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东北大学硕士论文摘专 h s l a 钢热轧带钢组织性能预测析出模型 摘要 近年来随着计算机、物理冶金、轧制技术的发展，关于热轧产品显微组织与 力学性能之间的关系以及显微组织演变的计算机模型得到迅速发展，建立了再结 晶、析出、相变及组织一性能关系等物理冶金模型，并开发了相应的组织性能预 测软件，其中析出模型在整个预测系统中起着举足轻重的作用，它对再结晶、相 变、组织一性能对应关系模块有着重要的影响，因此对析出模型的研究有着重要 的意义。 本文结合国家自然科学基金重点项目“薄钢板连铸连轧过程组织性能控制与 检测”，在前人的基础上对高强度低合金钢中的微合金元素n b 、t i 和v 复合添加 的析出行为进行了研究。 以析出热力学数据为基础，考虑了实际轧制工艺的特点，在前人的基础上对 等温析出行为进行模拟，计算各温度下析出开始和结束时间，把计算结果与等温 应力松弛实验的实测结果进行比较，理论值和实测值吻合的较好，进而说明了模 型选择的合理性。 把连续冷却过程进行划分，每一部分可视为等温单元，因此可以应用等温模 型对连续冷却过程中的析出行为进行模拟，计算奥氏体中析出相体积分数和析出 相粒子半径，与前人的计算结果相符合，同时讨论了析出相粒子形貌和析出相粒 子的作用。 通过分析微合金元素在铁素体中固溶度积，表明v c 在铁素体中析出起主要 作用，介绍了v c 在铁素体中的析出模型。 在v b 语言环境下，开发高强度低合金钢的组织性能预测软件，预测组织性 能参数。 关键词高强度低合金钢组织性能预测析出连续冷却软件开发 i i p r e c i p i t a t i o nm o d e l o fh s l as t e e l si nh o t r o l l i n g p r o c e s sf o r p r e d i c t i n gm i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t y a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n g o fc o m p u t e r s c i e n c e 、p h y s i c a lm e t a l l u r g y a n d r o l l i n g t e c h n o l o g y ，m a n ym a t h e m a t i c a lm o d e l so f m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yw e r ec r e a t e d a n dp r e d i c t i n gs o f t w a r ew a s d e v e l o p e d a tt h em e a n t i m e ，p r e c i p i t a t i o nm o d e l sp l a ya n v e r yi m p o r t a n tr o l ei np r e d i c t i n gs y s t e m ，m a n yo t h e rm o d e l sh a v es o l i dr e l a t i o n s h i p w i t hp r e c i p i t a t i o nm o d e l s ，a sar e s u l t ，i ti s v e r yh e l p f u lt os t u d yt h ep r e c i p i t a t i o n m o d e l s u t i l i z i n gt h ep r o j e c t “c o n t r o l l i n g & t e s t i n go fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f s t r i ps t e e ld u r i n gc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n g w h i c hw a sf u n d e db yt h ec h i n a n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ，t h ei s o t h e r m a lp r e c i p i t a t i o n k i n e t i c sm o d e l sw e r e s t u d i e d ，m o r ei m p o r t a n t ，m i c r o a l l o ye l e m e n t ss u c ha sn b 、t ia n dvw e r ec o n s i d e r e d a tt h es a m et i m e 。 