（材料加工工程专业论文）nbti微合金钢物理冶金行为研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本文是在结合国家自然科学基金项目“基于物理冶金和人工智能的热轧钢材 组织性能预测”的课题所进行的。通过对板带在热轧过程中的组织演变、碳氮化 物的析出行为以及相变组织等物理冶金行为进行研究，达到预测和控制产品质量 和提高生产效率的目的。在此背景下，本文主要以n b - t i 微合金钢为实验研究对 象，对其热加工过程中的奥氏体再结晶行为、析出行为以及连续冷却过程中的奥 氏体相变等物理冶金学过程进行了研究。论文的主要工作如下： ( 1 ) 利用单道次压缩实验，研究变形温度、变形速率和变形程度对实验钢动 态软化行为的影响：利用双道次压缩实验，研究实验用钢的静态软化行为。根据 实验结果回归再结晶动力学模型，其动、静态再结晶激活能分别为4 1 3 ，8k j m o l 和3 4 2 7 k j t o o l 。 ( 2 ) 以h i l l 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为热力学基础，对 f e n b t i c - n 系统在奥氏体中的析出行为进行计算，主要包括不同温度下热力学 平衡时析出相的平衡体积分数、化学驱动力以及各组元的原子分数：通过计算结 果与实验结果的对照，分析随着温度的降低，复合碳氮化物的组成以及析出顺序 的变化。对实验用钢的计算结果表明：温度在1 2 0 0 1 3 0 0 范围内，析出相 主要为t i n ，t i n 是均热阶段影响奥氏体晶粒长大的主要因素。随着温度的降低， 析出相主要以碳化铌、碳化钛为主，微细的n b c 和t i c 是抑制奥氏体再结晶及 再结晶后奥氏体晶粒长大的主要因素。 ( 3 ) 在热模拟实验的基础上，通过再结晶实验以及析出实验结果的分析，研 究再结晶行为与析出行为之间的交互作用。结果显示：1 0 5 0 。c 和9 0 0 。c 一8 5 09 c 分 别是动、静态再结晶被微合金碳氮化物析出相强烈抑制的温度。 ( 4 ) 通过热膨胀实验的实验结果，以及金相组织照片，绘制了无变形c c t 曲线及变形c c t 曲线，研究实验用钢的连续冷却转变规律和不同变形条件及冷 却条件对相变的影响，同时还研究了微合金元素对相变行为的影响。实验结果表 明：采用奥氏体未再结晶变形快速冷却工艺，可以避免获得上贝氏体b c 组织， 有利于粒状贝氏体形成。奥氏体变形促进n b t i 微合金钢贝氏体相变，使连续 冷却时贝氏体相变温度提高。奥氏体未再结晶区变形使相变区域向左上方移动。 i i 东北大擘硕士学位论文摘要 = = ! e = = ! = ! ! ! ! ! = = c = = 目= = ! ! ! = = ! 冀= = = ! 目女! = = = ! e ! = = 掣i 自e e ! 目自! ! ! 目# ! ! ! ! ! 自= 一 徽台金元素n b 芹拜t i 的碳氮化物静析出，降低了粪氏体中n b 和t i 的含量，降 低过冷奥氏体稳定性，使连续冷却时贝氏体楣变湿度提麓； 关键词：微合金铜形变热处理预测再结晶析出相变 i l l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew o r ko ft h e p a p e r w a s c a r r i e do u tw i t ht h e p r o j e c t o f p r e d i c t i n g m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh o tr o l l e ds t e e l sb a s e do n p h y s i c a lm e t a l l u r g ya n da r t i f i c a li n t e l l i g e n c es u p p o r t e db ys t a t en a t u r a ls c i e n c e f a n d t h e p h y s i c a lm e t a l l u r g i c a lb e h a v i o r s ，i n c l u d i n gm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nd u r i n g h o tr o l l i n g ，t h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ro fc a r b o n i t r i d e sa n dt r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o r s h o u l db es t u d i e dt oa c h i e v et h ea i mo f p r e d i c t i n ga n dc o n t r o l l i n gq u a l i t yo f h o tr o l l e d p r o d u c t sa n di