（材料加工工程专业论文）减量化船板钢柔性轧制技术试验研究.pdf

a t h e s i si n s h f l e x i b l er o l l i n gt e c h n o l o g y b yw a n gb a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h u f u x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 l 憎 ：j = 尸 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 ：6 二 思o 7 学位论文作者签名哆乙确 日期：多。加识7 上 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： 签字日期： 导师签名： 签字日期 j h 东北大学硕士论文 柔性轧制技术 法，它可以节约能 业应用已引起国内 约型中厚钢板减量化制造新技术研究开发项目，以碳锰钢为研究对象，在不添加微合 金元素铌、钒、钛的减量化生产前提下，以实现船板钢的柔性化生产为目标，系统研究 了控轧控冷工艺对不同碳当量试验钢组织及力学性能的影响规律，并通过现场工业生产 实践验证与优化，最终确定出同种化学成分、不同强度级别船板钢的柔性轧制工艺制度。 论文的内容主要包括： ( 1 ) 采用三种不同轧制工艺对实验室小炉冶炼试验钢进行的轧制试验结果表明： 在相同的轧制工艺条件下，碳当量是影响试验钢力学性能的主要因素，随着碳当量的增 加，试验钢的强度指标逐渐增加，塑、韧性指标有所降低，综合考虑多方面影响因素后， 确定出船板钢柔性轧制时的碳当量范围和合理的化学组成，为节约型船板钢的工业化试 制提供了依据； ( 2 ) 通过现场坯料的t m c p 工艺试验，研究分析了变形制度、温度制度和冷却制 度等对试验钢组织与力学性能的影响规律后发现：轧后空冷时，试验钢综合性能较低， 晶粒尺寸粗大，而轧后控冷后试验钢的晶粒得到有效细化、综合性能显著提高；随着精 轧温度的降低、待温厚度的提高，试验钢的屈服强度、冲击韧性均得到明显改善。依此 最终确定出生产厚度2 0 m m 以上规格a 3 2 、d 3 2 高级船板的工艺要点为：精轧开轧温度 8 5 0 1 00 0 ，待温厚度为2 5 - 3 0 倍的成品厚度，轧后采用1 0 1 5 i s 的冷速进行快速 冷却，终冷温度为6 7 0 士1 0 ； ( 3 ) 以实验室的研究结果及现场工业试制的数据为基础，归纳总结出适合柔性轧 制的普通b 、d 级船板和a 3 6 、d 3 6 高级别船板钢的化学成分及轧制工艺制度，其中， 工业试制成功并进入工业批量生产阶段的b 、d 级船板，各项力学性能均达到国家相关 标准的要求，并顺利通过了中国船级社的认证。 关键词：船板柔性轧制技术减量化碳锰钢控轧控冷细晶强化 a b s t r a c t f l e x i b l er o l l i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a l ln o to n l ys a v ee n e r g y ，s i m p l i f yp r o d u c t i o n o p e r a t i o n ，b u ta l s or e d u c ep r o d u c t i o nc o s tg r e a t l y i s o r i g i n a t e df r o mt m c p ( t h e m o - m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n o l o g yi nr e s e a r c ha n d i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，i th a sb e e na t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o ni ns t e e li n d u s t r ya th o m ea n da b r o a d t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb a s e do nc m ns t e e lw i t h o u ta d d i n ga n ym i c r o a l l o y e l e m e n ts u c ha sn i 、v 、t i ，c o m b i n e d 、) l ，i t ht h ep r o j e c t n e