b a s e do nt h ec l a s s i c a lt h e o r yo f n u c l e a t i o na n dg r o w t h ，c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r eo f h o t r o l l i n gp r o c e s s ，i s o t h e r m a lp r e c i p i t a t i o n k i n e t i c sm o d e l so fh s l as t e e lw e r e s t u d i e d ，t h e nt h es t a r ta n d f i n i s ht i m eo f p r e c i p i t a t i o nw e r ec a l c u l a t e da td i f f e r e n tt i m e ， t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e do n e sw h i c hw e r eg o t b yt h es t r e s sr e l a x a t i o nm e t h o d t h ec o n t i n u o u sc o o l i n g p r o c e s sw a sd i v i d e d i n t on u m e r o u ss h o r ti s o t h e r m a l p r o c e s s e s ，s ot h a tt h ei s o t h e r m a lm o d e l sc o u l db ea p p l i e dt oan o n - i s o t h e r m a lp r o c e s s i nt h i st h e s i sv o l u m ef r a c t i o na n da v e r a g er a d i u so f p r e c i p i t a t e sw e r ec a l c u l a t e d ，t h e r e s u l t sw e r ei nr e a s o n a b l ea g r e e m e n tw i t ht h ep u b l i s h e dd a t a ，t h e nt h ea p p e a r a n c ea n d f u n c t i o no f p r e c i p i t a t e sw e r ed i s c u s s e d p r e c i p i t a t i o nm o d e l so fm i c r o a l l o ye l e m e n t si nf e r r i t ew e r ei n t r o d u c e d ，i nt h i s t h e s i s o n l yv cw a s c o n s i d e r e db e c a u s ev cp l a y sam a i nr o l ei n p r e c i p i t a t i o n p h e n o m e n o n o ff e r r i t e i i i 查! ! 垄堂堡主垒查 垒! ! 堡! ! ! s o f f w a r e f o r p r e d i c t i n g m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t y o fh s l as t e e l sw a s d e v e l o p e db y v b p r o g r a m k e yw o r d s ：h s l as t e e l ，p r e d i c t i o n o fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y ，p r e c i p i t a t e c o n t i n u o u sc o o l i n g ，s o f t w a r ed e v e l o p i n g 1 v 东北大学硕士论文 声明 声明 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，不包含其他人已经发表或 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。 与我一同工作过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。 锻l 口是蹩 东北大学硕士学位论文i 绪论 1 1 前言 1 绪论 钢铁工业在其一百多年的发展中，从来没有象今天这样由于日新月异的技术 创新和激烈的市场竞争，而处于动荡和变革之中，传统的钢铁生产概念和经营， 管理思维正在面临由于技术创新而带来的严峻挑战，钢材热轧生产者越来越关注 其产品的质量稳定性和生产线的柔性生产能力。这两点已逐渐成为决定钢铁企业 生存发展的基础。随着计算机技术的发展，出现了解决上述问题的新手段一一钢 材组织性能预测。 钢材组织性能预测系统是一门跨学科的实用技术，它涉及到的主要技术领域 有传热学、压力加工、金属组织工程学、数值分析、人工智能技术和计算机语言 等。