（材料加工工程专业论文）微铌处理500mpa超级钢的工艺研究.pdf

童! ! 垄茎丝圭耋竺篁圣 一塑= ：叁 微铌处理5 0 0 m p a 超级钢的工艺研究 摘要 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 课题“5 0 0 m p a 碳素钢先进工业化制造技 术”的主要目标是将普通碳素结构钢q 2 3 5 的屈服强度由2 0 0 m p a 级提高到 5 0 0 m p a 级。因此，为了在现有工业条件下生产出以c 、m n 为主要成分并加入 极微量n b 的5 0 0 m p a 超级钢，本文对含锟钢奥氏体静态再结晶行为、铌的碳氮 化物在奥氏体和铁素体中的析出行为等物理冶金学过程进行了研究；对n b 在超 级钢中的作用机理进行了初步探讨；对5 0 0 m p a 超级钢的控轧控冷工艺进行了研 究，在此基础上制定了适合现场生产的轧制工艺，并进行了现场5 0 0 m p a 超级钢 工业实验，初步达到预期目标。论文主要内容包括： 1 以含铌o 0 2 的微铌处理碳锰钢为研究对象，并选用不含铌的对比钢，在 g l e e b l e l 5 0 0 热模拟实验机上进行不同参数的双道次压缩实验，通过对软化率 曲线的分析研究n b 对钢奥氏体静态再结晶行为的影响，修正微铌处理钢的 静态再结晶动力学模型。 2 以含铌o 0 2 4 的碳锰钢为研究对象，利用热模拟实验和萃取复型技术、透 射电镜观察，研究在舆氏体和铁素体中析出的铌的碳氮化物形态和析出时 +间，在此基础上结合工业实验和热轧实验中含铌钢与不含铌钢的性能比较和 析出物分析，探讨n b 在超级钢中所起的作用。 3 采用热模拟实验和实验室热轧实验，研究微铌处理5 0 0 m p a 超级钢的控轧控 冷工艺。研究了不同加热温度、终轧温度和卷取温度等对钢组织和性能的影 响，确定了5 0 0 m p a 超级钢的加热温度、终轧温度和卷取温度等工艺参数。 4 在本钢1 7 0 0 热轧机上进行了5 0 0 m p a 超级钢的工业实验，对所轧实验钢进 行了组织和力学性能检验，结果表明在细晶强化、沉淀强化和相变强化等的 综合作用下，实验钢屈服强度达到5 0 0 m p a 以上，塑性良好。 关键字微n b 处理超级钢屈服强度控轧控冷工艺晶粒细化 垒兰垄兰塑圭耋篁丝叁 垒! ! ! 坠呈! r e s e a r c ho ft h et m c p o f n b - m i c r o a l l o y e d5 0 0 m p as u p e r s t e e l a b s t r a c t t h em a i ng o a lo ft h e8 6 3p r o j e c to ft h ea d v a n c e di n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yo f 5 0 0 m p ac a r b o ns t e e li st oi m p r o v et h ey i e l ds t r e n g t ho ft h ec o m m o n c a r b o ns t e e lq 2 3 5f r o m2 0 0 m p ag r a d et o5 0 0 m p ag r a d e t h e r e f o r e ，t oe x p l o i tt h e n b - m i c r o a l l o y e d 5 0 0 m p a s u p e r s t e e lw i m ca n dm na sm a i n c o m p o n e n t t h ea u s t e n i t e s t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o n b e h a v i o ro fn b - m i c r o a l l o y e ds t e e la n dt h e p r e c i p i t a t i o n b e h a v i o ro fn b ( c n ) i na u s t e n i t ea n df e r r i t ew e r ei n v e s t i g a t e d ；t h es t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s mo f s u p e r s t e e lb ya d d i n g n bw a sr e s e a r c h e d t h et m c po f n b m i c r o a l l o y e ds u p e r s t e e lw a si n v e s t i g a t e d ，t h er o l l i n gs c h e d u l ew a s w o r k e do u ta n d t h ei n d u s t r i a lt r a i l sw e r ec a r r i e do u t 1 t h ea u s t e n i t es