m p r o v i n gp r o d u c t i v i t y i ns u c hb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rw a st oi n v e s t i g a t e t h ea u s t e n i t e r e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o r , p r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ra n dt r a n s f o r m a t i o n b e h a v i o r d u r i n g c o n t i n u o u s c o o l i n g o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t s o fn b - t i m i c m a l l o y e d s t e e l s ，t h em a i nw o r kw a si n v o l v e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e s ，s t r a i na n ds t r a i nr a t e s0 1 2d y n a m i cs o f t e n i n g b e h a v i o rw e r ei n v e s t i g a t e db ys i n g l e - p a s sc o m p r e s s i o nt e s t ，a n dt h es t a t i c s o f t e n i n g b e h a v i o rw a s i n v e s t i g a t e db y d o u b l e h i t c o m p r e s s i o n t e s t t h e r e c r y s t a l l i z a t i o n k i n e t i c sm o d e l sw e r e r e g r e s s e da c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n d t h e a c t i v a t i o ne n e r g yo fd y n a m i ca n ds t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw e r er e s p e c t i v e l y4 1 3 8 k j m o la n d3 4 2 7k j t 0 0 1 ( 2 ) o nt h eb a s i so f r e g u l a rs o l u t i o ns u b - l a t t i c em o d e lp r o p o s e db yh i l l e r ta n d s t a f f a n s s o n ，t h et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n so fa u s t e n i t e c a r b o n i t r i d ee q u i l i b r i u mi n f e n b - t i c - ns y s t e mw e r ep e r f o r m e di nt h ep r e s e n tp a p e r , i n c l u d i n gm o l ef r a c t i o n s o fb i n a r yp r e c i p i t a t e s ，c o m p o s i t i o n so fe l e m e n t si n p r e c i p i t a t e s ，c h e m i c a ld r i v i n g f o r c ef o rn u c l e a t i o na n dp r e c i p i t a t i o no r d e ra td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s a c c o r d i n g t ot h e c a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t e dr e s u l t s ，t i nw a sc o n s i d e r e da st h ed o m i n a n tp r e c i p i t a t e i ne l e v a t e dt e m p e r a t u r er e g i o nf r o m1 2 0 0 t o1 3 0 0 。