（材料加工工程专业论文）特高强度汽车板强化方式及控轧控冷工艺研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本文结合国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目 “5 0 0m p a 碳素钢先进工业 化制造技术”课题，以含t i 的低碳高锰钢为对象，通过热模拟实验及热轧实验对 高强度钢板的强化方式及控轧控冷工艺进行了研究。论文的主要工作包括： 1 利用g l e e b l e - - 1 5 0 0 热模拟试验机，采用热膨胀法绘制了试验钢的静态及 动态c c t 曲线，对过冷奥氏体连续冷却转变规律进行了研究。结果表明，奥氏体 变形促进铁素体相变，抑制贝氏体及魏氏组织的形成。随着冷速的增加，珠光体 逐渐被贝氏体取代，显微组织中贝氏体含量随冷却速度的增大而增加。变形和提 高冷却速度均使晶粒得到细化，并且使铁素体的形状更加规则。 2 通过单道次压缩实验，对试验钢的高温变形行为进行了研究。变形温度、 变形程度和变形速率都影响奥氏体的变形行为。在变形速率相同时，随着变形温 度的升高，真应力应变曲线从动态回复型转变为动态再结晶型，且动态再结 晶曲线的峰值应力随变形温度的升高而下降，峰值应变也随之变小。变形温度相 同时，发生再结晶的温度随着变形速率的增大而上升。在相同的变形速率下，变 形抗力随变形温度的降低而升高。在一定的变形程度下，随变形速率的增加，变 形抗力增加。 3 通过热模拟实验及热轧实验，对不同工艺参数的钢板的显微组织及性能进 行了对比和分析，研究了加热温度、终轧温度、卷取温度等参数对热轧钢板显微 组织及力学性能的影响。加热温度低，微合金元素溶解不充分，影响析出强化的 效果。终轧温度降低，反而使强度降低。含t i 钢的卷取温度有一个强度最高值， 本试验钢的卷取温度为5 4 0 左右时，屈服强度和抗拉强度最高。 4 热轧高强度钢板的显微组织以细小的板条贝氏体为主，贝氏体中存在高密 度的缠结位错，大量细小、弥散的t i c 沿位错线及晶界析出或聚集，形状接近方 形，尺寸在几纳米至几十纳米之间。 5 确定了生产高强度热轧钢板的合适的控轧控冷工艺：加热温度为1 2 5 0 。c ， 开轧温度9 3 0 。c ，终轧温度7 9 0 。c ，快冷速度3 0 - 、- 4 0 。c s ，5 4 0 。c 左右卷取。此工 艺得到的钢板屈服强度达到8 3 5 m p a ，抗拉强度达到8 9 5 m p a ，延伸率达2 0 。 关键词控轧控冷高强度钢板t i 析出强化板条贝氏体 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 k so ft h i sp a p e rw e r ec a r r i e do u ti n t e g r a t i n gw i t ht h e 8 6 3 ”p r o je c to f t h e a 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 et e c h n o l o g yo f5 0 0 m p ac a r b o ns t e e l ”t h es t e e lw a s l o wc a r b o nh i g hm a n g a n e s es t e e lw h i c hc o n t a i n e dt i b yt h et h e r m a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa n dh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t s ，t h es t r e n g t h e n i n gs t y l e sa n dt h ec o n t r o l l e d r o l l i n ga n dc o o l i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ri n v o l v e da s f o l l o w s ： 1 t h es t a t i ca n dd y n a m i cc c tc u r v e sw e r ec o n s t r u c t e do ng l e e b l e - 150 0t h e r m a l m e c h a n i c a ls i m u l a t o r , a n dt h er u l eo ft h ea u s t e n i t 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 n w a ss t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tf e r r i t et r a n s f o r m a t i o nw a sp r o m o t e db yd e f o r m a t i o n ，t h e f o r mo fb a i n i t ea n dw i d m a n s t a t e ns t r u c t u r e sw e r er e s t r a i n e d t h ec o n t e n to fb a i n i t e i n c r e a s e da st h ec o o l i n gr a t ei n c r e a s e d t h eg r a i n sc o u l db er e f i n e db yb o t ht h e d e f o r m a t i o na n dt h ei n c r e a s i n go ft h ec o o l i n gr a t e s 2 t h ed e f o r m a t i o n sa th i g h t e m p e r a t u r ew e r es t u d i e db yt h es i n g l ep a s s c o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s t h ed e f o r m a t i o no fa u s t e n i t ew a se f f e c t e db yd e f o r m i n g t e m p e r a t u r e ，d e g r e ea n dr a t e w h e nd e f o r m i n gr a t e sw e r et h es a m e ，t h es t r e s s - - s t r a i n c u r v e st r a n s f e r r e dt or e c r y s t a l l i z a t i o ns t y l ef o r md y n a m i cr e c o v e r ys t y l e ，a n dt h e s t r e s s e sa n dt h es t r a i n so ft h ep e a kp o i n t sd e c r e a s e da st h ed e f o r m i n gt e m p e r a t u r e s r i s i n g w h e nd e f o r m i n gt e m p e r a t u r e sw e r et h es a m e ，t h er 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 e s d e c r e a s e da st h ed e f o r m i n gr a t e sr i s i n g t h er e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o nr a i s e da st h e d e f o r m i n gt e m p e r a t u r ea n dr a t er i s i n g 3 t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es t e e ls h e e t sw i t h d i f f e r e n te x p