wm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo n s h i pp l a t eb yr e d u c i n gr e s o u r c e sw i t hf l e x i b l er o l l i n g w i t hs a n m i n gs t e e li nt h i sp a p e r i n t h el a bw es t u d yo nt h ee 位c t so fc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n gp r o c e s so nm 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 sw i t l ld i f f e r e n tc a r b o ne q u i v a l e n ta n di nt h ee n dw ed e t e r m i n e dt h e f l e x i b l er o l l i n gp r o c e s ss y s t e m t h ec o n t e n t sa n dc o n c l u s i o nw a ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) u s i n gt h r e ed i f f e r e n tr o l l i n gp r o c e s s e si nt h el a b ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h et e s t s t e e la r es h o w e dt h a t ：i nt h es a m ep r o c e s s t h ee f j f e c to fc a r b o ne q u i v a l e n ti st h em a i nf a c t o r s f o r t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w i t h t h e i n c r e a s i n go fc a r b o ne q u i v a l e n tt h es t r e n g t h p e r f o r m a n c eo ft h et e s t e ds t e e lg e tb e t t e r ，b u tt h ep l a s t i c i t y a n dt o u g h n e s sg e tw o r s e c o n s i d e r i n gv a r i o u sf a c t o r s ，t h er e a s o n a b l ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dc a r b o ne q u i v a l e n ta r e d e t e r m i n e dw h i c hp r o v i d et h eb a s i sf o ri n d u s t r i a l i z a t i o no fe c o n o m i z i n gs h i pp l a t e ； ( 2 ) w i t ht h et m c pp r o c e s s e so ft h ei n d u s t r y b i l l e ti n t h el a b ，t h ed e f o r m a t i o n , t e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gs y s t e mw e r es t u d i e do nr e s p e c t i v e l y i tc o n c l u d e d t h a tc o o l i n gi nt h e a i rc o n d i t i o na f t e rc o n t r o l l e dr o l l i n g ，t h eg r a i ns i z ei sm o r ec o a r s e ra n dt h ep l a t es h o w e d w o r s ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e st h a nt h a to fc o n t r o l l e dc o o l