ca n dt h ec o n t r i b u t o rt ot h em a i n r e t a r d a t i o no fa u s t e n i t eg r a i ng r o w t ha tr e h e a t e ds t a g e n b ca n dt i cw e r ec o n s i d e r e d a st h em a i np r e c i p i t a t e si nl o wt e m p e r a t u r er e g i o na n dt h em a i nf a c t o rt ow h i c h r e c r y s t a l l i z a t i o na n d t h er e c r y s t a l l i z e dg r a i ng r o w t hw e r er e t a r d e di na u s t e n i t er e g i o n d u r i n gr o l l i n g 东北太学硕士学位论丈 a b s t r a c t ( 3 ) 瓢l ei n t e r a c t i o nb e t w e e nr e c r y s t a l l i z a t i o na n dp r e c i p i t a t i o nw a si n v e s t i g a t e d b ya n a l y z i n gt h er e c r y s t a l l i z a t i o ne x p e r i m e m sr e s u l t s a n dp r e c i p i t a t i o nr e s u l t s b y u s i n gh o ts i m u l a t o r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t 1 0 5 0 4 ca n d9 0 04 c 一8 5 04 cw e r et h e t e m p e r a t u r e sw h i c hd y n a m i ca n ds t a t i cr e c r y s t a i l i z a t i o n sw e r es t r o n g i yr e t a r d e db y t h ec a r b o n i t r i d ep r e c i p i t a t i o n ，r e s p e c t i v e l n ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h et h e r m a le x p a n s i o nt e s ta n dm i c r o g r a p h so b s e r v a t i o n 、t h e c u r v e so fc o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nw i t hr e d u c t i o na n dn or e d u c t i o nw e r e p l o t t e d t h ec o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o r sa n dt h ee f f e c to f d i f f e r e n t d e f o r m a t i o n ，c o o l i n g c o n d i t i o n sa n d m i c r o a l l o y i n g e l e m e n t so nt r a n s f o r m a t i o n b e h a v i o rw e r ei n v e s t i g a t e d n l er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n so f d e f o r m a 6 0 n 旗氇n o - r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n dr a p i dc o o l i n gc o u l do b t a i nt h e g r a n u l a r b a i n i t ei n s t e a do f b ；t y p eb a i n i t e ( u p p e rb a i n i t e ) t h e d e f o r m a t i o ni n a u s t e n i t e r e g i o np r o m o t e d t h eb a i n i t et r a n s f o r m a t i o na n di n c r e a s e dt h eb a i n i t e t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e t h er e d u c t i o no ft h ec o n t e n t so f m i c r o a l l o y i n ge l e m e n t s i nm a t r i xd e c r e a s e dt h es t