钢材组织性能预测系统与现代信息技术的完美结合将使定量，可控和柔性冶 金生产成为可能，并且指曰可待。这是冶金生产者梦寐以求的长期梦想。热轧组 织性能预测系统一般由加热、轧制、冷却、卷取等过程组成，其基本研究思路就 是深入考察备工序之间可控工艺参数与钢材组织演变之间的关系，从而确立各可 控工艺参数与钢材组织性能之间的定量关系。其研究方法就是对上述冶金过程进 行仿真数值模拟。 在控轧控冷工艺生产高强度低合金钢的过程中，析出现象十分普遍，因此对 析出现象及模型的研究变的尤为重要。 1 2 控轧控冷工艺中的析出现象 1 2 i 控轧控冷工艺 控制轧制和控制冷却工艺，作为一种有效的形变热处理手段，近年来已经成 功地应用于钢材生产中。目前控轧控冷技术一般多用于结构钢的生产中，以满足 其高强度、高韧性和良好焊接性能的要求 1 4 l 。 控制轧制通常分为奥氏体再结晶区轧制( i 型控制轧制) 、奥氏体未再结晶区 轧制( i i 型控制轧制) 和竹 a ) 两相区轧制( i i i 型控制轧制) 。在实际的控制轧制 东北大学硕士学位论文 l 绪论 中，一般采用上述几种方式的组合，即在奥氏体高温变形阶段，通过再结晶区控 轧得到等轴细小的奥氏体再结晶晶粒；在奥氏体未再结晶区变形得到“薄饼形” 未再结晶晶粒，并在晶内出现高密度的变形带，从而增加了有效晶界面积；在f ，+ 仳1 两相区变形时，一方面奥氏体晶粒被拉长，另一方面已相变的铁素体晶粒内部出 现亚结构。 控制轧制工艺的优点主要是可以在提高钢材强度的同时提高低温韧性，可以 充分发挥n b 、t i 和v 等微合金元素的作用。主要缺点是要求较低的变形温度和 一定的道次压下量，因此增大了轧制负荷。此外由于要求较低的终轧温度，大规 格产品需要在轧制道次之间待温，降低了轧机生产率。 钢材控制冷却的目的是为了改善钢材的组织状态、细化奥氏体组织；阻止或 延迟碳氮化物析出相在冷却过程中过早析出，使其在铁素体中弥散析出，提高强 度。同时减少珠光体团的尺寸，细化珠光体片层间距，改善钢材的综合力学性能。 控制轧制钢材轧后控制冷却一般分为三个阶段，即一般所说的一次冷却、二 次冷却及空冷三个阶段。一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素体或f e ，c 开始转变的温度范围内控制其冷却参数。在这段温度中采用控冷的目的是控制变 形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出形成网状碳化物，固定由 于变形引起的位错，增加相交的过冷度，为变形奥氏体向铁素体或e e 3 c 和珠光 体的转变做组织上的准备。相变前的组织状态直接影响相变机制、相变产物的形 态、粗细大小和钢材性能。经验表明，一次冷却的开始冷却温度越接近终轧温度， 细化变形奥氏体的效果越好。 热轧钢材进行一次冷却之后，立即进入冷却的第二阶段，即所谓的二次冷却。 二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的温度， 以获得要求的相变组织和性能。二次冷却根据钢种和组织性能要求的不同，冷速 可以在很大范围内变化。二次冷却的终冷温度一般是控制到相变结束，c - m n 钢 和含n b 钢二次冷却终了温度一般控制在6 0 0 左右。轧后一次冷却和二次冷却 对一些钢种可以连续进行。对于微合金化低碳钢轧后快速冷却，终止温度可以达 到珠光体相变结束，然后空冷，所得金相组织为细铁素体和细珠光体及弥散的碳 氮化物。经过一次和二次冷却后，相变全部结束，可以采用空冷进行冷却。由于 快冷，固溶在铁素体中的碳化物来不及析出，在空冷过程中随着温度的降低，不 断地在铁素体中弥散析出。 2 翌生璺主鲎垡垄圭 ! 竺笙 控制冷却工艺的优点主要有：( 1 ) 节约能源，降低生产成本；( 2 ) 可以降低奥氏 体相变温度，细化室温组织：( 3 ) 可以降低钢的碳含量；( 4 ) 道次间控制冷却可以减 少待温时间，提高轧机生产量。 综上所述，控制轧制和控制冷却工艺的控制特点主要有：( 1 ) 控制钢坯加热温 度；( 2 ) 控制最后几个轧制道次的轧制温度；( 3 ) 要求在奥氏体末再结晶区域内给予 足够的变形量：( 4 ) 要求控制轧后钢材的冷却速度、开始冷却温度、终止冷却温度 或卷取温度等冷却参数，以便保证获得必要的显微组织。控轧控冷过程的组织变 化示意图参见图1 1 。 均热温度 低于9 5 0 低于8 0 0 图1 1 控轧控冷过程中的显微组织变化 f i g liv a r i a t i o no f m i c r o s t r u c t u r ed u r i n gc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n g 1 2 2 析出机理 高强度低合金钢中的微合金元素，如n b 、t i 和v ，在轧制过程中随着温度 的降低，溶解度逐渐下降，形成的微合金c ，n 化物逐渐从基体中析出，形成微 合金元素析出相。 在轧制变形过程中，在基体中的位错大量增加，为微合金元素的析出创造了 条件，随着温度的降低，微合金元素的固溶度逐渐降低，使得微合金元素质点逐 渐从基体中析出，形成析出相。 