（材料加工工程专业论文）cr12mov钢热变形行为及组织性能研究.pdf

am a s t e r st h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n g t e c h n o l o g y s t u d yo nh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n d m i c m s t r u c t u r e - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc rl2 m o vs t e e l b yh u a n gh o n g t a o s u p e r v i s o r ：p r o f d ih o n g s h u a n g n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 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，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二此 j 恩0 学位论文作者签名：_ 芗7 裴) 扩 日期： 岬罗口弓 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年一 学位论文作者签名：遣吩l 匆 签字日期： 一1 ? 。 导师签名： 签字日期： 蔓北大学硕士学位论文摘要 c r l 2 m o v 钢热变形行为及组织性能研究 摘要 c r l 2 m o v 钢是广泛用于模具行业的冷作模具钢，具有高淬透性，淬火时的变形很小， 在3 0 0 4 0 0 时仍可保持良好硬度和耐磨性，属于莱氏体型高碳高铬冷作模具钢。本文 以宝钢股份特殊钢分公司项目“特种金属及合金板带生产工艺技术研究”为背景，研究了 c r l 2 m o v 钢的高温变形组织性能变化以及热处理工艺对组织性能的影响规律，并绘制 了c r l 2 m o v 钢的高温变形塑性加工图，分析该钢不同变形参数下微观变形机制，为该 钢的生产提供技术支持，具体内容及结果如下： ( 1 ) 通过单道次压缩试验，研究了变形温度、变形程度和变形速率对c r l 2 m o v 钢变 形抗力的影响规律，建立了该钢的变形抗力数学模型。 ( 2 ) 研究了c r l 2 m o v 钢奥氏体区动态软化行为，回归得到动态再结晶激活能 0 = 5 3 8 7 1 2k j m o l ，峰值应力与z 参数的关系如下：l n o p = 0 4 7 9 8 9 + 0 1 1 6 5 1 1 n z ( 相关系数 r = - 0 9 6 9 8 2 ) ，峰值应变d 与z 参数的关系如下：i n , p = 3 1 0 9 0 6l n z - 1 3 6 2 1 5 2 ( 相关系数r = - 0 9 6 6 6 3 ) 。 ( 3 ) 通过双道次压缩实验，研究了实验钢奥氏体区热变形后等温保持时间里的静态 再结晶行为，绘制了实验钢的静态软化率时间曲线。 ( 4 ) 采用p r a s a d 建立的失稳准则，利用三次样条函数拟和l o g o - 与l o g 叠的关系曲线， 绘制了c r l 2 m o v 钢的塑性加工图，得出功率耗散因子峰值随着变形程度增加由中温区 向高温区转移，功率耗散因子峰值最大为o 5 6 ，该钢塑性变形温度不宜低于9 5 0 ，真 应变为0 6 时，最佳变形温度范围为1 0 5 0 11 2 5 ，且变形速率不宜超过1 s 。 ( 5 ) 通过x 射线物相定性分析以及能谱分析等试验方法，研究不同淬火温度和不同 回火温度以及冷却介质对c r l 2 m o v 组织的影响，可知随着淬火温度升高，粒状碳化物 减少，淬火温度为9 0 0 时，随回火温度升高块状碳化物中c r 元素含量显著升高，淬火 温度高于9 0 0 时，回火温度对块状碳化物中c r 元素含量影响不明显；分析对比水淬和 油淬两种冷却方式对组织的影响，可知油淬的二次碳化物比相同温度下的水淬二次碳化 物析出更弥散细小，油淬的一次碳化物和水淬的一次碳化物相比，向球团化趋势发展， 碳化物的尖角变得圆滑，减轻了一次碳化物对基体的割裂作用。 关键词：冷作模具钢；动态再结晶；静态再结晶；加工图；调质处理； h o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dc o n t r o l l i n go fm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc rl2 m o vs t e e l a b s t r a c t c r l2 m o vi sac o l dw o r k i n gd i es t e e lw h i c hi sw i d e l yu s e di nd i ei n d u s t r y i tc h a n g e sa l i t t l ei ns i z ea n di so fg o o dh a r d e n a b i l i t y i tc a na b t a i ng o o dh a r d n e s sa n da b r a d a b i l i t ya t 3 0 0 c - 4 0 0 。