i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e i n t e r m e d i a t es l a bt h i c k n e s st h et e n s i l ea n dt h ei m p a c tp r o p e r t i e sg e tb e t t e ra n dt h et e s t e ds t e e l s h o wt h es a m ep e r f o r m a n c ew i t ht h ed e c r e a s i n go ff i n i s ht e m p e r a m e n t i nt h ee n dw e d e t e r m i n e dt h er o l l i n gp r o c e s so fa 3 2 ，d 3 2h i g hs t r e n g t hs h i pp l a t e t h es t a r t i n gt e m p e r a t u r e o ff i n i s h i n gr o l l i n gw a sa t8 5 0 - - + i o 。c ，t h et h i c k n e s so fi n t e r m e d i a t es l a bw a st w ot ot h r e e t i m e st h a np r o d u c tp l a t e ，l a m i n a rc o o l i n gs y s t e mw a se m p l o y e da tt h es p e e do f1 0 1 5 s a f t e rr o l l i n ga n dt h ef i n a lc o o l i n gt e m p e r a t u r es h o u l db ea t6 7 0 士10 ： ( 3 ) r e f e r i n gt ot h er e s u l t so ft h el a be x p e r i m e n t sa n dd a t eo fi n d u s t r i a lp i l o t ，w e d e t e r m i n et h ec h e m i c a lc o n s t i t u e n t sa n dr o l l i n gs c h e d u l ew h i c ha r es u i t a b l ef o rt h ea 3 6 ，d 3 6 1 1 1 - i v - 东北大学硕士论文 声明 摘要 a b s t r a c t 第l 章绪论 1 1 船板钢发展概况 1 2 我国船板分类及性能要求2 1 3 减量化轧制技术4 1 3 1 控制轧制4 1 3 2 控制冷却8 1 3 3 形变奥氏体对组织的影响9 1 4 柔性轧制技术。1o 1 5 钢材的强化机制1 2 1 5 1 细晶强化1 3 1 5 2 固溶强化1 4 1 5 3 位错强化1 5 1 5 4 分散强化1 5 1 6 合金元素的作用1 6 1 7 课题研究背景17 1 8 课题研究内容1 8 第2 章船板钢化学成分实验室筛选2 0 2 1 试验原料2 0 2 2 试验设备2 0 2 2 1 小型轧机。2 0 2 2 2 拉伸试验2 1 2 2 3 冲击试验2 1 目录 ：! ：! ：! z i ：! z i ：! ! ； ：1 6 ：1 6 ：；3 ：； ； 4 1 4 1 4 4 4 5 优化4 7 4 7 4 7 4 9 4 9 3 3 2 待温厚度对性能的影响5 1 3 3 3 试验钢的延伸性能5 3 3 3 4 试验钢的微观组织分析5 3 3 4 小结5 5 第4 章普通级别船板钢工业试验5 7 4 1 工业试验条件5 7 4 2 试制方案5 7 4 2 1 生产工艺流程5 8 4 2 2 控轧控冷要点5 8 4 3 工业轧制5 9 4 3 小结6 1 第5 章船板钢柔性轧制工艺的确定6 3 v i 5 2 1 普通b 、d 级船板钢轧制工艺6 4 5 2 2a 3 2 、d 3 2 级船板钢轧制工艺6 4 5 2 3a 3 6 、d 3 6 级船板钢轧制工艺6 5 第6 章结论6 6 参考文献6 9 致谢7 3 - v u - 东北大学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 船舶用结构钢主要用于制造远洋、沿海和内河航区船舶船体结构的一般强度钢和高 强度钢，包括钢板与型钢。其中船板是造船业的主要原材料之一。仅以船体部分来讲， 船板占所有耗用钢材总重量的5 0 左右【1 】。