a b i l i t yo fo v e r c o o l e da u s t e n i t ea n di n c r e a s e dt h eb a i n i t e t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ： m i c r o a l l o y e ds t e e l s ，t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o l l i n gp r o c e s s ， r e c r y s t a l l i z a t i o n ，p r e c i p i t a t i o n ，t r a n s f o r m a t i o n ￥ 查兰奎兰丝圭兰竺丝圣 皇塑 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。 本人签名： 日 期：辱缸 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 钢的控韦0 车l 韦0 控聿0 冷去口 1 1 1 控韦0 轧韦0 控制轧制与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。控制轧制【l ，2 】通常分为奥氏体再结晶区轧制、奥氏体未再结 晶区轧制和( 廿a ) 两相区轧制所组成，如图1 1 所示。在再结晶区，奥氏体变 形过程中会发生动态再结晶，或者在变形之后的道次间隔时间内发生静态再结 晶，通过再结晶过程的反复进行，奥氏体晶粒能够得到细化。其主要目的是通过 形变一再结晶过程使加热时粗化的初始y 晶粒得到细化，从而在y q 相变后得到 细小的a 晶粒。相变前的v 晶粒越细，相变后的c c 晶粒也越细。再结晶优先形核区 多为变形不均匀区域，即晶界、晶粒内部形核带、夹杂物及第二相等附近。所以， 初期晶粒直径越小，变形程度越大，形核区密度和驱动力增加越大，再结晶晶粒 就越细小。 在未再结晶区，奥氏体经变形后呈扁平状，在晶粒中形成变形带、位错及孪 晶，铁索体在这些位置上形核，晶粒得到细化。形变带的形成受到轧制条件的影 响，随着变形量的增加，形变带的密度升高。轧制温度很低时，温度对形变带密 度影响不明显，但可以观察到应变累积的效果。初期晶粒度、变形速度对形变带 密度没有影响，晶粒越细，形变带的均匀性就越大。在再结晶温度以下进行变形 可使y c 【的相变点快速升高，使相变点升高的原因可认为是由于奥氏体自由能增 加、形核晶界面面积的增加、变形使扩散速度增加、以及由于在晶界面附近变形 而使界面本身提供的核生成能量增加等的缘故。 在两相区控制轧制，奥氏体未再结晶区变形得到延续，未相变的奥氏体晶粒 更加伸长，在晶内形成形变带。同时相变后的铁素体晶粒在受到压下时，在晶粒 内形成亚结构，获得亚晶强化机制。在轧后的冷却过程中，前者发生相变形成多 边形晶粒，而后者因回复变成内部含有亚晶粒的铁素体组织。钢材强度得到进一 步提高，同时韧脆转变温度降低。 东北大学硕士学位论文 l 绪论 图1 1 控制轧制过程中显微组织变化 f i gi ie v o l u t i o no fm 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 g 控制轧制工艺的最大优点是通过细化晶粒达到在提高钢材强度的同时也提 高钢材的韧性。在通常热轧工艺下生产的低碳钢铁素体晶粒只能达到7 8 级， 经过控制轧制工艺生产，其铁素体晶粒度可以达到1 2 级以上。控制轧制工艺的 缺点是要求鞍低的轧制变形温度和一定的道次压下率，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。为此，世 界各国均对轧机进行技术改造，采用大负荷轧机，安装升降辊道，道次间中间冷 却来减少轧机轧制的待温时间，提高轧机生产率。 1 1 2 控制冷却 由于加速冷却对于晶粒细化和组织强化的作用，现在已经充分认识到“水是 最廉价的合金元素”。对于一些钢材，控轧控冷可以取消常规轧制工艺的轧后再 加热热处理工艺，从而简化了生产工艺，提高生产效率，并且可以节约昂贵的合 金元素和能源，具有很大的社会效益和经济效益。 加速冷却【l ，2 】是形变热处理的进一步发展、完善的形式。采用轧后加速冷却， 在不破坏钢的韧性的情况下，可使强度进一步提高。从2 0 世纪8 0 年代初开始， 世界各发达国家在热轧板带钢生产线上陆续采用了轧后加速冷却这一先进技术。 若终轧后加快冷却速度，在y o 相变时，由于过冷度增大使相变驱动力增大，铁 素体形核点明显增加，导致铁素体形核速度加快，在常温下就可获得比控轧钢更 细的铁素体晶粒。除了细晶强化外，相变强化、沉淀强化等也是加速冷却过程中 东北大学硕士学位论文 1 绪论 主要的强化方式。但在实际生产中，冷却速度也不宜太大，否则容易产生马氏体 和板条贝氏体等组织，不利于钢材的塑性；同时a 晶粒太细时，屈服强度提高的 程度一般大于抗拉强度，会造成屈强比升高，不能够满足某些产品低屈强比的性 能要求。 