t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro fn b m i c r o a l l o y e d ( 0 0 2 、s t e e l w a s i n v e s t i g a t e dt h r o u g h d o u b l e h i t c o m p r e s s i o n w i t hd 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 su s i n gg l e e b l e15 0 0 h o ts i m u l a t i o nm a c h i n e t h es t a t i cs o f t e n i n gr a t e c u r v ew a sa n a l y z e dt o i n v e s t i g a t e t h ee f f e c to fn bo nt h ea u s t e n i t es t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o r , a n d 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 lo ft h e n b - m i c r o a l l o y e d s t e e lw a sa m e n d e d 2 t h e a p p e a r a n c e o fe d u c ta n dt h e p r e c i p i t a t i o n t i m eo f n b ( c n ) i n n b m i c r o a l l o y e df o 0 2 4 ) s t e e l w e r e i n v e s t i g a t e dt h r o u g h h o ts i m u l a t i o n t e s t s ，e x t r a c t i o nt e c h n o l o g ya n dt e m b e s i d e s ，t h ee f f e c to f n b o n s u p e r s t e e lw a s d i s c u s s e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ep r o p e r t yo fh o tr o l l i n gs t e e la n di n d u s t r i a lt r a i l s t e e lw i t ha n dw i t h o u tn b 3 t h ec o n t r o l l e d r o l l i n g a n dc o o l i n g p r o c e s s i n g o fn b m i c r o a l l o y e d5 0 0 m p a s u p e r s t e e lw a s s t u d i e d t h r o u g h h o ts i m u l a t i o nt e s ta n dh o t r o l l i n gt e s ti nl a b t h e a p p r o p r i a t et e m p e r a t u r e o fh e a t i n g ，f i n i s h i n g r o l l i n ga n dc o i l i n g o f5 0 0 m p a s u p e r s t e e lw e r ed e s i g n e d 4 t h ei n d u s t r i a lt r a i l so f5 0 0 m p a s u p e r s t e e lw e r ec a r r i e do u to nt h e17 0 0h o tm i l l s - 1 1 i - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i nb e n x ii r o na n ds t e e lc o r p t h ey i e l ds t r e n g t ho f t h et e s t e ds t e e l sw a se n h a n c e d t o5 0 0 m p aw i t hag o o d e l o n g a t i o nb ym e a n so fr e f i n i n gg r a i ns i z e ，p r e c i p i t a t i o n a n d p h a s e t r a n s f o r m a t i o ns t r e n g t h e n i n g k e yw o r d s ：n b m i c r o a l l o y i n gt r e a t m e n t ，s u p e r s t e e l ，y i e l ds t r e n g t h ，t m c p , r e f i n i n gg r a i ns i z e i v 东北大学硕士学位论文声明 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。 