， 铁素体转变区左移，马氏体与铁素体、贝氏体区域均分离。连续冷却条件下，直接得到 铁素体马氏体双相组织。这种观点未给出相区发生改变的确切原因。 r o u g h i n gm i gf l n i s l a n gm i l l r u to 哦协e o i l e r ，争锝特罟罟暑_ 删鼍箨 l l m e 图1 9w o l f g a n gb l e c k 和k r i a n g y u tp h i u - o n 解释双相组织形成的c c t 图 f i g 1 9c c td i a g r a mf o ri n t e r p r e t i n gt h ed u a lp h a s e st r a n s i t i o nf r o mw o l f g a n gb l e c ka n dk f i a n g y u t p h i u - o n 以上观点，在不同程度上，都是根据客观存在的结果对原因进行的猜测。有的修改 了相区，有的改变了冷却路径。对相区的修改，缺乏理论和实验的支持；在c c t 图中 改变连续冷却路径，是对c c t 图错误的理解和运用。 本文在解释连续冷却产生双相组织现象时，仍基于传统的c c t 图，从逻辑和实验 两方面，解释并证明c c t 图变化的原因和双相组织形成机理。 1 4 研究内容及文章结构 本文可分为5 个部分，外加这个摘要。 第1 部分“研究的出发点”，即第l 章，侧重介绍本文研究的基础，阐述本文研究 采用的基本理论、基本研究途径和基本实验方法等。 第2 部分“新方法的建立 ，包括第2 章和第3 章，介绍连续冷却条件下“膨胀曲 线”与“相变动力学曲线”之间数学关系的推导，并因此获得连续冷却条件下表观意义 上的相变动力学曲线；以连续冷却相变动力学曲线为基础，建立“不同类型相变之间 以及“先共析转变不同阶段之间”的临界温度及对应转变分数的分析确定方法 a u s t i n r i c k e t t 指数法。 第3 部分“应用新方法逐步推出的机理 ，包括第4 章和第5 章，详细介绍利用“新 - 1 3 东北大学博士学位论文 1 绪论 方法”获得“连续冷却工艺生产热轧c m n 双相钢组织形成机理 的研究和分析过程， 分别研究连续冷却条件下奥氏体晶粒尺寸、冷却速度、c 含量对先共析转变过程的影响 规律，解释连续冷却条件下铁素体快速大量析出的原因；通过研究虬陕速大量析出铁素 体的先共析转变对剩余奥氏体后续相变影响”，建立基于“贝氏体分离 观点的“连续 冷却相变过程中铁素体和马氏体双相组织的形成机理 及c c t 图，并利用热模拟实验 验证其正确性。 第4 部分“机理的应用和机理指导下的新实践 ，即第6 章和第7 章，第6 章详细 介绍“以普通c m n 钢为原料，采用连续冷却工艺生产出5 4 0 m p a 级c m n 双相钢的工 业试验”；讨论“生产热轧c m n 双相钢的关键工艺条件”和“c s p 工艺流程生产热轧 c m n 双相钢的适应性。第7 章介绍“超快速 冷却装置的应用和低成本c m n 双相钢 的开发。 第5 部分“结论 ，即第8 章，概括本文的研究结果、重要观点和结论。 论文结构，如图1 1 0 。 一? 一i 新方法建立 第3 章连续冷却相变临界温度确定方法- a u s t i n - r i c k e t t 指数法 应用新方法 - 叫第4 章影响先共析转变过程的因素 逐步推出的 机理 第5 章快速大量析出铁素体的先共析转变对后续相变的影响 图1 1 0 论文结构 f i g 1 10 s t r u c t u r eo f t h et h e s i s 1 4 。 东北大学博士学位论文2 膨胀曲线与相变动力学曲线的关系 2 膨胀曲线与相变动力学曲线的关系 本章研究一种利用连续冷却膨胀曲线获得连续冷却相变动力学曲线的方法。从等温 膨胀曲线和相变动力学曲线关系的推导开始，采用微积分方法，逐步推导出连续冷却条 件下，膨胀曲线与相变动力学曲线之间的关系，讨论线膨胀系数对根据相变动力学方程 确定的体积分数造成的误差。 2 1 等温膨胀曲线与相变动力学曲线的关系 由于钢中各相的点阵结构不同，造成各相之间比容和线膨胀系数的差异。