东北大学硕士学位论文绪论 1 2 3 析出相的作用 微合金元素的碳、氮化物的析出强化也是微合金钢中最重要的强化方式之 一。强化作用主要是通过微合金碳、氮化物在y q 转变时在铁素体中析出而 产生的。这些在铁素体中析出的细小弥散的析出物不仅产生显著的强化效果，而 且能够阻碍在转变或转变后的铁素体晶粒长大，钉扎晶界，从而获得细化的晶粒。 微合金元素碳氮化物在控制轧制时的析出可以分为三个阶段：均热未溶的微 合金碳、氮化物质点通过钉扎晶界机制，阻止均热时奥氏体晶粒的粗化，保证细 小的均热奥氏体晶粒得以生成；在控轧过程中应变诱导析出相通过钉扎晶界和亚 晶界的作用显著地阻止奥氏体再结晶和晶粒的长大，如果这部分组织在冷却时能 保留到室温，将会产生一定的强化效果；残留在奥氏体中的微合会元素进一步在 铁素体中析出，产生显著的析出强化效果。 微合金碳、氮化物在奥氏体中的溶解度是不同的，依次序递增：t i n 、n b n 、 t i c 、v n 、n b c 、v c ，在铁素体中的溶解度也依照同样的次序。一般来说，微合金 碳、氮化物的析出强化潜能随在奥氏体中溶解度的提高而增强。在其它的条件相 同时，析出强化的强度随析出物体积分数增加和质点尺寸减小而增高。 在奥氏体中形成的析出物对铁素体的析出并没有什么贡献，事实上还可能有 损于铁素体的强度，只有一部分有用的析出物在奥氏体中形成。它们残留在奥氏 体中，然后以下列两者之一的方式析出：( 1 ) 相变过程中以平面列阵方式在奥氏 体和铁素体的相界上的相间析出，( 2 ) 相变以后在铁素体中析出，析出物在位错 线上形成，或者在位错密度低时，一般在基体上析出。析出的形貌和分布取决于 析出相的固溶度、冷却速度以及取决于由相变温度所确定的位错密度，而相变温 度又取决于冷却速度以及钢中合金元素的含量。这些析出物全都会引起铁索体的 强化，但它们同时会提高韧脆转折温度( d b t t ) 。屈服强度每提高1 m p a ，d b t t 提 高0 3 左右。 除了对力学性能的影响以外，铁素体内的析出物阻碍晶粒长大的作用也十分 重要，特别是在热轧带钢卷取后冷却过程中，析出物的大小是很重要的。通过控 制转变温度可以控制析出物的尺寸。卷取温度越低，析出颗粒越细。同时可以看 出，由于冷却速度增加，析出物的尺寸变的更为细小，同时也增加了强度。但是， 过快的冷却速度会抑制析出，因而在低温卷取时，虽然铁素体的晶粒尺寸十分细 东北大学硕士学位论文绪论 小，但由于析出强化减弱，屈服强度不会得到显著的提高。这时，很细的铁素体 晶粒提供了几乎所有强度，因而强度不是太高，但有良好的塑性和韧性。 n b 和t i 的含量对析出也有很大影响。有文献中指出：加t i 钢的c r ( 控制 轧制) 材和a c c ( 加速冷却) 材的不可溶t i 量随有效t i 量的增加而增加，且a c e 材的不可溶t i 量值只有c r 材的1 2 ，加热到1 1 5 0 的钢的不可溶t i 量比c r 、 a c e 材的析出量少，但随有效t i 量的增加而增加。加n b 钢的c r 材、a c c 材的不 可溶n b 量都随加n b 量的增加而增加，且后者比前者少，与c r 材和a c e 材相比， 加热至1 1 5 0 材的析出量虽少”1 ，但其不可溶n b 量随加入n b 量的增加而增加。 由于沉淀对微合金钢强度贡献明显，人们通过实验观察研究了沉淀强化理 论。根据g l a d m a n 等的理论，位错线在滑移面上两个相邻粒子之间弓出，模型以 沉淀粒子混乱分布为根据，析出强化为： o 。= ( 5 9 f 。2 x ) i n ( x 2 5 1 0 1 )( 1 1 ) 式中f 沉淀粒子的体积分数， x 沉淀粒子的平均截线直径，m 由此可见，由沉淀粒子所造成的强化随粒子尺寸的减小和粒子体积分数的增 加而增加。强化微合金钢的沉淀物只限于碳化物或氮化物，也可以在钢中加入 1 0 1 5 的铜，由于铜原子在铁索体中的聚集，也可导致硬化。 1 3 组织一陛能预测系统中的析出模型 1 3 1 组织一陛能预测系统概述 以最佳工艺和低成本生产优质产品，直是钢铁企业的奋斗目标。欲达此目 的，最佳途径是在生产前，就能够通过适当的数学模型，预测出产品的性能，并 以此为基础，改进原材料的成分构成和加工工艺，生产出高质量的产品。近年来 随着计算机、物理冶金、轧制技术的发展，关于热轧产品显微组织与力学性能之 间的关系以及显微组织演变的计算机模型得到迅速发展，模型研究的主要目的是 要预测出钢在热轧及冷却期间显微组织的变化规律，预测出成品钢材的力学性 能，从而对钢材生产的工艺实现最优控制。 热轧板带的组织性能预测是指以物理冶金学原理为理论基础，以模拟实验结 东北大学硕士学位论文绪论 果为实验基础，建立了描述不同热轧生产工艺条件下发生的各种冶金学现象的数 学模型，从而准确地预测出生产条件的改变所导致的显微组织和力学性能的变 化。建立组织性能预测模型的最终目的是为了控制，即控制生产工艺以达到改善 热轧产品力学性能的目的。 