本人签名： 胡兹乳 日 期：2 0 0 4 年2 月1 0 日 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 1 绪论 钢铁材料的产量、质量和品种历来是一个国家工业发展水平的最重要标志之 一，是国民经济持续稳定发展的物质保证。目前，我国钢材年产量已经超过亿 吨，成为世界第钢铁生产大国，但仍不是钢铁强国，很大一部分高质量钢材因 不能生产或生产能力不足、产品质量不高而满足不了国内消费需求，需大量进口。 国民经济各主要产业部门所需要的关键钢材品种满足量远不到1 0 0 ，缺乏参与 国际市场竞争的优势。我国如何从钢铁大国成为钢铁强国，这个问题历史性地摆 在我们面前，亟待解决。我国钢材质量差的内在原因在于钢的纯净度低、成分和 微结构控制不严。因此，我国设立了新一代钢铁材料的重大基础研究项目，在其 它特性保持不变的条件下，使大量使用的碳素结构钢、低合金结构钢、合金结构 钢强度提高一倍( 这三类钢材占全国钢材总消费量的8 0 左右) 。 钢铁材料的性能与其组织形态密切相关，而钢铁材料的显微组织形态是由钢 材的化学成分和生产工艺决定的晶粒细化可以同时提高钢材强度和韧性，是改 善钢材性能的有效方法之一。近年来，许多学者对晶粒细化进行了深入的研究， y a d a 等发现了采用低温、大压下和间隙时间短的情况下可获得超细铁素体晶粒 1 。在细化晶粒的基础上，辅以相变强化、沉淀强化以及固溶强化，可以更加显 著得改善钢材的综合性能。控制轧制控制冷却技术可以通过调控钢坯加热和轧制 条件冷却条件等，实现组织控制，因此，充分利用控轧控冷工艺来提高产品的质 量己成为世界范围的普遍追求。同时，在控轧控冷的基础上采用微合金化可以更 好地改善钢材性能1 2 j 。 1 2 钢的强韧化机制 通常，钢的强韧化机理包括晶粒细化、相变强化、沉淀强化等。为了能够提 高钢材的强度，我们必须清楚地了解主要强韧化方式的作用机理和它们的定量计 算公式。 童! ! 奎茎至圭兰竺丝兰 ! 竺篁 1 2 1 主要强韧化方式 1 ) 晶粒细化p ，4 1 细晶强化是钢中最重要的强化方式之一，也是能同时提高强韧性综合性能的 最重要的方法。h a l l 和p e r c h 首先独立的得出了细晶强化的h a l 卜p e r c h 公式， 晶粒细化对屈服强度的贡献o 。可用下式表示： c r g = k y a l ” ( 1 一1 ) 式中的d 是有效晶粒尺寸。从目前金属材料领域，要想大幅度的同时提高材料的 强度和韧性，最好的方法是细化晶粒，目前国内工业生产中的晶粒一般在l o g m 左右。有人用超纯、超细铁粉，选取不同粒度挤压成型后测量粒度和强度的关系， 或将奥氏体不锈钢反复挤压、细化成型后测量这种关系。从而证明：金属材料可 细化到微米和亚微米级，在这个范围内，强度和晶粒度仍服从h a l 卜p e t c h 公式。 材料从传统细晶( 1 0 岬或稍大) 细化到l g m ，强度将提高一倍。如果细化到亚微 米范围，在0 5 p m 时仍维持h a l 卜p e t c h 公式，晶粒再细化，这种关系会出现偏 差。 晶界可把塑性变形限定在一定的范围内，使变形均匀化，因此细化晶粒可以 提高钢的塑性。晶界又是裂纹扩展的阻力，所以细化晶粒还可以改善钢的韧性。 由h e s l o p 和p i c k e r i n g 提出的低碳钢的韧脆转折温度表达式： 疋= a - b d l ” ( 1 - 2 ) 其中a 是依赖于化学成分的常数，而b 是表示抵抗脆性裂纹传播的常数，d 是晶 粒直径。从上式可以看出，随着晶粒尺寸的减小，韧脆转折温度下降，韧性提高。 目前，在国内的工业化生产中，所生产的热轧高强低合金钢的晶粒一般在 1 0 “趣左右，而现在在国内外在试验中已经得到l 肛l 左右或更细小的超细晶组织， 日本采用a r 3 以上稍高温度进行大形变量轧制得到约2 u m 的。晶粒，为目前报 道应用控轧得到的最细小组织。因此，通过新技术的应用，改进生产工艺、合理 调整微合金钢的化学成分，可以在工业生产中进一步的细化晶粒。把晶粒细化到 微米级，从而使常用的低合金钢的强度提高一倍，达到8 0 0 m p a 级。为了得到细 小的旺晶粒，通常采用方法有：( 1 ) 尽可能提高冷却速度；( 2 ) 母相y 晶粒尽可 能细化；( 3 ) 保持加工硬化状态的y 晶粒：( 4 ) 7 晶粒内部弥散分布适当的析出 东北大学硕士学位论文 1 绪论 物和非金属夹杂。 2 1 沉淀强化p 1 当钢中存在有第二相质点时，由于第二相质点与基体间存在应力场和应力场 与运动位错之间的交互作用，基体会产生强化。第二相质点是指除基体外的所有 其他相的质点，如碳化物、氮化物、氧化物、金属间化合物、亚稳中间相等。产 生第二相质点的方法可以是从过饱和固溶体中沉淀析出，也可以通过其他方法析 出，后者般称为弥散强化，而前者称为沉淀强化( 或析出强化、时效强化) 。 在一般金属中主要采用比较经济的沉淀强化来得到第二相质点。 