c i ti sal e d e b u r i t ec o l dw o r k i n gd i es t e e l ，r i c hi nca n dc r i nt h eb a c k g r o u n do f b a o s t e e ls p e c i a ls t e e lc o r p o r a t i o np r o j e c t ，t h a ti sa b o u tt h et e c h n o l o g yr e s e a r c hf o rp l a t ea n d s t r i pp r o d u c t i o no fs p e c i a lm e t a l sa n da l l o y s ，t h i sa r t i c l ew i l lr e s e a r c hi n t ot h em i c r o s t r u c t u r e c h a n g ei nh o td e f o r m a t i o np r o c e s sa n dt h ee f f e c ti m p o s e db yh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r so n t h e m i c r o s t r u c m r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ep r o c e s s i n gm a p so fc r l 2 m o vs t e e la r ed r a w n f r o mt h ee x p e r i m e n td a t a s t h em i c r o s c o p ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m sa td i f f e r e n td e f o r m a t i o n p a r a m e t e r sa r ea l s or e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e a l lt h i sc a np r o v i d e s o m eh e l pf o rt 1 1 ep r o d u c t i o n o fc r l2 m o vs t e e l t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e ns i n g l ep r e s st e s ti st a k e n ，t h ei n f l u e n c e o ft h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ， d e f o r m a t i o nd e g r e ea n dd e f o r m a t i o nr a t et ot h es t r e s so ft h es t e e la r er e s e a r c h e d ，a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o ni se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h es o f t e n i n gb e h a v i o ro fc r l 2 m o vs t e e li sr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l ea n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e np e a ks t r e s sc r pa n dzp a r a m e t e r si so b t a i n e da sf o l l o w s ： l n c r p = 0 4 7 9 8 9 + 0 11 6 51l n z , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e np e a ks t r a i n pa n dzp a r a m e t e r s i so b t a i n e da sf o l l o w s ：l n e d = 3 1 0 9 0 6l n z - 1 3 6 2 1 5 2 t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o ni s5 3 8 7 1 2k j m 0 1 ( 3 ) w h e nd o u b l ep r e s st e s t i st a k e n ，t h eb e h a v i o ro fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nd u r i n g i s o t h e r m a lp r o c e s sa f t e rt h eh o td e f o r m a t i o no ft h es t e e li na u s t e n