比容即物 质密度的倒数；线膨胀系数就是物质的1 维热膨胀系数或物质随温度变化的l 维尺度变 化率。一般地，线膨胀系数不是常数，而是指在一定温度区间内的平均线膨胀系数i s 2 ， 8 3 1 。按公式( 2 1 ) 定义线膨胀系数k ： 1 k ：笔、 ( 2 1 ) 厶忆一互) ， 式( 2 1 ) 中，k 表示t l 至t 2 间平均线膨胀系数，；l o 为基准温度2 0 c 下的试样长 度，1 2 1 1 t i ；al 为试样线膨胀增量，n l m ；t l 为试样初始温度，；t 2 为试样最终温度， 。 对于钢铁材料，在通常的固态相变温度范围内，线膨胀系数变化并不明显，可以认 为各温度的线膨胀系数均等于平均线膨胀系数( 以下均简称线膨胀系数) 。 表2 1 列出钢中基本相的比容和线膨胀系数i s 4 。 表2 1 钢中基本相的比容和线膨胀系数 t a b l e 2 1s p e c i f i cv o l u m e sa n dl i n e re x p a n s i o nf a c t o r so f t h ee l e m e n t a lp h a s e si ns t e e l 从表2 1 中数据可以看出，在相同温度下，奥氏体的比容明显低于其它相的比容， 因此，在奥氏体分解的等温转变时，由于新相的产生，会使原来一定摩尔质量的组织发 生体积膨胀，体积膨胀量v 可以通过对线膨胀量l 的测量获得，任意时刻的体积v 一1 5 东北大学博士学位论文2 膨胀曲线与相变动力学曲线的关系 等于各相的质量m i 乘以其比容毛i 之和，任意时刻的体积v 还可以看成总质量m 与平 一一 均比容考的乘积。根据相变过程中质量守恒的原则，可以得出：任意时刻的平均比容善 等于此时各相摩尔分数乘以其比容之和( 或称加权平均) ；不同时刻的体积之比，就是 不同时刻平均比容之比。 v = m ，考，= 班喜， f ：1 善2 善n 挚m ，= 喜编 相变不同时期的体积的变化，可以用平均比容的变化表示，而平均比容中又包含了 各相的摩尔分数( 质量分数) 。这就意味着可以建立宏观的比容与微观的相组成( 摩尔 分数) 之间的关系。 从表2 1 中可以看出，在亚共析钢成分范围内，铁素体、贝氏体、珠光体和马氏体 的比容非常接近，在总摩尔质量一定的条件下，无论它们的摩尔分数分配情况如何，平 均比容基本不变。因此，在计算时可以按同一相处理。 以图2 1 为例，假定奥氏体完全转变为铁素体珠光体，可推导等温膨胀曲线中t 时 刻，长度增量为l 时的新相摩尔分数。 删 毯 渣 l o 时间 图2 1 等温转变膨胀曲线 f i g 2 1d i l a t o m a t r i cc u r v eo f t h ei s o t h e r m a lt r a n s i t i o n 定义符号： l 0 ：相变前试样的宏观长度； l ：相变过程中，t 时刻对应的试样长度增量； t l ：相变完全结束后，试样的长度增量； 1 6 。 善。、鼻、髻：分别为铁素体、珠光体、及其混合相的平均比容； 言，：奥氏体比容； 一 ：百时刻对应的新相摩尔( 质量) 分数； 。由于乞、蟊相差不大，为计算简便，可视考。2 考p = 考； 根据质量守恒原理，推出：相变过程中不同时刻的宏观体积之比即宏观比容之比， 可得如下两个方程：， 半= 陛_ 一 芒，i厶j ：号= ( 半) 3 i上j， 两式相除，得： 厂：亟竺! 二宝 。 j7 0 + 三) 3 一厶3 ， 由于l o al ；l o l ，因此，z 相当于上式中l o 取无穷大时的结果，应用“l ， h o s p i t a l 法则f 8 5 1 求极限，得： z = 丝l 理龇根据公式半= 降) 3 ，在嘲“膨隋抓通过 对b 和l 删量，就能够计算出。根据公式妻= ( 警) 3 ，还可以计算出奥啡 ，。 完全分解时，对应的长度增量l 。如果实测增量与计算增量差异较大，则可能是由于奥 氏体未完全转变造成的。 。 当各相比容相差很小时( 等 ，厶 1 2 ，应用“l h o s p i t a l ”法则8 5 1 ，得： 因此，膨胀增量既与新相摩尔分数成正比，也与母相分解摩尔分数成正比。根据这 个结论，可从与时间