根据g l a d m a n 等的理论，采用a s h b y 对0 r o w a n 修正模型，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，对沉淀强化有： op = ( 5 9 f “2 x ) 1 n ( x 2 5 x1 0 “) f 1 3 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 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，由于铜原子在铁素体中的聚集，也可导致硬化。 微量添加n b 、v 、t i 时，固溶在奥氏体中的n b 、v 、t i 在相变时或相变后 作为极其细微的碳化物、氮化物析出，这些析出物起到很强的沉淀强化作用，使 铁素体的强度提高且由于其细小弥散对钢材的塑性韧性的不利影响也很小。 总之，沉淀强化是一种非常有效的强化方式，添加微量的合金元素，就可获 得成百b l p a 的强度增量，而且，微合金氮化物还有相当重要的晶粒细化作用。因 此，微合金氮化物的沉淀强化是微合金钢中最重要的的强化方式之一。 3 ) 相变强化m j 传统的普碳钢一般是通过升高碳含量( 即珠光体含量) 来提高钢材强度的， 但钢材的韧性随珠光体含量的升高而急剧恶化。热轧后加速冷却将使组织为铁素 体+ 贝氏体组织代替原来的铁素体+ 珠光体组织。 当贝氏体形态为粒状贝氏体时，可以大大提高钢材的强度，并且不会恶化钢 材的室温塑性指标。c - m n 钢加速冷却使其强度提高的主要机制就是贝氏体相变 强化的结果。 东北走学硕士学位论文 】绪论 1 2 2 强化作用的定量关系式 钢材中屈服强度可以用上面提到的( 1 1 ) 式表示，而oo 又可以分为以下几项： 晶格强化项。c h 、固溶强化项os h , 位错强化项od h 和沉淀强化项。口h ，于是( 1 1 ) 改为： o y 2 oc h + o s h + o d h + op h + k y d “2 ( 1 - 4 ) 当变形发生在未再结晶奥氏体区时，屈服强度可用上式表示。 当未再结晶奥氏体区变形生成针状铁素体或马氏体时，微观组织具有很强的 晶体学织构，从而引起力学性能各向异性。因此考虑到横向纵向的织构强化和对 角线方向的织构软化有： o y 2 oo + 0 t + k 芦“。( 1 - 5 ) 当变形发生在两相区时，微观组织为多边形铁素体晶粒和亚晶粒的混合组 织，这时屈服应力应遵从加法法则，而且两相区也产生晶体学织构，因此可以写 成如下形式： oy = o o + a t c x t + k y d l 7 2 ( 1 f s ) + k s d s l 尼( 1 6 ) 一亚晶粒占的体积率； k y 一仅由大角度晶界构成时o ，与晶粒直径相关的系数： k 。一仅由亚晶粒构成时o ，与亚晶粒相关的系数； d 。一亚晶粒直径，l i l m 1 3 控制轧制控制冷却 控制轧制的主要目的是细化钢的组织，提高钢材强度和韧性，而轧后加速冷 却可以在组织中引入贝氏体，在细晶强化的基础上辅以相变强化机制。 1 3 1 控制轧制控制冷却的基本观点 单纯的控制轧制或控制冷却以及将二者结合在一起的技术一般称为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 ) 。由于各轧钢厂的轧钢设备能力、平面 布置及产品不同，要想经济有效地生产出所需性能的产品，t m c p 的具体内容也 东北大学硕士学位论文 1 绪论 随着各钢厂具体情况而异。 控制轧制的操作如图1 1 所示，控制轧制关键在于轧制是在比通常轧制温度 低的范围内进行。对低温韧性要求高时，需将力日热温度降低到正火温度。通过低 温轧制能够实现铁索体的大幅度晶粒细化，这样即使成分相同，也能得到比正火 或淬火、回火更好的强度和韧性。典型的控制冷却是在控制轧制后，从相变温度 以上开始冷却到相变温度范围上下1 0 左右，然后再空冷的工艺( 图l _ 1 ) ，可 在不损害韧性的情况下提高强度 8 】。 温 度 时间 图1 1 各种轧制程序的模式图日】 c r 一控制轧制；a c c - - 控制冷却 f i 9 1 is c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f d i f f e r e n tr o l l i n gm s a n s 通常的结构用钢，铁素体的晶粒大小经奥氏体到铁素体相变后，晶粒比奥氏 体更加细化。铁索体相变核在奥氏体晶界上大量生成，并向奥氏体晶界内生长， 直至铁素体晶粒互相接触后停止生长。t m c p 首先调整奥氏体状态，以便控制轧 制时增加铁素体相变形核点，再经控制冷却降低相变温度，促进铁素体形核点的 增加，以获得相变组织的微细化。 在9 0 0 9 5 0 以上对奥氏体加工后再结晶以某种速度生长。在再结晶温度 区的低温侧轧制，奥氏体再结晶形成微细晶粒，所以铁素体晶粒也被细化。如果 在再结晶温度以下使奥氏体变形，则奥氏体晶粒伸长，由于单位体积的晶界面积 增加，铁素体形核点也增加，铁素体晶粒被细化。并且，奥氏体晶粒内大量引入 东北大学硕士学位论文 1 绪论 被称为“形变带”的线状微观结构，同奥氏体晶界样，这些变形带中也生成铁 紊体核，所以奥氏体未再结晶区的轧制对铁素体晶粒细化起到很大作用。再结晶 区的积累变形量越大，铁素体晶粒细化效果越明显，力学性能就得到更好的改善 1 1 9 。 