i t i ca r e ai sr e s e a r c h e d t h e s o f t e n i n gr a t ec u r v eo f t h es t e e lt ob et e s t e di sd r a w n ( 4 ) b a s e do nt h ep r a s a di n s t a b i l i t yc r i t e r i a ，t h ep r o c e s s i n gm a p so f c r l2 m o vs t e e la r e d r a w ni nt h i sa r t i c l ew i t ht h ec u b i cs p l i n eu s e di no b t a i n i n gt h er e l a t i o nb e t e e nl o g o - a n d l o 西t h ep o w e rd i s s i p a t i o nc o e f f i c i e n c ep e a kv a l u et r a n s f e rf r o m m e d i u mt e m p e r a t u r ez o n et o h i g ht e m p e r a t u r ez o n ew i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n t h ep o w e rd i s s i p a t i o nc o e f f i c i e n c ep e a k v a l u er e a c h e so 5 6 i ti sn o ta d v i s a b l et h ec r l2 m o vs t e e lb ed e f o e m e db e l o w9 5 0 。c t h eb e s t d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e sr a n g ef r o m1 0 5 0 。ct o11 2 5 。ca tt r u es t r a i n0 6a n dt h ed e f o r m a t i o n i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a t es h o u l dn o te x c e ll s ( 5 ) w i t ht h ee x p e r i m e n tm e t h o d ss u c ha sxr a y sa n de n e r g ys p e c t r u m ，t h e e f f e c to n c r l 2 m o vs t e e li m p o s e db y q u e n c ht e m p e r a t u r e sa n dt e m p e rt e m p e r a t u r e sa n dc o o l i n g m e d i u mi sr e s e a r c h e d t h eq u a n t i t yo fg r a n u l a rc a r b i d ed e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fq u e n c h t e m p e r a t u r e w h e nc r l2 m o vs t e e li sq u e n c h e da t9 0 0 t h ec o n t e n to fc ri nb l o c kc a r b i d e i n c r e a s er a p i d l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e rt e m p e r a t u r e w h e nc r l 2 m o vs t e e li sq u e n c h e d a b o v e9 0 0 t h ec o n t e n to fc ri nb l o c kc a r b i d ea l m o s tk e e ps t e a d yw i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e rt e m p e r a t u r e c o m p a r i n gw i t l lt h ee f f e c to nm i c r o s t r u c t u r eb yw a t e rc o o l i n g ，w eo b t a i n t h a ts e c o n d a r yc a r b i d ei ss m a l l e ri ns i z ea n dm o r ed i s p e r s eb yo i lc o o l i n g s p h e r o i d i z a t i o n e f f e c to np r i m a r yc a r b i d ei so b v i o u sa n dt h ec a r b i d es h a r pc o m e r sb e c o m ec i r c u l a r , a sa r e