基于板带的控轧控冷生产过程，其显微组织演变过程主要包括：( 1 ) 在高温 区轧制阶段，奥氏体将发生动态再结晶，并在道次间隔期内发生静态再结晶：( 2 ) 在高温轧制之后，奥氏体中将发生微合金碳氮化物的应变诱导析出；( 3 ) 在控制 冷却过程中，加工硬化奥氏体将发生连续冷却相变：( 4 ) 在相变之后的组织中， 将发生微合金碳氮化物的迸一步析出，产生沉淀强化的效果。因此，在热轧板带 显微组织的建模预测过程中，应充分考虑上述现象。对于上面所列的几部分建模 工作，目前国际上已经有所开展并取得了较大的进展，各种冶金学现象也己基本 实现了模型化，主要模块有再结晶、析出、相变和组织一性能关系几方面m 6 1 ， 图1 2 示出了模型建立的基本思路。 网 l2 轧制参数f f3 冷却参数l 1 晶粒长大 2 碳氮化物 的溶解 加热 1 再结晶 2 碳氮化物 的析出 轧制 1 相变 2 碳氮化物 的析出 冷却 力学性能 l 强度指标 2 韧性指标 产品 图1 2热轧板带组织性能预测的建模思路 f i g 1 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h em i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t yp r e d i c t i o nm o d e l 国外有很多科研机构长期从事对物理冶金模型的研究，对微合金钢的物理冶 金模型已经有较为系统的研究，其中比较著名的有英国的剑桥大学、谢菲尔德大 学，主要是进行纯理论的研究，建立模型；美国的匹兹堡大学，他们的研究工作 主要侧重于高强度低合金钢的研究，并结合了实际生产；加拿大的英属哥伦比亚 大学( b b c ) ，9 0 年代在美国能源部和美国家钢铁局的巨额资助和主持下，加拿大 6 些苎芏堡主兰些堡圭 ! 竺丝 英属哥伦比亚大学冶金过程工程中心和美国国家标准局以及北美1 4 家大钢铁企 业共同开发了一套板材热连轧的过程模拟软件( a i s i h s m m ) 。该软件已在北美 的大钢铁企业使用多年，反映很好。该软件是迄今为止开发的最为成功的组织性 能预测系统之一，9 0 年代末，欧盟1 1 个国家又再次集巨资重新开发板材热连轧 的过程模拟软件，目前正在进行中。日本和韩国在这一领域也做了许多有意义的 工作。 但是当前开发的组织性能预测系统也存在定问题，以加拿大的英属哥伦比 亚大学开发的系统为例，这个系统的依据是从实际生产的产品中采样，然后再建 立模型，由于所采样本有限，势必造成模型应用的局限性，其优点在于对特定钢 种( 采样钢种) 预测的精度较高。为提高组织性能预测系统的实用性及准确性，在 建立模型时应该充分考虑生产工艺条件，然后根据成分的不同对模型进行调整， 使得模型更加准确适用。 1 3 2 析出模型的发展 在h s l a 钢中的微合金元素如n b 、t i 和v ，在热加工过程中将导致碳化物、 氮化物析出相的形成，并且微合金元素的复合添加将导致复杂碳氮化物析出相的 形成，这是因为n b 、t i 和v 的二元碳化物和氮化物都具有b 1 类型的结构从而可 以互溶。碳氮化物的形成改变了奥氏体的再结晶和晶粒长大行为，并且影响随后 的奥氏体斗铁素体相变。目前对于析出行为的计算，在热力学方面均是基于 h i li e r t 和s t a f f a n s s o n 的规则溶液亚点阵模型计算在固溶处理过程中复杂析出 相的平衡溶解分数，以及热变形奥氏体中应变诱导析出相形核时的化学驱动力； 在动力学方面，一般采用k j m a 方程计算析出相的体积分数和尺寸随时间变化的 动力学关系。表1 1 列出了有关析出热力学和动力学的计算模型。 表1 i 析出热力学和动力学的计算模型 t a b l e1 1s o m e r e p o r t e dm o d e l sd e s c r i b i n gt h e r m o d y n a m i c sa n d k i n e t i c so f p r e c i p i t a t i o n l研究者析出相热力学和动力学模型 id u t a 7 等 n b ( c ，n ) c o 庐，- 6 ni c o a “烈1 2 7 0 矿0 0 0 ) e x p 嚆篙】 7 东北大学硕士学位论文绪论 小删唧c 一号掣坶阻，：蓑岳。等- l i u ( b 1 等 t i ( c ，n ) j = p d o x t a 3 e x p ( 一q r t ) e x p ( 一a g + k t ) p s = h ( p x t ) 一- e x p ( q r t ) e x p ( & g 。k t ) o k a g u c l a i 【9 】等( n b 。t i i x ) ( c ， x ( t ) = 1 - e x p 一了4 r e i ( t ) a ( t ) 3 ( t t ) 2 3 d , n h ) i ( t ) = a p ( t ) d x c x ( t ) v p ( k t ) “5 l 1 4e x p ( 一a g 。r t ) 0 x 1 0 兰v 1 s a m o i l o v 【、o 】等 ( n b x t i 。v ：) ( c a g 。= ( 1 一口) ( x a o g n b c + y a o g t c + z a o gv c ) 。