船舶工作条件比较恶劣i 特别是在大风浪时 受力状态极为复杂，承载着较大的冲击和交变负荷，有的还需要在低温地区航行。同时 船舶外壳受到海水的化学腐蚀、电化学腐蚀以及海生物的腐蚀作用，特别是船舶的龙骨、 水位部位、主甲板、船尾部位受到的腐蚀更为严重。所以船板性能的优劣直接关系到船 舶工业的发展。 因为船舶的形状比较复杂，所以在建造过程中，钢板需放样、成型、焊接、矫正、 整体装配等工艺操作。同时各家船级社都要求船板钢要具有强度指标( y b 、o 。的良好匹配 及稳定性；韧性及塑性的储备足以经受船体在正常航行或突发事故中裂纹扩展和抗脆性 断裂【2 】。因此船板钢不仅需要较高的强度、低温冲击韧性，还需要良好的耐腐蚀性、焊 接性、加工成型性以及表面质量，同时还要满足对材料的冷、热弯及水火弯板等成形操 作的要求，不至于形成表面损伤或产生微细裂纹【3 4 】。为保证船体结构用钢质量，提高 材料韧性，其化学成分的突出特点是锰碳比较高，一般要求m n c 在2 5 以上，对碳当 量的控制范围也有较高的要求。 1 1 船板钢发展概况 依据各国船舶工业的规模、能力、产量、技术水平和竞争实力的差异，在世界造船 国家中，总体上可以划分为3 个梯队，即以日本和韩国两大造船大国为第一梯队；以中 国、德国、意大利、西班牙、丹麦、波兰和中国台湾省等若干个重要造船国和地区为第 二梯队；以数量众多的较小造船国家为第三梯队。自从我国加入世贸组织后，我国的经 济持续快速发展，对外贸易快速增长，9 0 以上的物流靠船舶运输完成。因此，由于经 济全球化、船舶用途多样化、技术进步等因素的推动，世界海运贸易量急剧增长，船舶 制造行业出现了前所未有的繁荣景象。在这种国际背景下，我国船舶工业抓住历史机遇， 顺应时代潮流并得到了长足的发展。全国造船行业到2 0 0 5 年底，新承接船舶订单和手 持订单，分别达到1 6 9 9 万吨和3 9 6 3 万吨，骨干船厂生产任务已经安排到2 0 0 8 年以后。 2 0 0 5 年，全球造船总完工量载重1 4 2 亿t ，我国造船完工量载重首次突破1 0 0 0 万t ，达 到1 2 1 2 万t f 5 1 。与1 9 9 9 年相比，增长了3 倍，占全球造船完工量的份额也从5 7 上升 的水平。 近年来，中船集团和中船重工的大型客货轮及油轮制造定单，绝大多数来自国外企 业，中国生产的船舶不仅出口到希腊、挪威、英国、美国等航运大国，甚至还销往日本、 韩国、丹麦、德国、意大利、波兰等造船发达国家【6 】。可以说起始于上世纪7 0 年代的我 国造船业，经过几十年的长足发展进步，逐渐成为世界上继日、韩之后由造船业的第二 梯队向第一梯队跨越的世界第三大造船国【7 1 。 1 2 我国船板分类及性能要求 造船行业需要的钢材包括板材、型材和管材，其中以板材为主。船用钢板通常是指 按照船级社造船规范要求生产的用于制造船体结构的专用热轧钢板。按照我国现行的船 级社( c c s ) 标准，通常将船板钢分为两大级别，其中一种为一般强度船体用钢板，另 一种为高强度船体用钢板。一般强度船体用钢板其屈服强度仃。为2 3 5 m p a 。按照在不同 温度即2 0 、0 。c 、一2 0 、4 0 下，船板钢所能够达到的冲击功大小，又分为a 、b 、 d 、e 四个质量级别；而对于高强度船体用钢板，按照屈服点分为3 2 k g 、3 6 k g 、4 0 k g 级 三个强度级别，其中每个强度级别中又根据不同温度下冲击功大小的不同分为a h 、d h 、 2 b 郢2 1 d 如2 l e a h 3 2 d h 3 2 e h 3 2 a h 3 6 d h 3 6 e h 3 6 0 6 0 o 6 0 唑郢0 4 0 郢0 4 0 仉：6 7 _ o 3 5 郢郢 o 0 1 5 1 1 0 0 7 0 郢1 8 1 2 0 0 7 0 - 1 6 0 - 0 0 1 5 0 9 0 - 1 6 0 0 9 0 翊儒。：三。0 ：了郢。4 。卯。4 。_ 0 0 15 1 6 0 0 9 0 - - - 1 6 0 0 0 1 5 0 0 3 0 - 090-一0050 o 1 0 1 6 0 表1 2 船板机械性能 t a b l e1 2t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs h i pp l a t e s 等级厚度屈服强度抗拉强伸长率 v 型冲击实验j冷弯 m m 万j 田a 不小于 3 - 冷宅加宽b 弯a口 冷之窄b 功 晌 剖仃横于均a 可不戬月黼不 度温 吁 盈 利 6 1 n酽御 东北大学硕士论文第1 章绪论 1 3 减量化轧制技术 进入2 1 世纪钢铁仍然是国民经济建设的基础性材料，在现代社会生产中具有不可 替代的作用。