1 2n b t i 微合金钢 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，了解这些微合金化元素在控制 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 再结晶的延迟以及对相变的影响等，是重要的。在钢中添加微量的n b 和t i ，可 以保证钢在碳当量较低的情况下，通过其碳、氮化物质点( 尺寸小于5 r i m ) 的弥散 析出及n b 、t i 的固溶，细化晶粒，极大地提高钢的强度、韧性，特别是低温韧 性，使钢具有良好的可焊性、使用性。因此，研究n b 、t i 在钢中的作用机理和 微观行为，对钢的品种开发，生产高质量、高附加值的产品如船板、管线钢等有 重要的作用。 n b 、t i 为强碳化物形成元素，常温时，在钢中大部分以碳化物、氮化物、 碳氮化物形式存在，少部分固溶在铁素体中，在脱氧不完全的钢中，也会出现氧 化物t i 0 2 等。这对n b 、t i 是一种浪费，且氧化物对性能有害，应避免。钢加热 时，其碳、氮化物随温度升高，逐渐溶解，直至全部溶解到奥氏体中；冷却时， 随温度降低，溶解度减小，其碳、氮化物逐渐析出。正是这种行为，演绎出n b 、 t i 对钢性能的改善作用。 n b 、t i 可以显著细化晶粒，既可提高强度，又使韧性变好，是最经济、最 有效改善钢性能的方法之一。首先，可以阻止奥氏体晶粒粗化。随着加热温度的 提高及保温时间的延长，奥氏体晶粒将愈趋粗大，而粗大的奥氏体对钢的加工性 及细化铁素体不利。加入n b 、t i 可以阻止奥氏体晶粒长大，提高钢的粗化温度。 这是由于它们的碳、氮化物弥散的小颗粒能对奥氏体晶界起固定作用，阻碍奥氏 体晶界的迁移，亦即阻止了奥氏体晶粒长大。其次，可以细化铁素体晶粒。随着 轧制的进行，温度逐渐降低，n b 、t i 的碳、氮化物在奥氏体中的溶度积减小， 东北大学硕士学位论文 l 绪论 加之形变诱导析出的作用，其碳、氮化物在奥氏体向铁素体转变之前弥散析出( 析 出的质点越小越好，尺寸应小于5 n m ，如大于1 0 0 n m ，成为夹杂物，对钢的性能 不利) ，成为铁素体的形核剂，使铁素体在较小的过冷度下大量形成，不易长大， 从而细化了铁素体晶粒。 n b 、t i 可以提高奥氏体再结晶温度。n b 、t i 及碳、氮化物在奥氏体中的溶 解度较大，温度较低时，奥氏体为过饱和固溶体，此时变形会诱导过饱和奥氏体 发生沉淀；这些细小的沉淀物较多的分布于变形的奥氏体晶界或亚晶附近，抑制 了晶界迁移而对再结晶具有显著的延迟效果，之所以能抑制晶界迁移是出于： ( 1 ) n b 、t i 偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的拖拉作用：( 2 ) 其碳、氮化物在晶 界弥散分布而引起的钉扎作用。提高奥氏体再结晶温度，可扩大未再结晶区，这 对在未再结晶区控轧非常有用。 n b 、t i 还可以改善钢的焊接性能。 接接头是其薄弱环节，特别是热影响区， 钢在使用过程中，经常要进行焊接，焊 最易在此破坏。在钢中添加微量的n b 、 t i ，一方面，可在减少碳当量含量的同时，提高强度，从而提高钢的焊接性能； 另一方面，将不纯物质如氧、氮、硫等固定起来，从而改善钢的可焊性；其次， 由于其微观质点的作用，例如t i n 在高温下的未溶解性，可阻止热影响区晶粒的 粗化，提高热影响区的韧性，从而改善钢的焊接性能。 鉴于此，n b t i 微合金钢在工业生产中得到了广泛的应用。随着对此类钢种 需求的扩大，人们希望更仔细、更全面地了解它们在控制轧制与控制冷却中的物 理冶金行为。 1 3 控制轧制控制冷却过程中的物理冶金行为研究现状 1 3 1 奥氏体再结晶行为 2 0 世纪8 0 年代，s e l l a r sc 粥】等首先完成了对c m n 钢和含n b 高强度低合金 钢( h s l a ) 及铁素体不锈钢热轧板带生产过程中显微组织演变的定量描述。他 们在大量热模拟实验的基础上，开创性地提出了一套比较全面的静态、动态再结 晶的预测模型，这些模型至今仍是再结晶行为建模预测的代表。江坂一彬等【6 】 在s e l l a r s 模型框架的基础上，对热轧过程不同软化条件下奥氏体晶粒尺寸的演 变进行了比较准确的预测。 东北大学硕士学位论文 i 绪论 c m n 钢和h s l a 钢再结晶行为的研究和模型开发又不断取得新的进展3 1 ， 相继出现了很多适合不同合金成分和工艺条件的数学模型。l a a s r a o u i 等【9 】采用双 道次压缩实验，对含c u 、n b 和b 等合金元素钢以及低碳钢的高温变形行为进行 研究，分析了预变形条件和合金元素对再结晶的影响，建立了比较精确的再结晶 动力学模型。d i a h a z i 、h o d g s o n 等【7 8 l 也分别从不同角度研究了含n b 钢的再结晶 动力学。w i l l i a m 1 l 】和s i w e c k i i t 2 等在实验的基础上建立了v _ t i 及n b v - t i 等 h s l a 钢种的再结晶动力学方程。 2 0 世纪9 0 年代初，m e d i n a 等【lo j 提出了微合金钢静态再结晶临界温度 ( s r c t ) 的概念。