对再结晶后的奥氏体进行控制冷却，铁素体发生某种程度的晶粒细化，但效 果并不显著。如果对束再结晶奥氏体进行控制冷却，则不仅在变形后的奥氏体晶 界面或变形带产生晶核，在奥氏体晶粒内也生成铁素体核，实现了铁素体的大幅 度晶粒细化。控制冷却将空冷时生成的珠光体变成微细分散的贝氏体，在提高强 度的同时改善延展性1 肛。 某些微合金元素能够与控制轧制相配合，进一步改善钢材性能。例如：铌( n b ) 可以使奥氏体的再结晶温度上升，强化未再结晶区的轧制效果。由于固溶在奥氏 体中的n b 能提高淬火性，因此，它具有细化铁素体晶粒、增加贝氏体比率的效 果。 1 3 2 控l # l l s l 制的实质 控制轧制的目的是使奥氏体中尽可能大量地形成铁素体相变核，并有效地将 铁素体晶粒细化，控制轧制技术的要点可具体归纳如下【8 1 ： 1 ) 尽可能的降低加热温度，即将开始轧制前的奥氏体晶粒微细化。 2 ) 合理调整中间温度区( 例如9 0 0 。0 以上) 的轧制道次程序，通过反复再 结晶使奥氏体晶粒微细化。 3 ) 加大奥氏体未再结晶区的累积压下量，增加奥氏体每单位体积的晶粒个 数和形变带面积。 从机理上考虑，上述1 ) 、2 ) 、3 ) 细化铁素体晶粒的效果是叠加的。 1 3 3 控l # 1 t e i 制的三个阶段 实际生产中控制轧制操作因轧机的组成、能力等不同而各异。一般分为加热、 粗轧、精j f l - - 个阶段。运用控制轧制时，“粗”、“精”轧并不一定意味着在粗轧 机、精轧机进行轧制。精轧是指在特定的轧制温度下给出所需要的总压下量，然 后在指定的温度下完成精轧。粗轧是进入精轧前的轧制，通常需要在粗轧后和达 东北大学硕士学位论文 1 绪论 到精轧开轧温度的这一段时间内延迟冷却m3 1 。控制轧制的各阶段具体为： 1 ) 加热阶段 加热温度决定轧制前奥氏体晶粒的大小，温度越低晶粒越细。考虑到轧机能 力，通常轧制时加热温度为1 2 5 0 左右的高温。但是，对低温韧性要求高时， 按通常的轧制加热温度，奥氏体太过粗大对相变组织不利，精轧前的待温时间也 很长。在这种情况下，有必要将加热温度降低到1 1 5 0 。c 左右，必要时降低到9 5 0 左右，以消除上述不利因素。如果用9 5 0 的低加热温度，粗轧和精轧几乎可 以连续进行。粗轧温度高精轧温度低，待温冷却时间长时，铌钢相变后会产生明 显的混晶组织，因此应该避免。另外，加热温度极低时含铌钢中铌未完全固溶， 因此会达不到预期的析出强化效果。 2 ) 粗轧阶段 粗轧通过各个轧制道次的再结晶渐进地将奥氏体晶粒细化。轧制前的结晶晶 粒越细，再结晶后的奥氏体晶粒越细；轧制温度越低再结晶后的晶粒长大越慢。 实际上，该阶段的轧制道次压下率受到轧机转矩、容量的限制而被限定在5 1 5 ，一个道次的压下量有时不足以完全进行再结晶，有时会发生部分再结晶。 但是，通过未再结晶部分加工硬化的积累，最终可达到完全再结晶的效果。在该 温度区域，在降低平均s l 错, j 温度和增加压下量的同时，奥氏体晶粒被细化。 3 ) 精轧阶段 精轧的开始温度一般设定在9 5 0 8 5 09 c 左右。在未结晶状态下的压下可以 拉长奥氏体晶粒增加形变带，从而细化铁素体晶粒。低温区产生的变形阻力非常 大，考虑到轧制负荷和板形，1 个道次要达到1 5 以上压下率很困难。但是，通 过低温累积大压下也可以达到同样的细化晶粒效果，因此，低温大压下也是控制 轧制的一个特斛m 15 1 。 1 3 4 控制冷却的意义 控制冷却指轧后加速冷却即将轧制后的奥氏体以高于空冷的速度从a 。以上 的温度控制冷却至相变温度区域，其意义为1 6 1 9 】： i ) 对于一定尺寸的奥氏体晶粒，由于降低a n 温度，使多边形铁索体细化， 但是根据实际经验，对再结晶奥氏体进行水冷的效果并不很大。对未再结晶奥氏 东北大学硕士学位论文 1 绪论 体控制冷却时，会产生明显的铁素体晶粒细化效果； 2 ) 加入微合金元素增加了沉淀强化，较低的铁素体转交温度范围导致产生了 较细小的粒子； 一 3 ) 若钢的化学成分适宜，它会促使强韧的低碳贝氏体形成； 4 ) 在不降低强度的情况下，有可能减少钢中碳当量，有利于改善焊接性、成 形性和韧性； 5 ) 消除了珠光体条带。 控制冷却一般从a r 3 以上的温度开始，在相变终了温度附近( 5 5 0 5 0 0 。c ) 结束，然后进行空冷。控制冷却后的组织一般为细晶粒铁素体和微细弥散型贝氏 体的混合组织。 1 3 5 控制轧制中合金成分的影响 控轧钢中加入微合金元素，其主要目的是为了与控制轧制相配合，达到最大 程度的细化晶粒的目的。微量添加元素在控制轧制中对4 个重要参数：加热时的 奥氏体晶粒、再结晶的抑制、相交行为及析出硬化有很大影响【8 ，1 5 1 。常用的微量 添加元素有n b 、t i 、v 。下面分别叙述它们在控轧钢中的作用： 1 、n b 2 0 1 j 铌在控制轧制和热机械处理时，会产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化。 在铌含量小于万分之几时就很有效；增大含量不会引起任何重大的改进。当铌与 钼结合时，可以获得特别高的位错强化，但通常各向异性很显著。 