n o ) 邯( x a o g n + y a o g t + z a o gv n ) 一t s ；+ g ； x + y + z = 1 a g c h m = a g 。一r t ( x i n a l b + y l n a r i + z i na v q + b l+ i n a c + b i na n ) 】0 + a + p ) a d r j a n 川 州b 、t i 。v c 。 g 。= x y o o b c + x ( i y ) g ：b n + v y g ；、c + v 0 一y ) g ；h n v ) + z y g o c + z ( 1 一y ) g 一t s ：+ g ： x + v + 2 f 1 1 3 3 析出模型研究的重要性 在组织性能预测系统中，析出模型有着举足轻重的地位，从图1 2 可以看出 析出现象存在于整个生产工艺中。析出模型与组织性能预测系统中的其他模块之 间有着不可分割的联系，对其他模块产生重要影响。 析出对再结晶模块的影响，均热态未溶的微合金碳氮化物质点将通过质点钉 扎晶界机制而阻止均热奥氏体晶粒的粗化，延迟奥氏体晶粒长大，在控轧过程中 应变诱导析出相通过钉扎晶界和亚晶界的作用而显著的阻止奥氏体再结晶和晶 粒的长大对最终产品的性能起作用，同时再结晶模型中位错密度的计算对析出模 型起到辅助作用。 析出对相变模块的影响，均热态未溶的微合金碳氮化物质点以及在控轧过程 中应变诱导析出质点能为铁素体提供更多的形核质点，能促进v a 相变的发 生。 析出对产品组织性能模块的影响，在控轧过程中应变诱导析出相如果保留到 东北大学硕士学位论文1 绪论 室温时能保持较小尺寸，将会产生一定的强化效果，在控制轧制相变发生以后， 残留在奥氏体中的微合金元素进一步在铁素体中析出，产生显著的析出强化效 果，析出强化作用在最终的组织性能预测模块中起重要作用，析出模块的计算结 果为组织性能预测模块提供参数。 1 3 4 析出模型研究存在的问题 虽然前人对析出现象已经有了比较深入的研究，也建立了很多经典的理论模 型，但是这些模型的针对性非常强，是单纯的针对某一种微合金元素，或者是两 元系，限制了许多模型的适用性，因为高强度低合金钢中的微合金元素往往是复 合添加的，更重要的是，以往的研究多是纯理论的，与实际生产工艺的结合较少， 使得模型研究脱离了实际。 1 4 本课题的研究意义和内容 1 4 1 研究意义 近年来随着计算机、物理冶金、轧制技术的发展，关于热轧产品显微组织与 力学性能之间的关系以及显微组织演变的计算机模型得到迅速发展，模型研究的 主要目的是要预测出钢在热轧及冷却期间显微组织的变化规律，预测出成品钢材 力学性能，从而对钢材生产的工艺实现最优控制，减少对产品的抽样检测，为企 业带来巨大的经济效益。 在组织性能预测系统中，析出模型有着举足轻重的地位，析出现象贯穿整个 轧制过程，析出相粒子的数量及尺寸直接影响轧后产品的组织性能，同时析出还 对其他的物理冶金现象产生影响，因此对析出模型的研究有着重要的意义e 1 4 2 研究内容 本文结合国家自然科学基金重点项目“薄钢板连铸连轧过程组织性能控制与 检测”，对热轧过程中微合金元素n b 、t i 和v 复合添加的析出模型进行了研究， 在前人的工作基础上考虑了实际热轧的生产工艺，并采用等温应力松弛实验进行 9 东北大学硕士学位论文1 绪论 验证，在连续冷却过程中应用等温模型，对析出物定量计算，本文的主要内容如 下： ( 1 ) n b 、t i 、v 复合添加系统析出热力学模型概述 ( 2 ) n b 、t i 、v 微合金元素在奥氏体中的析出模型 ( 3 ) n b 、t i 、v 微合金元素在铁素体中的析出模型 ( 4 ) 组织性能预测软件的开发 1 0 东北大学硕士学位论文2n b 、t i 、v 复合添加析出热力学模型 2 n b 、t i 、v 复合添加析出热力学模型 2 1 前言 高强度低合余钢中的微合金元素，如n b 、t i 和v ，在热轧过程中将形成碳、 氮化物析出相，通过控制微合金碳、氮化物在钢中的沉淀析出过程，可以有效地 促进奥氏体的晶粒细化和铁素体的沉淀强化效果。 控轧控冷中微合金碳氮化物的析出过程可以分为三个阶段，各个阶段析出 相的主要作用是不同的。均热态未溶的微合金碳氮化物质点将通过质点钉扎晶界 机制而明显地阻止均热态奥氏体晶粒的粗化过程，从而保证获得细小的均热态奥 氏体晶粒；在控轧过程中应变诱导形成的析出相可通过质点钉扎晶界和亚晶界的 作用而显著地阻止奥体再结晶以及晶粒长大，如果这部分析出相在冷却到室温后 仍能保持较小尺寸，也将产生一定的析出强化效果；在控冷相变发生之后，残留 在奥氏体中的微合金元素将进一步在铁素体中析出，产生显著的析出强化效果。 微合金元素n b 、v 、t i 主要通过如下机制抑制奥氏体再结晶的：1 ) 在圃溶 体中的溶质拖曳作用；2 ) 细小析出物在y 晶界的钉扎作用；3 ) 在变形晶粒内的较 高的位错密度增大了再结晶形核驱动力。这些作用的结果推迟奥氏体再结晶直到 奥氏体晶粒承受更大的变形，大大提高了y 再结晶所要求的临界变形量，以至一 旦发生再结晶，将有较高的形核率，得到细小的晶粒尺寸。 