s u l t ，t h i sc a nr e l i e v et h es p l i te f f e c to nm a t r i xi m p o s e db yp r i m a r yc a r b i d e k e yw o r d s ：c o l dw o r k i n gd i es t e e l ；d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；s t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ； p r o c e s s i n gm a p ；m o d i f i e dt r e a t m e n t ； i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 前言1 1 2c r l 2 m o v 钢及合金元素作用2 1 2 1c r 在钢中作用3 1 2 2m o 在钢中作用3 1 2 3v 在钢中作用4 1 3 钢的强韧化机制4 1 3 1 固溶强化4 1 3 2 形变强化5 1 3 3 晶界强化5 1 3 4 弥散强化7 1 4 塑性变形组织性能预测技术发展现状9 1 5 本论文研究背景及研究内容1 0 1 5 1 研究背景10 1 5 2 研究内容1 0 第2 章c r l 2 m o v 钢变形抗力模型1 2 2 1 变形抗力模型研究现状1 2 2 2 奥氏体化温度确定试验1 4 2 3 试验方案1 5 2 4 试验结果分析1 5 2 4 1 变形程度对变形抗力的影响15 2 4 2 变形温度对变形抗力的影响1 6 2 4 3 变形速率对变形抗力的影响1 7 2 5c r l 2 m o v 钢塑性变形抗力数学模型1 8 尘坚窒些丝型圣i i 一一m 宣尘 i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 肓i i i i i i i _ l o o - - o o o 2 6 回归计算曲线与实测曲线的比较1 9 2 7 变形参数对显微组织影响2 0 2 8 小结2 3 第3 章c r l 2 m o v 钢高温软化行为2 4 3 1 再结晶概述2 4 3 2 动态再结晶2 4 3 2 1 动态再结晶激活能确定2 5 3 2 2 峰值应力与峰值应变一2 9 3 2 3 动态再结晶状态图31 3 3 静态再结晶3 1 3 3 1 静态再结晶试验原理及试验方案3 1 3 3 2 静态再结晶试验结果分析3 4 3 4 小结3 4 第4 章c r l 2 m o v 钢高温塑性变形加工图3 5 4 1 加工图理论基础3 5 4 1 1 动态材料模型3 5 4 1 2 基于模型d m m 的失稳判断准则一3 7 4 2 试验方案3 8 4 3 实验结果分析3 9 4 4 加工图绘制及分析4 0 4 5 组织观察与变形机制分析4 2 4 6 以、结4 5 第5 章调质处理对c r l 2 m o v 钢组织性能影响4 6 5 1 淬火概述4 6 5 2 回火概述4 7 5 3 相变点的测定4 7 5 4 试验方案4 8 5 5 不同热处理制度显微组织对比4 9 5 6 淬火回火温度对硬度影响5 1 5 7 物相定性分析5 2 i 东北大学硕士学位论文 目录 5 8 淬火回火温度对块状碳化物中c r 元素含量影响5 3 5 9 不同淬火方式对显微组织影响5 4 5 1 0 小结5 7 第6 章结论5 9 参考文献6 0 致谢6 4 硕士期间撰写的文章6 5 查北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 目前，全世界模具总产值约6 8 0 亿美元，我国在2 0 0 4 年模具产值已达至1 j 5 3 0 亿元( 人 民币) ，名列日本、美国之后，居世界第三位。从图1 。l 可见，近十年来，国产模具产值 每年平均递增1 5 6 ，高于我国g p d 的年增长速度，但是，模具总量仍然供不应求，国 产模具的自配率不足8 0 ，其中，中低档模具供过于求，而高档模具5 0 靠进口，尤其 是大型、精密、复杂、长寿命的模具缺口更大。从图1 2 可见，中国是模具进口大国，年 进口金额相当于国产模具产值的2 5 3 0 t 1 1 。 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 81 9 9 9 2 咖2 0 0 12 0 0 22 咖2 0 0 42 0 0 5 1 9 9 5 1 螂1 9 9 7 1 9 御? 咖2 0 0 1 2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 图1 1 近1 0 年我国模具产值变化趋势 图1 2 进e l 模具钢金额变化 f i g1 1t h e d i ep r o d u c t i o ni nt h er e c e n t10y e a r sf i g1 2t h ei m p o r td i es t e e lc h a n g e s 随着全球经济正在进行产业结构转移，制造业向东南亚、中国转移，预计至1 j 2 0 2 0 年 中国将成为世界制造强国和制造业中心。模具是现代制造业核心工具，是工业制造中不 可缺少的成型工具。