这不仅仅是因为其价格便宜，可以实现工业化批量大生产，而且更重要的 是通过成分设计和相应的热处理工艺可得到从低强度到高强度等使用性能范围极宽的 不同规格特性的产品。从工艺技术上看，钢铁工业属于流程制造业。对于钢铁工业而言， 生产流程对生产效率、产品成本、产品质量、产品品种、资源消耗、投资效益等技术经 济目标群具有综合影响力，而且也直接影响过程排放、环境生态和资源能源可供性等可 持续发展因素。所以在新的历史变革时期，开发应用轧制新工艺是我们轧钢科技工作者 必须面对的问题【9 j 。 2 0 世纪7 0 年代，将控制轧制和控制冷却方法结合，出现了t m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) - v 艺，也称之为热机械控制轧制工艺。该工艺充分利用钢铁 材料的相变特点来改变材料的性能，为进一步挖掘钢铁材料的潜力提供了新的手段。 1 3 1 控n , l , t j 轧制方法是金属材料成型的主要方法，轧制成型的钢材也是数量最大的金属材料制 品之一。在现代化生产过程中占有重要地位。其中冶炼钢9 0 以上要经过轧制工艺才能 成为可用的钢材。我们可以看到在国民经济生产中轧制钢材与汽车、建筑、能源等各个 部门紧密相连。同时其生产过程是一个复杂的物理冶金过程，不仅要控制外形尺寸，更 要控制钢材的组织性能【l o l 。 在热轧过程中，主要通过低温段强化轧制来改善钢材强度和韧性的方法称为控制轧 制【l ，也可以指从$ l n 前的加热到最后轧制道次结束为止的整个轧制过程实现最优化控 制，以使钢材获得预期的良好性能的轧制方法【1 2 1 。它是以钢材的合理化学成分为基础， 在热轧过程中对钢坯加热温度、开轧温度、变形量、终轧温度及轧后冷却各工艺参数实 现最佳合理控制，以细化奥氏体和铁素体晶粒，并通过沉淀强化、位错亚结构强化等强 化机制来充分发掘钢材内部潜力，提高钢材力学性能和使用性能为目标的一种既经济又 4 东北大学硕士论文 有效的减量化轧制新工艺。 自从控制轧制技术诞生之日起就在轧钢领域表现出了旺盛的生命力，并经过几十年 的发展这一技术得到了更进一步的完善。这一技术主要可以分为三个轧制阶段，即奥氏 体( y ) 再结晶区轧制，奥氏体( y ) 未再结晶区轧制和铁素体+ 奥氏体( y + q ) 两 相区轧制【1 3 d 4 1 。再结晶型控制轧制的机理是钢在变形的同时发生动态回复和不完全动态 再结晶，在轧制后或两道次之间发生静态回复和静态再结晶，通过反复轧制一再结晶使 奥氏体晶粒变细，为后续的奥氏体未再结晶轧制提供均匀、细化的晶粒，从而实现最终 材料微观晶粒的细化。 对于钢铁工业来说，传统意义上热轧的主要目是为了获得良好的外部形状，而对于 钢材良好机械性能的获得主要是通过添加合金元素以及轧后的热处理来实现。所以在这 种情况下热轧只是作为热处理过程中的一个组成部分。轧后相变过程中铁素体相晶核大 多在奥氏体晶界上产生，而晶粒内部基本上没有晶核形成。 热轧与控制轧制两者之间的关系可以通过正火与淬火的比较来分析，在热轧和正火 中，先共析铁素体晶粒仅仅在奥氏体晶界处形成，这样就限制细小铁素体的产生；另一 方面，在控轧和淬火中，奥氏体晶粒将被分成几块，所以在相变时就为产生细小的铁素 体结构创造了条件。控轧和淬火分割奥氏体的结果相同，但是机理并不是一样的。前者 是由于变形带而引入，而对于后者则主要是由于马氏体的转变引入而产生的。控制轧制 与传统热轧晶粒细化机制对比如图1 1 所示。 图1 1 晶粒细化机制 f i g 1 1t h em e c h a n i s mo fg r a i nr e f i n e m e n t 在各个阶段控制轧制的最终目的都是为了得到均匀细小的晶粒，但是各个阶段轧制 的冶金学原理与各阶段发生的晶粒组织变化是完全不同或差别非常大。图1 2 给出了多 种控制轧制工艺与相变后组织之间的对应关系。 - 5 1 章绪论 始粗大或 反复的轧 较高，奥 。随着轧 制温度的降低，在低温再结晶区域( 图中第1 i 阶段) 轧制时，晶粒细化效果较为明显。 通过研究发现，再结晶区域的轧制对原始奥氏体( y ) 晶粒的细化存在一定的极限， 不能够使y 晶粒得到无限制的细化，通常钢材在奥氏体再结晶区轧制并相变后所得到的 铁素体的最小尺寸只能达到8 - 9 级【l6 1 。在这个阶段奥氏体( y ) 晶粒的最终大小是由 其化学成分和初期晶粒直径来共同决定的。这一阶段的主要变形特点是高温钢材在变形 的同时发生动态回复或动态再结晶。变形后，在两道次之间发生静态静态回复或静态再 结晶，变形和静态回复交替进行。 在这种的变形机制中，道次变形量对奥氏体再结晶晶粒的大小具有主要的影响。如 果道次压下量较小，不足以使钢板被轧透，那么在钢板表面将发生奥氏体的再结晶过程， 而内部原始晶粒非但没有被细化反而继续生长。