n b 、v 、t i 在钢中形成的细小碳氮化物起着阻止y 晶粒长大、抑制再结晶以 及析出强化等作用。即使在相当低的浓度下，也可见到固溶与析出的过程。n b c 、 t i c 、v n 是低碳微合金钢中三种基本的化合物，晶体结构相似，又互相溶解。 这些化合物析出的强化原理，不仅在于位错迁移所造成的切变和o r o m a n 机制的 交互作用，还在于析出相与铁素体的晶体学关系。析出的机制和效果，取决于晶 体结构的类型、析出相的尺寸、分数和分布等。 随着人们对钢材强度、韧性和焊接性等性能要求的提高，人们逐步开始寻求 通过微合金化元素( 例如铌、钒或钛等) 的添加以及合理的轧制工艺来实现这一 目的。在钢中重量百分比低于o 1 左右而对钢的性能和微观组织有显著或特殊 影响的合金添加元素，称为微合金化元素。因此，了解这些微会金化元素在控制 轧制和控制冷却工程中的基本行为如溶解度、碳化物或氮化物的沉淀、对奥氏体 东北大学硕士学位论文2n b 、1 、v 复合添加析出热力学模型 再结晶的延迟以及对相变的影响等，是非常重要的。 析出热力学的研究是随着高强度低台会钢的发展而进行的。析出热力学模型 随着单微合金化元素( n b ) 钢种、双微合金化元素( n b t i ) 钢种及三微合金化 元素( n b v - t i ) 钢种的开发而发展。上世纪八十年代初，s h a r m a 等人针对 f e - n b - c n 系统提出在9 0 0 1 3 0 0 温度区间内计算碳氮化物在奥氏体中的溶 解度模型。随后，上世纪九十年代初，o k a g u c h i 等人针对f e - n b t i c n 双微合 金化元素系统提出热力学模型。在该模型中，通过对由四种二元化合物( n b c 、 t i c 、n b n 和t i n ) 组成的规则溶液进行热力学分析，达到计算复合析出相的溶 解度和化学组成的目的。上世纪九十年代末，曲锦波等人针对n b v - t i 微合会钢 提出析出热力学预测模型。该模型以规则溶液亚点阵模型为基础，计算在奥氏体 中达到相平衡时析出相的化学组成以及其摩尔分数等。本世纪初，i n o u e 等人同 样针对f e - n b t i v - c n 系统提出奥氏体与复合析出相达成相平衡的计算模型。 该模型不仅从热力学角度明确了影响相平衡因素的作用，而且还考虑了复合碳氮 化物析出相相位分离的因素。 析出热力学是动力学的计算基础，所计算的热力学参数包括：( 1 ) 复杂析出相 的溶解度 【9 1 ，即在各温度下达到热力学平衡时溶解的微合金元素数量，以及形成 的析出相总量：( 2 ) 各温度下再形成的析出相成分，即在均热固溶处理之后，冷 却到各温度时再次形成的析出相数量；( 3 ) 各温度下析出相形核时的化学驱动力。 2 2 析出热力学模型 本文中考虑的是n b ，t i ，v 三种微合金元素的复合添加，在热力学计算中， 假设金属组元( n o ，t i ，v ) 和间隙组元( c ，n ) 在奥氏体中形成稀溶液，它们的活度可 以用h e n r y 准则来描述，这对于非常小的微舍金元素含量是成立的。假设碳氮化 物符合理想化学配比，即在碳氮化物中金属原子的总数等于c 和n 原子的总数， 忽略间隙和金属空位。这样，复杂碳氮化物的形式可写为( n b 。t i ，v ：) ( c a n b ) ，其中 x ，y ，：和口，b 分别为n b ，t i ，v 和c ，n 在各自亚点阵中的摩尔分数，并且0 曼x s l 、0 s y s l 、0 s z s l 、x + y + z = 1 、0 三口墨l 、0 1 6 1 l 、口+ b = 1 。i t o o l 碳氮化 物0 妫。t i ，v ：) ( c 。n b ) 可看作是下述纯二元碳化物和氮化物混合：如m o ln b c 、 x b t o o ln b n 、y a m o lt i c 、y b m o lt i n 、删t o o lv c 和z b m o lv n 。为简化，令 b ：卜口，则化学式变为0 妯。t i ，v z ) ( c 。n 1 。) ，碳氮化物的摩尔自由能为【2 ： 1 2 苎苎查兰受垡兰兰垡苎- _ ! 塑! ：! ! ：堡垒堕i ! 堑生垫垄芏堡型 g 。= g t 踟瞒蛾槐1 = x n g ( + x b g + 妒哦j + y b g o , v + z a g ：c + z b g 一碱+ ( 2 1 ) 式中，嘞为在给定奥氏体化温度下纯二元化合物的摩尔自由能；为理想 混合熵；为过剩自由能：t 为绝对温度。上式也可写为： g n ；2 g ：一t s ：+ g ： 、x - - - ， 式中，畔为纯二元化合物形成碳氮化物时的摩尔自出能。假设置换原子m ， t i ，v ) 和间隙原子( c ，n ) 在各自亚点阵中独立地混合，则理想混合熵由下式给 出： 一r = x i n 工+ y l n y + z l n z + 日l n a + ( 1 一口) 1 1 1 ( 1 一口) f 73 、 式中，r 为气体常数。