日本、美国、德国等工业发达国家制造业的发展历程说明，凡是制 造业发达的国家，模具产业必须繁荣。而模具产业的发展，必定拉动模具钢的消费。近 几十年我国模具钢市场的现状和国内外模具钢发展的情况分析结果表明，我国模具钢正 处于发展的上升通道中，模具钢市场前景看好。 模具钢主要分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。冷作模具钢主要品种为 c r l 2 ( d 3 ) 、c r 2 w m n ( 0 1 ) 、c r l 2 m o v 、c r l 2 m o l v i ( d 2 ) 等，占模具钢总量的1 7 。热作模 具钢：主要品种有4 c r 5 m o s i v l ( h 1 3 ) 、3 c r 2 w 8 v 、5 c r n i m o 、5 c r m n m o 等4 个钢种，占 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 模具钢总产量的2 1 ；塑料模具钢：主要品种有$ 5 0 c 、$ 4 5 c 、3 c r 2 m o ( p 2 0 ) 、3 c r 2 n i m n m o 、 1 0 n i 3 m n c u a i 等，占模具钢总产量的6 2 f 2 1 。 1 2c r l 2 m o v 钢及合金元素作用 c r l 2 m o v 是冷作模具钢中的一种。冷作模具钢用来制造在冷态下使金属塑性变形的 模具，如冲裁模、冷镦模、剪切模、拉丝模等。常出现断裂失效、过载失效、磨损失效 等问题。根据冷作模具的工作条件及失效形式，冷作模具钢应具有：高硬度和高耐磨性； 较高的强度和韧性及一定的热硬性，工作时刃部不易崩裂或塌陷；较好的淬透性，保证 淬火态有较高的硬度和一定的淬透深度；较好的加工工艺性和成形性，较好的淬火安全 性，热处理变形小，在复杂断面上不易淬裂 23 】。 c r l 2 m o v 钢是广泛用于模具行业的冷作模具钢，具有高淬透性，截面为3 0 0 4 0 0 删0 以下者可以完全淬透。在3 0 0 4 0 0 时仍可保持良好硬度和耐磨性，属于莱氏体型高铬 冷作模具钢，作为莱氏体钢，其凝固组织中存在大量过剩的一次、二次网状共晶碳化物， 且偏析严重，为此在模具制作的过程中首先要采用锻造的方法获得锻坯，通过锻造钢中 碳化物颗粒被打碎，改善了碳化物分布的均匀性，减少碳化物偏析严重现象，在随后的 热处理过程中以获得更好组织和强塑性配合。其化学成分及相关热力学参数如表1 1 、表 1 。2 所示： 表1 1 c r l2 m o v 钢化学成分( w ) t a b l e1 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f c r l2 m o vs t e e l ( w ) l 临界点 a 。la 。a r la r 3 m sm f 温度( 近似值) * c 8 3 08 5 57 5 07 8 5 2 3 00 c r l 2 m o v 的c 含量o o c 为1 5 ，原来研制这种钢的意图是作为高速钢的代用品，但实 践证明，它在高速切削时不能保持好的热硬性，且碳化物偏析大，制作刀具时强度与塑 性低，容易崩齿与折断口，然而，它有两个独特的优点，一是耐磨性能很高。这是由其 成分上的高碳和高铬所决定的，铬在钢中形成了硬度高的c r 7 c 3 ( 1 6 0 0 h v ) ，另一方面， 淬火时的变形很小，这不仅是因为它淬透性很高( 与高速钢一样，空冷即可得到马氏体) ， 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 而且还因为它可以用比体积小的残余奥氏体来补偿淬火马氏体的体积膨服，随着淬火温 度的提高，残余奥氏体量可大幅度地改变。这样，就可通过调整奥氏体量来控制模具的 变形。表1 3 给出几种典型工具钢淬火后的变形。 表1 3 几种合金工具钢淬火时的体积变化 t a b l e1 3v o l u m ec h a n g e sa l t e rq u e n c hf o r3a l l o yt o o ls t e e l s 1 2 1 c r 在钢中作用 铬在钢中提高淬硬性和淬透性。铬加人钢中后可生成m 2 3 c 6 、m 7 c 3 等多种类型碳化 物，它也可以溶人其他碳化物中。这些碳化物在加热时能在较低温度下溶解，使基体中 含有必要的碳量，保证马氏体有高硬度。淬火加热时，铬几乎全部溶人奥氏体中，使钢 有很高的淬透性。铬还可以提高钢的回火稳定性和二次硬化效应，但比强碳化物形成元 素( 如钒) 的作用微弱得多。铬还可以提高工具的抗氧化性，在表面生成致密的氧化膜， 减少粘刀现象。 铬在高速钢中含量超过2 以上时，会显著增加碳化物的不均匀性。铬过多时，还 会增加残余奥氏体量及回火稳定性，需要增加淬火后的回火次数。 1 2 2m o 在钢中作用 钼和钨是同族元素，在高速钢中m o 和w 的作用相似。以1 的m o 代替1 6 糊的 w 时，钢的组织性能相近。含钼高速钢的出现解决了许多国家的缺钨问题，还弥补了钨 系高速钢的一些缺陷。在高速钢中以钼部分地或全部代替钨后，虽然其组织和性能相近， 但钼能降低钢的结晶温度，同时凝固区间又窄，这对铸态组织有细化作用。所以含钼高 速钢中碳化物细小，分布比较均匀。钼比钨在奥氏体中的溶解度大，而且碳化物颗粒细 小，回火时m 0 2 c l 匕w 2 c 析出温度稍低，稳定性稍差。