铌是在控制轧制中晟有利的元素，固溶在奥氏体中的锟能很好地控制加工后 的再结晶，还能将再结晶温度提高1 0 0 c 以上，这作用使一般程度的控制轧制 效果在较高温度也可以获得。但是对固溶体中阻止再结晶的铌的作用机理却还没 有完全清楚。 关于铌在诱导相变获得超细晶粒铁素体中的作用，经过研究，人们认为添加 n b 后有利于钢中诱导相变的发生。n b 提高了诱导相变临界温度，降低了诱导相 变临界变形量，并对诱导相变细晶铁素体的长大有抑制作用，因此拓宽了利用临 界轧制工艺获得细晶组织的控轧控冷工艺窗口。人们采用含铌的低碳低合金钢和 相应成分的普通c - m n 钢对比得出了以下结果： 东北大学硕士学位论文 1 绪论 形变提高的含铌钢相变温度要比c m n 钢的相变温度提高的更多； 含铌钢发生诱导相变所需的最小变形量要小于不加铌的钢； 提高应变速率促进诱导相变的发生，对含铌钢影响较大； 利用诱导相变获得超细铁素体，需要在非再结晶区轧制才能得到大量的细 晶铁素体组织。铌扩展了诱导相变控轧工艺窗口； 钢中加入铌有效的阻止了铁素体长大，从而拓宽了控冷工艺窗口。 2 ) v 【2 2 】 钒除了溶解温度较低和阻止再结晶的效果较弱外，和铌有相似的作用。钒仅 在9 0 0 。c 以下对再结晶才有推迟作用，在奥氏体转变以后，钒几乎已完全溶解， 所以在固溶体中，钒仅作为一个元素来影响奥氏体向铁索体转变。与铌相比，钒 使那些不希望有的非多边形产生的较少，这个特性对于厚度较大的钢板是十分有 利的。钒会产生中等程度的沉淀强化和比较弱的晶粒细化，而且是与它的重量百 分比成比例的。氮加强了钒的作用。为了获得特别大的强化效果，可用钒的沉淀 强化和铌的晶粒细化相结合，而且得到了织构较弱的产品。 3 ) t i 2 3 也4 】 随钛含量的增加，由于会发生强烈的沉淀强化，因而会提高热轧产品的强度， 但是，晶粒细化却是中等的。和强度等级相同的铌钢相比，钛钢的热轧产品的抗 脆性断裂性能较低。因为高强度钛钢的冷成型性能特别好，而且在纵向、横向和 厚度方向上的性能均匀，所以加入钛是十分有利的。但是由钛所引起的屈服强度 的增加是十分复杂的。 因为钛和氮有很强的亲和能力，所以钛在钢水中就形成了氮化钛。钛在加入 量大约在0 0 2 5 以下不改变强度。这个值与氮含量有关。钛的含量较高的钢， 其强化作用与锰的含量有关。在中等的氮含量的情况下，强度的增加好象是线形 的，在低锰的含量下，屈服强度的增加开始比较缓慢的，随着钛含量的继续增加 而迅速增加。在较高的锰含量下却出现了相反的倾向，随着钛含量的增加其强化 作用降低。 另外，要考虑普通合金元素c 、m n 、c u 、n i 、c r 、m o 的最佳化。小指军夫 针对中厚板建立了如下的相变点预测模型： a r 3 = 9 1 0 - 3 1 0 c - 8 0 m n - 2 0 c u 1 5 c r _ 5 5 n i - 8 0 m o - 0 3 5 ( t _ 8 )( 1 7 ) 这里t 表示板厚，成分为质量分数。 东北大学硕士学位论文 l 绪论 从( 1 7 ) 式可知，合金元素降低了从奥氏体到铁素体的相变温度a r 3 。因此 扩大了奥氏体未再结晶加工区域，能有效地进行控制轧制。由于a r 3 的降低还抑 制了相变后铁素体的生长，因此对铁素体晶粒细化也有利。碳会降低焊接性，因 此要尽可能降低碳的含量，由此可引起a ，3 的上升，因此要依靠添加m n 、c u 、 n i 等来控制。 利用合金元素沉淀强化的作用，可以使钢的强度明显升高，但不采用控制轧 制会使钢的韧性变坏。只有通过控轧，在热变形过程中析出特定大小的质点，阻 止再结晶后的晶粒长大，使晶粒细化，取得提高钢板强韧性的目的。同时合金元 素的加入可以提高再结晶温度，扩大奥氏体未再结晶区，有利于低温控制轧制工 艺的进行。 1 4 热变形奥氏体的再结晶行为 奥氏体热变形和此后的再结晶是控轧控冷的基础理论。在这里我们只研究静 态再结晶行为。 1 4 1 奥氏体的静态再结晶 高温奥氏体在热变形后的等温停留过程中发生的回复和再结晶过程称为静 态回复和静态再结晶。如果变形过程发生了动态再结晶，则变形后发生的再结晶 过程称为亚动态再结晶。静态再结晶和亚动态再结晶是变形后静态软化过程的主 要机制，对轧制过程的组织变化及控制具有重要意义。 钢在高温奥氏体区进行变形的时候，由于高温变形使晶粒内部存在形变储存 能，使其处于不稳定的高能状态，因此在变形后的等温保持过程中，将会发生回 复和再结晶来释放变形过程中产生的储存能，使系统由不稳定的高能状态转变为 较稳定的低能状态，这是一个自发的过程。对于普通的碳素钢来说，在变形温度 高的时候，如在初轧几个道次间隔时间内会发生静态再结晶而使加工硬化得到完 全的恢复 2 5 2 7 1 。 静态再结晶和亚动态再结晶的驱动力均为变形储存的应变能。因此能够影响 应变能的因素都对静态再结晶和亚动态再结晶有影响。影响应变能的热变形参数 主要有形变温度、形变速率、停留温度、停留时间和形变量，它们都对热变形奥 东北大学硕士学位论文1 绪论 氏体高温等温停留时的组织状态有影响。 对于高强度低合金钢来说，由于钢中微合金元素的拖曳作用，以及微合金元 素的析出物对晶界的钉扎作用使再结晶作用受到抑制。特别是在发生应变诱导析 出的时候，形变奥氏体再结晶将受到极大程度的抑止作用。