s r c t 温度指的是变形诱导碳氮化物析出开始温度，如果变 形温度低于此温度，再结晶动力学则有所不同，激活能q 不再是常数，而变成 温度的函数。m e d i n a 等通过扭转实验确定了n b ，v ，t i 等微合金钢的s r c t 温 度与应变、奥氏体晶粒尺寸的关系以及在s r c t 以上和a r 3 s r c t 之间的再结 晶动力学的a v r a m i 方程。s u n 掣” 在单道次和双道次压缩实验的基础上，深入 研究了静态再结晶和亚动态再结晶的发生条件和动力学方程，从物理模拟和数学 模拟两方面分析了低碳锰钢热带轧制过程各道次和道次间隔时间的软化行为，为 深刻理解奥氏体组织演变提供了帮助。在国内，刘振宇等【l5 充分考虑化学成分对 再结晶的影响情况，建立静态再结晶激活能和钢材碳当量之间的关系，为分析不 同合金元素含量对奥氏体再结晶过程的影响j c , j 造了条件。 1 3 2 碳氮化物析出 在h s l a 钢中的微合金元素如n b 、t i 和v ，在热j j n i 过程中将导致碳化物、 氮化物析出相的形成，通过调整析出相，达到抑制奥氏体再结晶，细化晶粒和析 出强化的作用。为了控制热加工过程或加工后的析出行为，各国的研究者相继开 发了一系列微合金化奥氏体的碳氮化物析出模型。 析出热力学的研究是随着高强度低合金钢的发展而进行的。析出热力学模型 随着单微合金化元素0 惦) 钢种、双微合金化元素( n b v ) 钢种及三微合金化元素 ( n b v _ t i ) 钢种的开发而发展。对于目前析出行为的计算，在热力学方面一般是基 于h i l l 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【i6 】来计算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的化学驱动力。 在2 0 世纪8 0 年代，s h a r m a 等【1 7 , 1 8 】就n b 、t i 等单独添加的微合金元素在奥氏体 和铁素体中的碳氮化物析出行为进行了热力学分析。2 0 世纪8 0 年代末，s p e e r 东北大学硕士学位论文 等【1 9 】详细分析了n b v 微合金钢的碳氮化物的析出行为，并针对f e - n b v - c n 系 统建立预测相平衡时热力学参数的模型，包括析出相在不同温度下的组成、溶解 度和化学驱动力等。o k a g u c h i l 2 0 】等人提出一套针对n b t i 高强度低合金钢在热加 工过程中预测碳氮化物析出行为的模型。该模型的自由度比亚点阵模型的自由度 大。所谓自由度，就是当达到热力学平衡时，影响合金状态的内部及外部因素的 数目。o k a g u c h i 提出的模型中引入的因素较多，模型求解起来较为困难。随后， s a m o i l o v l 2 ”、a d r i a n 22 1 、i n o u e l 2 3 】及曲锦波【2 4 1 等采用亚点阵模型分别从不同角度 分析了( n b ，t i ，v ) ( c ，n ) 析出相的热力学平衡问题。其中，曲锦波等人针对n b v - t i 微合金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。最具代表性的是 i n o u e 等建立f e - n b - t i v - c - n 系统的热力学模型。该模型不仅可以计算基体奥氏 体和( n b ，t i ，v ) ( c ，n ) 复杂析出相之间的热平衡，还能够应用于( n b ，t i ，v ) c ， ( m l ，m 2 ) ( c ，n ) 等析出相的热力学分析。i n o u e 等利用此模型计算了每种碳氮 化物析出相的溶度积和形成能，以及各组元之间的交互作用参数，计算结果与采 用s t e m e d x 和x r a y 等手段得到实验结果进行比较，吻合良好。但该模型在 计算过程中需要输入一些实验测量值，例如金属组元的摩尔分数。因此利用此模 型进行实时组织性能预测存在一定困难。 1 3 3 热变形奥氏体的相变行为 ( 1 ) 控制轧制与控制冷却工艺对钢相变动力学及转变组织的影响 低碳微合金钢形变热处理、改善力学性能的主要方式是控制轧制、强制冷却 或直接淬火和回火。制订获得理想的最终显微组织的连续冷却工艺要根据相变阶 段的c c t 图，而变形阶段的工艺条件对c c t 图具有很大影响。 控制轧制时，奥氏体轧制温度低到足够的程度，以至于变形过程中发生应变 诱导碳氮化物析出，从而抑制奥氏体再结晶【2 ”。在低温轧制时产生“扁平”的奥氏 体晶粒，未再结晶奥氏体的积累应变通过增加可能的形核点影响铁素体相变 【2 t 2 7 】。在奥氏体未经变形的场合下，铁素体在晶粒角隅、台阶和晶界表面优先形 核。而对于变形奥氏体，“扁平”晶粒的晶界面积增加，同时在其晶粒内部存在附 加形核点，如位错、变形带、孪晶带和胞状结构等。因此在奥氏体未再结晶区变 形导致y 斗o 【相变温度升高和相变速率增加、钢的淬硬性下降，转变后的室温组织 细化，从而得到细晶强化，提高屈服强度、改善韧性、降低脆性转变温度。相变 东北大学硕士学住论文l 绪论 组织中沉淀的碳氮化物产生的沉淀强化进一步提高钢的强度。