这样就导致了由于钢板内外晶粒尺寸大 小不一而出现混晶现象。所以在轧制的过程中，道次压下量要有足够大，才可以使钢板 内奥氏体得到均匀的再结晶晶粒。相对于道次变形量来说，整个奥氏体再结晶区间总的 变形量对晶粒的影响较小。只要有足够达到奥氏体充分再结晶的压下量就可以达到轧制 6 - 东北大学硕士论文第1 章绪论 的目的。 但是，并不是道次压下量越大越有利于晶粒的均匀化与细化。这是因为奥氏体再结 晶的区间一般都是温度比较高，随着道次变形量的逐渐增加，形变奥氏体的再结晶速率 以及再结晶结束后晶粒长大的速度也将随之增大。当变形量达到一定的程度的时候将发 生亚动态再结晶。这种在轧制道次间形成的亚动态再结晶过程将导致晶粒迅速生长为粗 大的晶粒，这样就对钢材最终力学性能的改善产生不利影响。 虽然这种奥氏体( y ) 再结晶区的轧制方法也可以得到均匀且较为细小的相变铁素 体与珠光体，但是最终的相变组织晶粒度也只是能够达到一定的限值，从而对热轧钢板 综合性能的改善并不是特别的突出。要想得到高性能的产品必须添加一定量的合金元素 并进行相应的热处理。在现代的工业化生产中这种轧制方法的应用非常有限并逐步退出 历史舞台。 2 、奥氏体( y ) 未再结晶区轧制 如图1 2 中的第1 i i 阶段，一般情况下在奥氏体( y ) 未再结晶温度区间，当轧制温 度降低到9 5 0 以下的时候，奥氏体的再结晶将被抑止，变形后的奥氏体晶粒将不再发 生再结晶。此时随着压下量的增加，奥氏体晶粒将沿着轧制方向被压扁拉长，同时晶粒 内部产生大量的变形带以及大量的位错、亚结构。关于这种奥氏体( y ) 未再结晶区进 行轧制时在奥氏体内部所产生的变形带，田中认为变形带可以起到分割奥氏体晶粒的作 用，也就是未再结晶区变形在奥氏体晶粒内部产生的变形带可以将奥氏体晶粒分割成几 个小区域，增加了奥氏体的有效界面积，因而增加了铁素体的形核部位，相变后得到更 细的铁素体晶粒【l7 。 当轧制结束后发生奥氏体一铁素体( y q ) 相变时，在未变形的奥氏体晶界和变 形带上都将产生形核点，这样就使形核点增多，从而使相变后的铁素体晶粒进一步细化。 研究发现，在奥氏体未再结晶区的累积变形超过4 0 时，形变带的密度随着变形量的增 加而迅速的增加【1 8 】。 在未再结晶区的轧制变形过程中，在总的变形量一定的前提下多道次小变形和单道 次的大变形所产生的应变累积效果基本上是等同的。也就是说两种轧制方式可以起到同 样细化铁素体晶粒的效果。对于前者来说对轧机具有严格的要求，这是因为为了达到未 再结晶累积变形的目的，只有在较低的温度下才可以增加道次变形量。在较低的温度下， 试验钢的变形抗力将逐渐增加，这样在低温下的大变形就需要轧机能够承担较大的负 荷。而对于后者来说，虽然可以通过高温小变形量轧制减轻轧机的负荷，但是却降低了 生产节奏对工业化大生产的生产效率提高产生了不利的影响。 7 大学硕士论文第1 章绪论 3 、铁素体+ 奥氏体( y + q ) 两相区轧制 在a t 3 点以下的双相区轧制时，如图1 2 的第阶段，是加工硬化与继续相变阶段， 进一步的提高钢板的强韧性【1 9 】。一方面未相变的奥氏体( y ) 的晶粒将继续被压扁、 ，在晶粒内部形成大量的变形带；另一方面，相变后的铁素体( q ) 晶粒在变形时 粒内部形成亚结构。在轧后的冷却过程中前者发生相变形成微细的多边形晶粒，而 因处于回复状态，变成内部包含亚晶粒的铁素体( q ) 晶粒。所以，从以上的分析 以看出，钢材在两相区进行变形时，会形成被拉长的未再结晶奥氏体晶粒和加工硬 铁素体晶粒。这样在相变后就会形成由未再结晶奥氏体晶粒转变生成的比较软的多 铁素体和有加工硬化的铁素体晶粒混合而形成的混合组织，这样就使材料的性能发 大的变化，强度与低温韧性得到提高、材料的各向同性受到损害。同时，因为在两 进行轧制变形，此时变形温度较低、变形抗力非常大，对轧机的性能要求高，所以 对于某些有特殊要求的钢种才采用这种轧制方法。 控制轧制是一个复杂的冶金、物理变形过程，如图1 3 所示。为了达到上述的轧制 ，对轧制过程中的各个工艺参数都应给予足够的重视，其中包括加热制度、变形制 变形温度制度等，只有优化配比各个因素才能实现最终的轧制目的。 工艺参教 俄热溉廑，叫初姥晶控 金台元素叫抑翱爵绩晶 $ l 锯道次温 度压下蜃等 臭氏体 通过再结晶细 化菇投 氏体榴变或弓f 入 叫尹 兹 ，斗口桎变l r _ 混台晶控或非多面体组耄 l 图1 3 控制轧制中各种因素的相关图 f i g 1 3t h er e l a t i o n s h i ps c h e m a t i co fe v e r yc o n d i t i o n sd u r i n gc o n t r o l l e dr o l l i n g 1 3 2 控制冷却 控轧控冷技术的基本原理就是控制热轧条件，经过相变过程在奥氏体的基体上，形 成高密度的铁素体晶核，从而在相变后达到细化钢材组织结构的目的。