这主要是由于微合金 碳氮化物在晶界和位错上的析出，阻止了晶界的移动，使完全再结晶的发生需要 更长的时间。 1 4 2 静态再结晶研究的实验方法 静n n n n - - 般采用间断的双道次压缩法，在热模拟实验机上进行不同间隔 时间的双道次压缩实验，记录应力应变曲线，根据应力应变曲线计算软化率( x 。) ， 最后绘出软化率间隔时间曲线，这一曲线反映了静态再结晶的动力学过程。软 化率的计算方法主要有：补偿法( o f f - s e t ) 、后插法( b a c k e x t r a p o l a t i o n ) 和平均应 力法( a v e r a g es t r e s s ) 等。常用补偿法和后插法【2 9 , 2 9 。 图1 2 后插法测定静态再结晶软化率方法示意图1 f i g1 2s c h e m a t i cd r a w i n go f b a c k - e x t r a p o l a t i o nm e t h o d t od e t e r m i n es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n s o ：r e n i n gf r a c t i o n 后插法( b a c k e x t r a p o l a t i o n ) 可以在计算软化率的过程中，剔除变形后静态 回复产生的软化，和实际的静态软化率x 。比较接近。具体做法是：将第一道次 b，pg 东北大学硕士学位论文 1 绪论 真应力一真应变曲线向第二道次真应力一真应变曲线方向平移，如图1 2 的虚线部 分所示，移至与第二道曲线部分重合。这里将平移线( 图中所示为虚线) 与第一 道次压缩实验卸载交点所对应的应力定义为唧如下图所示。第二阶段变形中的 流变应力主要随变形间隔时间和第一阶段的应变而变化。影响回复和静态再结晶 动力学的冶金因素同样也会影响软化。静态再结晶软化率可以按照下式计算： x s - i o m - - o i r ( m ) 吒一盯o 、。 式中，a 。为卸载时所对应应力，g o 和o t 分别为第一道次和第二道次热变形时的 屈服应力。 图1 3 补偿法测定静态再结晶软化率方法示意图口9 1 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f o f f - s e tm e t h o d t od e t e r m i n es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o ns o f t e n i n gf r a c t i o n 补偿法( o f f s e t ) 是另一种测定静态软化率的有效方法。补偿法简化了实 验过程，在数据采集方面更加简单明了。本文采用双道次变形的方法，应用补偿 法测定这一参数。具体方法是：在真应变量坐标轴上取一点使其真应变值为o 0 0 2 ( 即o 2 ) ，过这一点作一条直线，该直线与第一道次变形曲线的开始部分( 即 弹性变形阶段) 平行，直线与第一道次的真应力- 真应变曲线的交点即为第一道 次的屈服点a o ，同理，将第二道次的真应力一真应变曲线延长，直至与真应变量 坐标轴相交，得到一个交点。在偏移该交点o 0 0 2 单位的真应变值的地方作一条 查! ! 垄兰堡圭兰竺尘耋 ! 窒竺 直线，使其平行于第二道次的开始部分。直线与第二道次真应力一真应变曲线的 的交点即为第二道次的屈服点吼，第一道次的卸载点对应的真应力为g 。图1 3 表示了应用补偿法采集o o 、o ，时的具体操作方法。图中虚线为延长线和辅助平行 线。应用( 1 培) 即可计算出不同变形温度下的静态软化率。 通常认为静态软化率x s = o 1 5 0 2 0 时开始发生再结晶，静态软化率 x s = o 9 0 时完成再结晶。 1 5 超级钢的研究与发展 超级钢研究主要目标之一是在原有普通q2 3 5 钢的基础上进行细化晶粒和纯 净化处理，使其强度提高，寿命增加。 传统钢中，晶粒尺寸在l o o l am 以下就称为细晶粒钢，即传统细晶粒钢，随 着冶金技术和生产工艺的不断进步，细晶的尺寸不断缩小，甚至达到了微米、亚 微米，细化晶粒的手段主要是t m c p 技术和微合金化相结合【3 。 利用t m c p 工艺可以细化晶粒提高强度。在实验室中，晶粒尺寸已达到1 微 米，但在实际工业生产中，所得钢的晶粒尺寸要大一些，这种采用t m c p 技术生 产的钢具有高强度高韧性和低碳当量的特点，已广泛用于各种工程和建筑行业。 在单纯采用控轧控冷技术的基础上，充分利用合金化作用和生产工艺技术相 结合的优势，来发展新一代钢铁材料，目前正处于研制阶段的新一代钢铁材料在 充分考虑经济性的条件下，具有高洁净度、超细晶粒，高均匀度的特征，强度比 常用钢铁提高一倍，钢材使用寿命增加一倍。高洁净度，指s 、p 、0 、n 、h 元素 的总含量小于8 0 1 0 一，这样不但可以提高钢材原有的性能，有时还可以赋予钢 新的性能：超细组织，晶粒尺寸在0 1 1 0 l - tm 之间，细化晶粒是唯一能提高强 度而不降低韧性甚至提高韧性的方法；高均匀度指的是成分、组织和性能很均匀， 波动范围很小。