终轧后的快速冷却 导致贝氏体组织的形成，亚晶界和高位错密度进一步提高钢的强度，此即所谓相 变强化。另外，铁素体晶粒尺寸还取决于冷却速度和初始奥氏体晶粒尺寸【2 ”。细 化相变前的奥氏体晶粒和增加冷却速度均有利于细化铁素体晶粒。 关于变形对铁素体相变的研究表明，在相变初期变形显著加速铁素体相变。 随着相变进行。变形的影响逐渐减弱 2 9 1 。p r i e s t n e r 和h o d g s o n 】关于c m n n b 钢的研究表明，在连续冷却相变初期，奥氏体晶界位置饱和，铁素体晶粒撞击， 然后合并粗化。b e n g o c h e a 等【j 【j 关于c m n n b 钢变形奥氏体寸铁素体相变组织 演化规律的研究表明，积累变形产生的储存能在7 9 0 c 时占相变总自由能的8 0 ，在7 7 0 。c 时占5 0 ，相变温度低于7 0 0 时变形储存能的影响减弱到可被忽 略的程度。在相变初期铁素体优先形核点是奥氏体晶界，随着连续冷却温度降低， 铁素体在晶粒内形核，体积分数增加，此时伴随铁素体晶粒粗化。铁素体晶粒的 最终尺寸不但取决于形核和长大速率，而且还受铁素体晶粒粗化的影响。最终的 显微组织不均匀、含有粗大的铁素体晶粒时，对钢的力学性能( 特别是韧性) 是 有害的，尽管平均晶粒尺寸可能很小。p r i e s t n e r 和h o d g s o n t 3 0 j 指出，诱发相变 发生在较短时间，在相变过程中快速降低温度，均可使铁素体晶粒粗化减慢。 变形对奥氏体哼珠光体相变的影响与对奥氏体- 铁素体相变的影响基本相 同【2 ”，即：( 1 ) 变形加速珠光体相变，应变量越高、变形温度越低，这种作用越 显著：( 2 ) 对于等温转变，在珠光体相变初期可以获得特别高的相变速率，但随 着这种共析反应的进行，变形对相变的促进作用逐渐减弱；( 3 ) 对于连续冷却相 变，在较高的相变温度( 低过冷度的奥氏体) 下，变形奥氏体分解的速率较高。 在热轧带钢和中厚板生产中，在线加速冷却是最终显微组织的决定因素之 一。对于热带钢生产，冷却速度和加速冷却停止温度决定转变组织是以铁素体为 主还是以贝氏体为主。对于中厚板生产，开始冷却温度、冷却速度和终冷温度决 定了相变前奥氏体状态和相变途径。一般来说，随着开始冷却温度降低、冷却速 度增加，终冷温度降低，相交途径从多边形铁素体向贝氏体转移，显微组织细化， 硬度提高m o 。 ( 2 ) 钢中贝氏体及变形对贝氏体相变组织的影响 随着新钢种的不断涌现，传统的上贝氏体和下贝氏体定义不能概括所有类型 的贝氏体。关于低碳钢贝氏体组织分类的经典工作是日本学者o h m o r i 等于1 9 7 1 7 东北走学硕士学位论文1 绪论 年做出的，并在以后的工作中得到应用【3 5 - 3 7 l 。o l m a o r i 等指出，低碳钢中的上贝 氏体均呈板条形貌，但可把它们分为三种类型：在6 0 0 5 0 0 之间转变为bl 型， 无碳化物铁素体板条( 1 a t h ) 及板条间残余奥氏体薄膜和或马氏体：4 5 0 以下 转变成bn 型，与上贝氏体类似，渗碳体分布在铁素体板条( 1 a t h ) 间：b 。在m s 附近转变，渗碳体在板条( 1 a t h ) 内析出；当铁素体为板状( p l a t e 1 i k e ) 时，则 为下贝氏体。以上分类是通过研究钢的等温转变产物特征做出的。然而在实际生 产中，主要发生连续冷却相变。例如，低合金钢奥氏体连续冷却时通常转变成粒 状贝氏体，而o h m o d 未对这种组织做出描述。 b r a m f i t t 和s p e e r 3 9 1 提出了一种系统的贝氏体分类体系。在该体系中，贝氏 体铁素体为板条状或针状，贝氏体组织的类型取决于其它相的类型和分布情况。 在该体系中用右上标表示第二相类型。其中：b 。型贝氏体的碳化物( 或渗碳体) 在铁素体板条内分布，经典的下贝氏体表示为b ：b 2 型贝氏体的第二相为粒状 或薄膜状分布于铁素体板条间，包括渗碳体、奥氏体和马氏体，经典的上贝氏体 在该系统中命名为b ；：b 3 型贝氏体的第二相呈岛状，包括残余奥氏体马氏体岛 和退化珠光体。经典的魏氏组织，即：针状铁素体+ 珠光体可表示为b ：。由于 b r a m f i t t s p e e r 系统较全面地描述了贝氏体组织，本文后面的显微组织分类均采 用此种分类系统。 由于相交前奥氏体的初始状态对贝氏体相变行为和显微组织具有很大影响， 因此研究变形奥氏体向贝氏体转变特征具有重要的实际意义。与珠光体相变不 同，奥氏体变形以更为复杂的方式影响贝氏体相变，不同作者在不同实验条件下 关于不同钢种的研究结果大不相同。k h l e s t o v l 2 9 】等关于5 0 c r n i m o 钢和3 5 c r n i 5 s i 钢( 俄国钢号) 贝氏体等温转变的研究表明：( 1 ) 变形具有抑制贝氏体相变和加 速贝氏体相变的双重作用。他们在研究中发现，在较低的温度区间( 4 0 0 c ) ， 奥氏体变形加速相变。随着相变温度升高，变形对初期相变的影响从抑制到加速 的转化过程逐渐改变，并增加整个相变阶段贝氏体相变的完全性。随着奥氏体应 变率的增加或变形温度降低，变形对贝氏体相变的上述影响加强。