因此含钼高速钢红硬性稍差，但 其强度和冲击韧度比钨系高速钢好。含钼高速钢价格也相对便宜，所以钨系高速钢已逐 渐被含钼高速钢取代。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3v 在钢中作用 所有的高速钢中都含有钒。钒在高速钢中能显著提高钢的红硬性，硬度和耐磨性。 同时钒还能细化晶粒，降低钢的过热敏感性，改善钢的韧性。 钒是强碳化物形成元素，所形成的碳化物( v c ，v 4 c 3 ) 稳定性高，硬度高。钒能溶人 m 6 c 型碳化物中，增加其稳定性。高速钢热处理后组织中弥散分布着大量含钒碳化物， 使钢有高的耐磨性和红硬性。含钒碳化物可阻碍晶粒长大，提高淬火温度，增强二次硬 化效应，从而显著提高钢的硬度。 要使钒在高速钢中发挥作用，钢中应有足够的碳，含钒量提高，必须同时提高含碳 量。高钒、高碳会增加碳化物的不均匀性，使高速钢强度、韧性降低，也使钢的磨削加 工性能变差。 1 3 钢的强韧化机制 金属的屈服过程是塑性变形过程，它是在结晶学的优先平面上产生一种间断的滑移 步骤，从而形成位错运动。因此增加位错运动的难度就相当于提高钢的屈服强度。根据 金属点阵中阻碍位错运动的障碍物类别，可以将强化机制分为几种f 4 。j ： ( 1 ) 置换的或间隙固溶的异质原子以点状障碍物的形式起作用( 固溶强化、激冷强 化) ； ( 2 ) 位错以线状障碍物形式起作用( 形变强化) ； ( 3 ) 晶粒界作为面状障碍物形式起作用( 细晶强化) ； ( 4 ) 非内聚的析出和内聚的析出为空间障碍物形式起作用( 弥散强化) 。 1 3 1 固溶强化 一般，固溶体的强度总是要比基体金属的强度高。也就是说金属形成合金后，其应 变强化能力一般比纯金属的高。 固溶强化可以看作是很小的可变形质点引起的强化。关于固溶强化的机理大体上可 以分为三类，即( 1 ) 位错钉扎机制。位错可被运动的溶质原子钉扎，从而造成强化，这种 钉扎主要在合金发生屈服时产生作用；( 2 ) 摩擦机制。运动的位错受到相对不动的原子所 引起的应力场的阻碍，而增加位错运动的阻力；( 3 ) 结构机制。溶质原子通过影响合金中 的位错结构，而间接地影响使位错运动所需要的应力大小。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 固溶强化是通过在固溶体中添加溶质元素使强度升高的方法，也就是说固溶强化改 变了金属的化学成分，保留了晶格中铁素体的组织状态，它强化的金属学基础是运动位 错与异质原子之间的相互作用。固溶强化可以分为间隙式和置换式。根据文献，间隙原 子可以与刃型位错和螺型位错都发生交互作用，并且会产生c o t t r e l l 气团和s n o c k 气团， 它们对溶质原子的运动有很大的钉扎作用。间隙式固溶强化会造成晶格的强烈畸变，因 而对强度的提高十分有效，但同时由于间隙原子在铁素体晶格中造成的畸变不对称，所 以随着间隙原子浓度的增加塑性和韧性明显降低。螺型位错应力场不存在驱动置换式原 子有序换位的作用力，因此螺型位错可以顺利地通过置换原子区域而不受阻碍。置换式 溶质原子造成的晶格畸变较小，且大多球面对称，所以置换式原子的强化作用较小，属 于弱强化，对韧性的影响不明显。 1 3 2 形变强化 金属的变形主要通过原有位错的运动和许多附加位错的产生而进行。金属及合金 ( 包括多晶体) 经过强烈的冷加工变形后，在其显微组织中，较大区域内基本没有位错， 只有在周边区域产生位错，从而形成位错胞。这种组织，位错密度高，可以视为由位错 构成的亚晶。亚晶细小，位错密度高，且亚晶之间存在位向差，它如同晶界一样阻止位 错的运动，从而产生强化作用。通过位错增加实现的加工硬化，其强度的增加可用下式 来表示： 1 2 彳sy 2b 6 g f ( 1 1 ) 式中：b 无量纲系数，数量级为1 ，它包括了位错的排列； 6 柏氏矢量； g 抗剪模数； 卜位错密度。 从( 1 1 ) 式可知，位错密度越高，强度增加越大。 1 3 3 晶界强化 晶界强化的本质是在于晶界对于位错运动的阻碍作用，晶粒越细小，晶界越多，阻 碍作用也越大，强化的效果越好。 为了提高低碳钢、微合金化钢等强度和韧性，人们往往同时采用多种强化机制组合 5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的方法。其中细晶强化是唯- - 她f j 匕在提高钢铁强度的同时，不损害其韧性的方法。晶粒越 细小，晶界越多。晶界是位错运动的障碍，细化晶粒可以使钢的屈服强度升高，这可以 由h a l l p e t c h 公式( 见1 2 ) 来证明： - 1 1 2- 1 2 o s2 ( 盯o + s s + c r p p t + o r d ) + + d s) ( 1 2 ) 并且晶界可以把塑性变形限定在一定的范围内，使塑性变形均匀化，因此细化晶粒 可以提高钢的塑性。晶界又是裂纹扩展的的阻碍，所以晶粒细化可以改善钢的韧性，这 也可以从韧性( f 舶丌) 公式( 见1 3 式) 看出： 刚m 彳+ + c f + 一尉_ 1 心一f 4 - 1 2 + 矽( 1 3 ) 其中：s 刚s p p ，、s d 分别是固溶、析出、位错引起的强化应力； k 、尼l 常数； 卜铁素体晶粒直径； 级亚结晶晶粒直径。 晶粒细化是微合金钢中最为重要的一种既强化有韧化的强韧化方式。