在钢的化学成分一工艺一组织一性能的关系中，强调了组织的主 导地位，而调整成分与利用生产工艺是获得超细微观组织的主要手段 3 0 , 3 t 1 。 超级钢与同等强度的传统钢相比，其化学成分的主要特点是碳含量低，其强 化手段不是通过增加碳含量，而是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合 的方法来达到提高韧性的目的。晶粒细化( 包括变形细化和相变细化) 是最佳的 强化机制，利用微合金元素第二相粒子析出的沉淀强化是超级钢采用的另一种强 查! ! 垄兰丝圭兰竺垒塞 ! 丝：竺 化机制高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒长大有效，但不会造成强 化，强化粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成的，位错与亚结构强化也是一种 有效的强化方式。 国外在这方面已经开展了大量研究并取得了一定成果。日本1 9 9 7 年启动的 四个大型科研项目之一是“超级钢计划”，项目为期十年，总费用高达1 0 0 0 亿日 元，“超级钢计划”是开发相当于现有钢铁材料两倍寿命和强度的s t x 一2 1 新型钢 铁材料和超高纯度铁【3 2 。北美和欧洲已经重新认识了钢铁材料的重要作用，联合 研究新型高效钢铁材料，以满足未来汽车对材料的需求。与国外单纯追求晶粒细 化不同，国内研究主要以工业应用为目标并取得了显著成果，在9 7 3 项目( 新一 代钢铁材料的重大基础研究) 中，已实现了在工业条件下使q 2 3 5 的铁素体晶粒 细化到3 5pm ，屈服强度达到了4 0 0 m p a ，我国上海宝钢集团公司研制开发的 s s 4 0 0 钢已经投入大量工业生产。在国家十五8 6 3 项目“5 0 0 m p a 碳素钢先进工 业化制造技术”中，提出要实现在现有的工业条件下，使碳素结构钢q 2 3 5 屈服 强度提高到5 0 0 m p a 。因此，如何在不降低韧性的前提下、针对各钢厂不同的 轧制条件切实可行地进一步提高钢的强度，这成为了摆在我们面前的新问题。 1 6 本课题的研究背景和内容 1 6 。1 本文研究背景 日本1 9 9 7 年启动的四个大型科研项目之一是“超级钢计划”，我国从1 9 9 8 年 启动了国家重点基础研究发展项目( 9 7 3 ) 一一新一代钢铁材料的重大基础研究。 其目标是研究新一代钢铁材料生产和使用过程中的重大基础问题，将碳素结构钢 的屈服强度由目前的2 0 0 m p a 提高到4 0 0 m p a ，东北大学轧制技术及连轧自动化国 家重点实验室承担项目中“低碳钢轧制过程中实现晶粒细化的基础研究”课题， 研究目标是，对于现有q 2 3 5 级别的碳素结构钢，在对轧制过程中实现晶粒细化 的有关理论进行研究的基础上，在现有工业生产条件下，批量生产出铁素体晶粒 尺寸接近4 u m ，屈服强度为4 0 0 m p a 的新一代碳素结构钢带产品。到目前为止通 过控轧控冷等手段已经实现了在工业条件下，使q 2 3 5 钢的强度提高到4 0 0 m p a 。 在此基础上在国家十五8 6 3 项目“5 0 0 m p a 碳素钢先进工业化制造技术”中，提 东北大学硕士学位论文1 绪论 出要实现在现有工业条件下，使碳素钢q 2 3 5 屈服强度提高到5 0 0 m p a 。 本文结合“5 0 0 m p a 碳素钢先进工业化制造技术”课题展开研究。由于单纯 依靠铁索体晶粒细化会带来屈强比过高的问题，影响材料的成型性，所以需要引 入复合强化机制。我们在5 0 0 m p a 超级钢的研究中，走微合金化与控轧控冷相结 合的技术路线，其中所加微合金元素为n b ，在细晶强化基础上引进复合强化机 制来提高碳素钢强度。因此我们主要针对微铌处理超级钢的物理冶金问题和控轧 控冷工艺的开发进行研究，目的是在现有工业条件下在普碳钢q 2 3 5 基础上开发 出5 0 0 m p a 级超级钢。 本文对微铌处理碳锰钢的奥氏体静态再结晶行为、铌的碳氮化物析出行为进 行了系统的研究，在此基础上进行了大量实验室实验来研究微铌处理碳锰钢的控 轧控冷工艺，并在现场进行了工业实验，以期开发出5 0 0 m p a 级超级钢。 1 6 2 本文研究内容 1 ) 研究微n b 处理的碳锰钢高温变形后的静态软化行为，并与不含n b 钢对比来 分析n b 对静态再结晶的影响，并修正相应的静态再结晶动力学模型。 2 ) 研究n b 的碳氮化物在高温、低温以及热轧态的析出情况，分析n b 在提高钢 材强度方面的作用机理。 3 ) 研究控轧控冷工艺参数对微铌处理钢组织性能的影响，探讨适于现场生产的 控轧控冷工艺并进行实验室热轧实验。 4 ) 在实验室研究的基础上调整普碳钢成分，制定现场生产工艺，进行5 0 0 m p a 超级钢工业实验。检验所得钢性能，与传统控轧控冷普碳钢对比分析引起性 能差异的原因。 东北大学硕士学位论文 2 微铌处理钢奥氏体静态再结晶行为研究 2 微铌处理钢奥氏体静态再结晶行为研究 钢材控s u 车l s u 的重要目标是获得细小均匀的铁素体晶粒。钢在奥氏体区温度 范围内因奥氏体晶粒重复发生再结晶而细化，为铁素体晶粒的细化提供基础；在 奥氏体未再结晶温度范围内变形，奥氏体晶粒被拉长，晶内出现变形带位错密度