一般来说控制冷 却工艺必须与控制轧制工艺配合，才能达到钢板的强韧化效果。轧后的冷却是对轧后钢 材的冷却工艺参数( 始冷温度、终冷温度、冷却速度) 合理控制，为钢材相变做好准备。 - 8 - 蓓 东北大学硕士论文第1 章绪论 通过控制相变过程中的冷却速度，以达到控制钢材组织状态、各种组织的组成比例以及 碳氮化物析出等，实现提高中厚板的综合性能。 对于特定的钢材来说，快速冷却可以使钢材相变温度点舢得到降低，从而造成较 大的过冷度，达到提高铁素体形核率降低铁素体晶粒长大速度进一步细化晶粒组织的目 的。这样则可以通过显微组织的改善，在不损害低温韧性的前提下使钢的强度得到很大 的提高。所以用快速冷却方法进行生产可以减少合金成分，降低碳当量，从而可以使钢 材的焊接性能得到改善，提高钢材的冲击韧性【2 0 抛】。通过对控冷技术的应用，在可以降 低碳含量或合金元素含量的条件下，进一步提高中厚板的焊接性能，并且大幅度节约了 合金元素与能耗，因此水被赋予最廉价的合金元素的称号。 通过对以上分析可以发现，控n j f l n 与控制冷却技术的有效应用，可以实现热轧钢 材综合性能优于常化处理钢材的目的。可以大幅度地提高钢板的性能从而实现等级的提 高；简化生产工艺，取消常化处理工艺，并节省热能；使无热处理设备的钢板生产厂家 能够生产优质板，解放了低( 微) 合金高强度、高韧性钢板的生产能力；能直接大量生 产造船、车辆、石油和天然气输送管、桥梁和容器、塔架和起重机械等工业部门需要的 热轧状态下的高强韧钢板；能充分发挥铌、钒、钛、钼等元素在钢中的作用，从而实现 合理利用资源，促进资源的开发，简化轧制工艺的目的。 1 3 3 形变奥氏体对组织的影响 l 、奥氏体对铁素体的影响 控n 车l i n 的主要目的就是为了在轧制过程中第二相的析出以及轧后的相变过程中 得到均匀细小的晶粒组织，提高钢材的综合性能。所以形变奥氏体一铁素体( y q ) 相变可以说是轧制过程组织演变及控制、实现铁素体晶粒细化的基本理论之一。 奥氏体再结晶区轧制对最终组织的细化效果比较弱，它主要是为奥氏体未再结晶区 轧制提供均匀细小的晶粒。同时，如果相变前奥氏体晶粒细化，可以使相变后的铁素体 晶粒得到细化【2 3 1 。奥氏体未再结晶区轧制不仅可以增加晶界有效面积，还将提高应变累 积能，增加奥氏体一铁素体相变的驱动力。相变前细化奥氏体晶粒还会使a r 3 点升高， 进而增加了先共析铁素体量。大内千秋等研究了变形对铁素体相变开始点舢的影响， 总体上来说，随着变形量的增加，a a 3 先是上升。当超过一定变形量后基本上不再随着 压下量的增加而变化，对于s i m n 钢来说，变形温度在8 8 0 以上时，压下率超过1 0 以后舢点几乎不随压下量的增加而变化，并且在这一温度范围内温度对她也几乎没 有影响【2 4 1 。 - 9 - 东北大学硕士论文第1 章绪论 2 、形变奥氏体对珠光体的影响 通过对大量钢种的分析研究，v m k h l e s t o v 等探明了变形对奥氏体一珠光体( y p ) 相变的影响规律。结果表明，变形对奥氏体一珠光体相变的影响规律具有以下特点。首 先，变形对奥氏体一珠光体相变具有加速作用，这种作用随着奥氏体未再结晶区区应变 累积变形量的增大而增大；其次，随着相变的进行应变累积变形能的降低，其对珠光体 相变的促进作用逐渐减退消失。 对于碳含量较低的亚共析钢来说，珠光体转变是在先共析铁素体析出之后发生的相 变过程，在连续冷却过程，由于珠光体转变需要在奥氏体中聚集一定的碳含量，所以珠 光体转变与铁素体转变有联系，且受铁素体转变过程的影响。 珠光体的形核点无论是在变形奥氏体还是在未变形奥氏体中均主要是在奥氏体的 晶界，但形变奥氏体中的形核率要比未变形中的形核率高2 3 倍。在两种组织中珠光 体的长大速率基本相同不受形变的影响。珠光体相变的形核点有如下特征，首先，相变 初期珠光体优先在晶界形核；其次随着相变的进行，珠光体在退火挛晶界和奥氏体晶界 处均发生形核，此时珠光体在变形带上也开始均匀形核；最后珠光体将在奥氏体晶粒内 部形核。 1 4 柔性轧制技术 随着轧制技术的进一步发展，人们对控轧控冷技术的研究及理解也越来越深入，要 求也越来越高，在总结吸收国内外先进轧制技术的同时，轧制技术及连扎自动化国家重 点实验室院士王国栋教授首先提出减量化轧制技术( r o l l i n gw i t hr e d u c i n gr e s o u r c e s ) 这一新的概念。可以说轧制过程的减量化技术是新一代可循环钢铁流程的重要组成部 分。