( 2 ) 碳降低由 变形加速贝氏体相变逐渐过渡到变形抑制贝氏体相变的转折温度，从而增加变形 奥氏体在贝氏体低温相变区的稳定性和降低变形奥氏体在贝氏体高温相变区的 东北大学硕士学位论文 1 绪论 稳定性。( 3 ) 奥氏体在5 0 0 变形大大加速贝氏体相变，在上贝氏体区更加显著； 贝氏体相变鼻部温度和开始相变温度b s 也显著提高。k h l e s t o v 等认为，变形对 贝氏体相变的上述复杂的影响是由于多种因素作用的结果，一些因素抑制贝氏体 相变，另一些因素激发贝氏体相变。贝氏体相变时导致变形奥氏体稳定性降低的 因素有：碳的分布不均匀性的增强；诱发奥氏体中碳化物的形成；贝氏体相变过 程中变形奥氏体有限的恢复。使变形奥氏体稳定化的因素有：形变细化奥氏体晶 粒，从而提高切变阻力：抑制碳的扩散：在变形奥氏体中发生贝氏体相变需要碳 在各相间进行更大程度的再分配。这些因素综合作用的最终效果取决于变形参数 和相变温度，从而导致贝氏体相变动力学发生不同的变化。b h a d e s h i a 等 4 0 4 2 l 、 y a n g 等【4 副关于低合金钢低温变形奥氏体一贝氏体相变研究证明，变形奥氏体均 表现出机械稳定化倾向，这与变形奥氏体专马氏体相变时的特征相同 4 ”。他们的 研究结果表明，变形奥氏体在不同的相变温度下对贝氏体相变均具有抑制作用。 在奥氏体未再结晶区变形诱发位错缠结形成，奥氏体得到强化。经变形的奥氏体 ( 未再结晶) 在向贝氏体相变时，贝氏体长大被位错缠结阻止，因此变形奥氏体 转变的贝氏体百分含量小于无变形奥氏体转变的贝氏体百分含量。由于变形诱发 的晶体缺陷成为新相的形核点，因此当奥氏体应变达到某一数值，贝氏体铁素体 形核数的增加抵消了变形奥氏体对其长大的抑制作用，此时从变形奥氏体转变的 贝氏体百分数与从无变形奥氏体转变的贝氏体百分数基本相当，而显微组织得到 细化。 对于微合金化的低合金钢，应变诱导碳化物、碳氮化物 2 5 , 4 5 - 4 7 】、含硼碳氮化 物 4 8 , 4 9 】析出，从而影响随后的奥氏体相变。奥氏体变形对微合金化的低碳和超低 碳贝氏体钢相变的影响不同于对合金钢的影响1 5 “”j 。h u a n g 等【” 的研究表明： ( 1 ) 微合金元素n b 和b 推迟铁素体相变，从而有利于贝氏体相变。( 2 ) 与未 变形情况相比，预先变形明显促进奥氏体在连续冷却时的贝氏体相变，奥氏体变 形使贝氏体相变开始温度( b 。) 提高，冷却速度越大，变形奥氏体和未变形奥氏 体的取差别越明显。( 3 ) 冷却速度较高时，在变形奥氏体晶粒内形成非平行板 状铁素体，这是由于大量变形诱发的晶体缺陷在快速冷却时保留在形变奥氏体 中，成为相变形核点：而冷却速度较低时( 发生回复) ，晶粒内形核点消失，奥 氏体转变成羽毛状相互平行的板状铁素体。( 4 ) 变形奥氏体在8 0 0 。c 处于不稳定 状态，而未变形奥氏体仍处于稳定状态。这是由于变形诱发n b ( c ，n ) 析出， 东北大学硕士学位论文1 绪论 使奥氏体基体局部固溶n b 的浓度较低，从而促进铁素体形核。奥氏体变形对贝 氏体组织具有很大影响。控制轧制、加速冷却可改善贝氏体钢的韧性，使得钢的 显微组织与传统热处理工艺获得的显微组织具有很大区别。贝氏体钢的韧性取决 于贝氏体柬的尺寸，在奥氏体未再结晶区变形细化贝氏体组织的机理对改善贝氏 体钢板的韧性是有效的。 1 4 本文工作目的及研究内容 本文是在结合国家自然科学基金项目“基于物理冶金和人工智能的热轧钢材 组织性能预测”所进行的。本文以n b t i 微合金钢为实验研究对象，研究物理冶 金因素对其组织性能的影响，并回归建立再结晶动力学模型及预测析出行为的热 力学模型，对于今后组织性能预测进行提供模型支持，并且有利于合理制订控轧 控冷工艺。 本文采用实验室模拟技术和数学模拟计算、回归相结合方法，针对n b ，t i 微合金钢，研究其物理冶金行为，具体研究内容如下： ( 1 ) 在热模拟实验基础上，通过对实验应力一应变曲线的分析，研究实验用 钢热变形奥氏体动态和静态软化行为，确定相应的模型参数，回归再结晶动力学 模型。 ( 2 ) 以析出热力学基础，对f e - n b t i c - n 系统在奥氏体中的析出行为进行计 算，主要包括不同温度下热力学平衡时析出相的平衡体积分数、化学驱动力以及 各组元的原子分数；通过计算结果与实验结果的对照，分析随着温度的降低复合 碳氮化物的组成以及析出顺序的变化。 ( 3 ) 在热模拟实验的基础上，通过再结晶实验以及析出实验结果的分析，研 究再结晶行为与析出行为之间的交互作用。 ( 4 ) 通过热膨胀实验的实验结果，以及晶相组织照片，绘制了无变形c c t 曲线及变形c c t 曲线，研究试验用钢的连续冷却转变规律和不同变形条件及冷 却条件对相变的影响。同时还研究了微合金元素对相变行为的影响。 东北大学硕士学位论文2 热变形奥氏体的再结晶行为研究 2 热变形奥氏体的再结晶行为研究 微合金钢是一类应用广泛、强度高、延展性和韧性优良，可焊性和成形性好 的新材料。自华盛顿( ( m i c r o a l l o y 7 5 会议以来，几十年间在许多学者和科技人 员深入研究和广泛应用的推动下，微合金钢热变形加工物理冶金和力学冶金的成 就，开创了h s l a 钢发展的新时代1 5 6 -