考虑到n b - t i 、n b v 、t i v 和c n 的交互作用，过剩自 由能采用规则溶液模型，由规则溶液常数三来表示： ( ；：；= 习艘岛n + x ：c 西0 r + ) 2 a 瑶r + x 2 ( 1 一曲i n + x z ( 1 一口) 上r + y z ( 1 一，+ x a ( 1 一口) 瑶+ 弦( 1 一焉+ 剐1 一岛 ( 2 - 4 ) 达到热力学平衡时，在奥氏体中和碳氮化物中n b 、t i 、v 、c 和n 的化学势相 等，则： g 2 g m 一一嘭= o 、 g 删2 一一g ；= o 嘶) a g r , c2 一g ；一哪 f 2 7 、 2 g n ”一噼一嘭：” f 2 8 、 - 2 一嘭一嘭= 0 ( 2 9 ) 2 一g ；一g ；= o f 2 1 们 式中，靠、瓦、或分别为各相的化学势。溶解元素肘的化学势可定义为： 瓯2r r l n n 式中，为组元肘的活度；二元化台物的化学势可由下式描述： 2 吒+ 象一乙，嚣+ 舞一乙，象 b 蚴 假设百。的一般性公式为： 1 3 东北大学硕士学位论文2 n b 、t i 、v 复合添加析出热力学模型 8 。x = 8 基一秀m x + 己毛x 则可导出二元化合物m x 的化学势的统一形式为 石鬣= g 。+ y ( 1 一a ) ( a g i a g 2 ) + z ( 1 - a ) ( a g t 一g j ) 一瓦( r = i n x + l n a ( - - i w e = k + 口( ) 二，+ ：骂j ，) + ( 1 一日) ( ) 正氦。+ z 醢，) + 口( 1 一a ) g 0 瓢= g j 。v h + y a ( a g i - a 岛) + z a ( a g i 一g 3 ) 一亏w r = l n x + i n ( 1 - a ) 【- - e 。= ，v + 口( ) j ，j + z ，) + ( 1 一a x y l ”+ ：皇麓，) + 甙1 一口) 瑞 6 纂_ g ，o 。+ ( 1 一y ) ( 1 - a ) ( a g i 一g j ) + = ( 1 一曲( 蛔- a g ，) 一夏m r = l n y + l n a 兹= + ( x 岛。+ z ，) + ( 1 一( 0 ( 或，+ z ) + 0 ( 1 一嘁 u - - n r e f = g ：+ 日( 1 一y ) ( b g l 一a g 2 ) + z a ( a g i 一q ) 一赫r = l n y + l n ( 1 一日) 【- - 啊h = 蜀+ a ( x g 。+ z 砭，) + ( 1 一d ) ( x 瑞n + a 酵，) + ( 1 一日) 薯0 i 器= g 品，+ y ( 1 一a ) ( a g t a g 2 ) + ( 1 一= ) ( 1 一口) ( g 1 - a g 3 ) 一夏r = l n z + i n a 磁，= k + d x 酝，+ ，蟒，) + ( 1 一曲( x 瑞，+ 蟛，) + 甙1 一曲岛 科= g o + y a ( a g i 一g 2 ) + ( 1 - z ) a ( a g , 一a g 3 ) 一瓦r = l n z + l n 0 - a ) 【- - ，。e = k j + 口( x 葺0 r + j ，) + ( 1 一口) ( j 吐篇，+ ) 蟛，) + 口( 1 一口) _ 式中：a g 2 g 。b w g a g 2 = 砩。一g 袅， 1 4 ( 2 1 3 ) f 2 1 4 a ) ( 2 1 4 b ) r 2 1 4 c ) r 2 1 5 a ) f 2 1 5 b ) ( 2 1 5 c ) ( 2 1 6 a ) f 2 1 6 b ) ( 2 1 6 c ) r 2 1 7 a ) ( 2 1 7 b ) ( 2 1 7 c ) f 2 1 8 a ) f 2 1 8 b ) f 2 1 8 c ) f 2 1 9 a ) f 2 1 9 b ) f 2 1 9 c ) ( 2 2 0 a ) r 2 2 0 b ) 查北j 垦皇塑士学堡i e 宴2 n b 、t i 、v 复合添加析出热力学模型 g 3 。曝一嚷 o c ) k = ( 1 - 2 a ) ( x y 叠4 h + 船r + j ，暑嚷，) 一2 ( i 一口) ( 。 + x z i 菇h ，+ j 疽：，) + ( 1 一口) ( 1 2 力( 旺等+ ，_ + z 0 ) ( 2 2 1 a ) k = 一2 口( j 哆t 骂_ n + x z l j ，+ ) e 爵，) 一( 1 2 a ) ( x u g ， + x z l i v 、，h rq _ ，”n ) 一a o 一2 a ) 0 ：g + 熊+ 硪) f 2 2 1 b ) 由于描述碳化物和氮化物的规则溶液参数数据很有限，所以按照文献的建 议 ，取 如。= ，= 砭，= 0 、 如。= ，= 岛= 0 和 瑞= l c , v = l 5 = 厶。= - 4 2 6 0 j t o o l ，则所有表示q - - 。e 的式子都变为： g ：；2 ( 1 一口) = l r w ，2 2 ) q “2 0 。- n f 2 2 3 ) 式( 2 5 ) 一式( 2 1 0 ) 的系统中只有四个方程是线性独立的，因此在描述 f e - n b