它不仅仅包含减量化轧制技术还包括节约型钢材产品，其中减量化轧制技术主要包 括：短流程近终形轧制、柔性轧制技术、无头轧制技术、自由程序* l n 等；而节约型钢 材产品主要包括以下内容：细晶粒高强度钢、复相组织钢、低成本不锈钢、耐腐蚀长寿 命钢等。 从以上的分析可以看出，减量化轧制技术是多学科、多领域、高精尖技术的有机集 成，是现代轧制技术的又一次重大飞跃，代表了当代轧制技术发展的新方向。 而对于其中的柔性轧制技术( f r t , f l e x i b l er o l l i n gt e c h n o l o g y ) 是指能够导致轧制过程 具有较大灵活性和适应性的轧制技术，一般可分为两种类型：外形尺寸方面的柔性轧制 技术和组织性能方面的柔性轧制技术【2 5 】。对于第二种组织性能方面的柔性轧制技术来 讲，就是利用同一种化学成分的材料，通过对轧制、冷却过程的优化控制，生产出不同 - 1 0 - 东北大学硕士论文第1 章绪论 强度级别、不同组织和性能的产品。从而可大大简化炼钢、连铸过程的生产操作，有利 于生产的组织和调度，为实现生产的大规模化定制奠定基础【2 6 1 。 因此，柔性轧制技术的开发可以实现钢材生产过程中性能的多样化、柔性化，也就 是用同一个批号的坯料甚至炉钢根据用户需求的不同而生产出不同性能级别的产品， 达到以生产技术的柔性化来应对用户需求的多样化。可以改变过去那种为了满足用户对 不同强度产品的需求，往往是采用调整化学成分从而导致增加生产成本，加快稀缺资源 消耗等问题，同时也增加了冶炼工序成分控制难度，使冶炼、连铸、轧制面临频繁更换 钢种带来的衔接技术复杂化与管理复杂化。 随着科学技术的进步、社会的发展，人们对于钢铁材料的需求量越来越大，质量要 求越来越严格。同时钢铁工业的发展引发了资源、能源和环境等不可回避的问题，面临 前所未有的机遇和挑战，人们对钢铁材料的性能及使用寿命提出了更高的要求，即开发 既具有“双倍强度和寿命”又具有“易回收性”的超级钢。国家9 7 3 计划项目“新一代 钢铁材料的重大基础研究 取得的重要成果之一就是实现了4 0 0 - - - 5 0 0 m p a 超级钢的工 业生产及应用【2 7 】。它的成果主要内容就是在立足于现有的工业生产实际的条件之下以普 通碳锰钢为对象，通过轧制和冷却条件的控制，在成分基本不变的前提下实现屈服强度 翻番，材料同时具有良好的综合力学性能。从而在产品的性能、加工成本以及现有设备 条件之间建立起一种优化关系并且能够迅速应用于生产实际并产生良好的经济效益和 社会效益。 同时在冷却过程中，柔性技术也得到了很好的应用。轧后的冷却过程是奥氏体分解 相变的过程。在不同的冷却速度下，奥氏体可分解为铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体 或上述组织的混合体。在生产中采用哪种冷却方式来处理钢材，要根据对产品组织和性 能的要求、产品的厚度以及产品的成分等来确定。所以通过对冷却速度、冷却方式的不 同控制可以实现冷却的柔性化生产。 在工业生产中已经开始部分采用柔性冷却工艺，通过开发的超快冷却设备h r c 和 层流冷却相结合的方式，丰富了轧后冷却路径，为新钢种开发提供了更多的选择。在 q 3 4 5 微合金化钢的柔性控冷过程中实现了组织性能的大幅度改善；在h p 2 9 5 的轧制过 程中实现了对其屈强比的控制【2 8 】。可以说柔性生产技术在轧后冷却过程中的应用，实现 了冷却路径的可变性，为新钢种、高附加值钢种的开发提供了保障。 柔性轧制技术是以控制轧制控制冷却理论为基础而发展起来的一种新的轧制方法， 它具有控轧控冷技术所具有的所以优点，它是对控轧控冷理论技术的完善与发扬。除此 之外，这一新技术在发展初期就表现出来了它自己所特有的优点，主要表现在以下几个 绪论 生产 在生 产品 板来 变温 是钢 屈服 或位 断裂 和增 因 于某 一温度的技术条件。所谓f a t t ，即一组在不同温度下的冲击试样冲断后，对冲击断口进 行评定，当脆性断口面积占总面积5 0 时所对应的温度，其计算公式为： 尉玎= 彳一b d 州2 ( 1 1 ) 其中：a ，b 为常数，实际上转性转变温度受析出硬化、第二相组织( 珠光体，贝 氏体) 的数量和形态以及非金属夹杂物的影响 3 0 l 。 随着工程应用对材料高性能需求的提高和f a t t 是设计选材的最基本指标之一。因 此，一直把提高钢的仃。和降低f a t t 作为研究和开发的重点。了解影响仃。和f a t t 的微 观组织因素，将有利于在理论上指导新型高强度、高韧性钢的研究和开发。金属材料的 强化机制主要包括以下内容： 1 2 东北大学硕士论文第1 章绪论 1 5 1 细晶强化 细晶强化是钢中最重要的强化方式之一，它是一种既可提高金属材料强度又可改善 韧性的有效手段，也是应用比较广泛的强韧