因此用较为经 济的方法获得尽可能细小的有效晶粒尺寸，是微合金钢的理论研究及实际生产的最重要 的问题之一。 传统的晶粒细化的方法有【6 1 细化基体组织、奥氏体未再结晶变形、加速冷却和在奥 氏体晶粒内分布适当的析出物和非金属夹杂物等四种。具有代表性的t m c p 工艺在三个 温度区间的s l n 包括再结晶奥氏体区轧制、未再结晶奥氏体区轧制、两相区轧制。在晶 粒细化中，不同的轧制方法对应不同的晶粒细化方法。 怎样实现晶粒细化包括两个方面的问题，其一是如何使晶粒由大变小，其二是如何 使晶粒不长大。使晶粒由大变小的方法很多，然而，由于钢材生产成本及生产条件等方 面的限制，普通碳素钢和微合金钢不可能采用太复杂的生产工艺，而只能在现行的生产 工序中适当地控制有关的参量，通过控制形变再结晶行为以及丫一a 相变特性来实现。 对于低碳钢来说，形变细化晶粒方法可以分为奥氏体区形变细化和铁素体区形变细 化以及两相区形变细化。由于在铁素体区和两相区进行轧制，需要轧制能力很强的设备， 这在微合金钢轧制中采用的不多。相对来说，通过奥氏体区形变获得细小的形变组织是 普通碳素钢和微合金钢细化晶粒常用的方法。因为奥氏体区是轧制过程中不可避免的一 个区域；并且只要合理控制一些轧制参数即就可以得到显著的形变奥氏体晶粒或者细 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 小、等轴的奥氏体晶粒。再结晶细化晶粒也可以分为奥氏体再结晶细化晶粒和铁素体再 结晶细化晶粒。 再结晶细化晶粒和形变细化晶粒都是同一形变过程之后发生的。若发生了再结晶轧 制，则细化晶粒的效果主要来自于再结晶而形变细化的效果就不明显；若未发生再结晶， 则形变细化将是晶粒细化的主要来源。 总之，奥氏体区形变细化晶粒和再结晶细化晶粒也是微合金钢中最为中要的强韧化 方式之一，控制轧制的主要目的是为了获得最大的晶粒细化作用。 相变细化晶粒最重要的是控制轧制形变后丫_ a 相变晶粒。钢中丫_ 相变是最为重 要的相变过程，因为钢的使用状态正是a 状态，而y _ q 相变是决定钢材使用状态的显微 组织和力学性能的最重要因素。目前控制1 ，_ 伐相变主要是靠采用控制冷却来实现，即 通过控制冷却速度来控制相变的过冷度，尽可能地压低相变温度以及尽量增加y _ n 相 变的形核点来实现值晶粒细化。 1 3 4 弥散强化 微合金元素碳氮化物的析出强化也是超级钢最重要的强化方式之一。主要是通过微 合金碳氮化物在) , - - a 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金元素进一步在铁素体中析出，产生显著的析出强化 效果。 1 9 4 8 年，o r o w a n 提出了位错绕过第二相运动的绕越机制( 即o r o w a n 机制) ，并得 出了第二相强化效果的定量计算公式。根据这一公式，第二相粒子的尺寸必须为纳米数 量级。1 9 6 8 年g r a y 和y e o 在含铌钢中观察到了纳米级的碳氮化铌粒子【2 3 】。上述工作证 明微量碳氮化物在钢中可以有效的产生强化作用。微合金元素铌、钒、钛成为极有效的 强化元素。微合金元素的强化作用有两种方式：一是细小碳氮化物的析出强化；二是碳 氮化物阻止晶粒长大的细晶强化。 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为使相变前奥氏体晶粒保持细小，要求碳氮化物粒子在奥氏体中不溶或在热轧过程 中析出。为此，需要对微合金元素的碳氮化物的溶解、析出行为有所了解。图1 3 1 2 4 给 出了微合金元素的溶解度积，根据溶解度数据，可了解不同微合金元素的作用。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。t i n 的溶解度 低，非常稳定，在轧钢再加热或焊接再加热的条件下不溶解，可以抑制奥氏体晶粒长大。 铌的碳氮化物溶解度较低，会在热轧过程中析出，阻止变形奥氏体再结晶。从图中还可 以看出，氮化物比相应的碳化物溶解度低，对钒、钛尤为明显。 微合金元素对热轧过程中奥氏体再结晶的影响有很大差异。铌溶解度较低，热轧时 在奥氏体中析出细小的n b ( c n ) 对晶界的钉扎力大于再结晶的驱动力，可以提高再结晶 温度。钒有较高的溶解度，热变形时在奥氏体中处于固溶状态，v ( c n ) 在1 ，_ 0 【相变的最 后阶段析出，起到析出强化作用。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，析出物的大小很重 要。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， 由于冷却速度增加，析出物的尺寸变的更为细小，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【7 1 。 图1 3 微合金碳氮化物的溶解度积 f i g 1 3t h es o l u b i l i t yp r o d u c to f c a r b o n i t r i d ei nm i c r o a o y e ds t e e l 8 查! ! 垄堂堡主兰堡论文第1 章绪论 1 4 塑性变形组织性能预测技术发展现状 近年来钢铁企业提出柔性化制造工艺，对塑一i 生d n m 产品的质量和性能要求趋于严格 化和多样化，因此对金属材料塑性加工过程中的各种行为进行预