e r i m e n tp a r a m e t e r sw e r ec o m p r i s e da n da n a l y z e db yt h et h e r m a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa n dh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t s t h ee f f e c t so ft h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h e f i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d i ft h es o l u t i o no ft h ea l l o y sw a sn o ts u f f i c i e n t ，t h e e f f e c to fp r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e nw o u l db ew e a k e n e d t h ef i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e d e c r e a s e d ，t h es t r e n g t h sd e c r e a s e d t h es t e e lh a di t sh i g h e s ty i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l e s t r e n g t hw h e nc o i l i n gt e m p e r a t u r ew a sa b o u t5 4 0 。c 一i l 东北大学硕士学位论文 a b s t l 8 c t 4 t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h eh i 曲s t r e n g t hs t e e ls h e e tw a sl a t h s h a p e db a i n i t e t h e r ew e r eh i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o n si nb a i n i t e ，l o t so fd i s p e r s e dt i cp r e c i p i t a t e da l o n g t h ed i s l o c a t i o na n dt h eg r a i nb o u n d a r y t i cw a ss q u a r es h a p e 5 t h ep r o p e rc 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 sw a s h e a t i n gt e m p e r a t u r e ： 1 2 5 0 。c ，s t a r tr o l l i n gt e m p e r a t u r e ：9 3 0 。c ，f i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e ：7 9 0 * c ，c o o l i n g r a t e ：3 0 4 0 。c s ，c o i l i n gt e m p e r a t u r e ：5 4 00 c t h ey i e l ds t r e n g t ho ft h eh o tr o l l i n gs t e e l s h e e t sw a s8 35m p aa n dt h et e n s i l es t r e n g t hw a s8 9 5m p a ，e l o n g a t i o nw a s2 0 k e yw o r d s c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n g ，h i g hs t r e n g t hs t e e ls h e e t ，t i ，p r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g ， l a t h s h a p e db a i n i t e i i i 声明尸明 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意。 学位论文作者签名：盔畸 日 期：妒2 。加 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： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着经济发展及公路等级的不断提高，道路运输业对运输车辆的要求呈现出 大型化、高速化和专用化的发展趋势。为了维护公路的正常使用与车辆的正常运 行，保障人民的生命与财产安全，克服高能耗、低效率所带来的种种弊端，道路 运输业和车辆制造业都面临着观念与行为上的转变。我国长期以来存在的货运车 辆“超载”、“超限”运输及“大吨小标”等不正常现象在欧美等发达国家早已 销声匿迹，而在我国还未得到彻底的治理，从丽限制了宏观经济的发展，因此， 载货汽车和专用汽车厂商在追求自身最佳利润的同时，有责任和义务为降低车辆 使用成本，保障车主、公路投资者及社会公众利益做出积极的贡献。 为了实现这一目标，应当借鉴欧美等发达国家发展载货汽车及专用汽车的一 条重要经验，即努力降低车辆自身质量和油耗( 重要的经济性指标) ，减少对环境 的污染，提高车辆的安全性，并通过立法、减税等方式进行引导，而这丝毫离不 开优质原材料在强度和轻量化等方面的鼎力支持。 有研究表明，汽车每减轻9 1k g ，平均ll 燃油可多行驶0 4 3k m 【l j 。在国 家开始征收燃油税以后，车辆使用成本会急剧上升，由此带来的整车售价在总成 本( 包括购置与使用) 中的比例会更小，到时车辆能否更轻、更省油、更可靠将 成为用户真正关心的焦点。 当今社会经济发展中，能源和环境问题已成为不可回避的重大社会课题。汽 车的减重( 轻型化) 是降低油耗的重要途径( 约占5 0 以上) ，可见汽车减重对节能、 改善环境的意义是十分巨大的。因此，在现代汽车的结构性能中，减轻车重、降 低油耗、减少环境污染和提高安全性一直是重要的课题，减重并提高安全性的高 强度钢板是汽车用钢板需求和开发方向的主体，由此也极大地促进了高强度钢板 的制造及应用技术的进步。 钢材在汽车上的使用比例是所有材料中最大的，因此在许多强度要求较高且 消耗钢材又大的部位充分采用具有特种强度的钢材( 简称“特强钢”，优于“高 强钢”，即普通高强度钢) ，这将有利于降低车辆的自身重量，提高车辆的紧凑 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 性，并改善车辆的许多关键性能指标，达到其他钢材力所不及的地步，这对尺寸 较大的商用汽车，尤其是专用汽车、货车底盘及货箱的作用尤为明显。以日本高 强度钢板在汽车上的应用为例，1 9 9 7 年在轿车上使用的高强度钢板已达到3 0 4 0 ，在货车上使用的比率为5 1 0 ；2 0 0 0 年在轿车上增加到5 0 ，在货车 上增加到2 0 3 0 ，强度水平已达到1 5 0 0m p a 。 8 0 年代末，汽车工业被确定为我国国民经济的支柱产业，随着各条汽车生产 线的建成、投产，我国汽车工业进入一个高速发展的时期。汽车工业的飞速发展 不仅对汽车工业本身，而且也对其相关工业提出了极高的要求。作为汽车生产的 主要用材，汽车钢板在很大程度上决定了汽车工业发展的水平。汽车钢板生产水 平的高低、质量的好坏，不仅直接影响到板材的各种加工性能及汽车的外观造型， 而且还影响着汽车制造所追求的节能节材及安全、环境等社会经济目标。 随着我国汽车产量的不断增加，对汽车钢板的需求量也在大幅度增长，对钢 板的品种、质量和规格等方面也提出了更高的要求。车型的种类繁多，特别是从 国外引进轿车生产线的多样化，导致了对钢板需求的多样化，增加了高强度钢板 的国产化难度，我国汽车用钢板生产的现有水平还不能满足汽车工业发展的要求。 目前，国内生产的高强度钢板的强度级别为：热轧板3 8 0 6 9 0m p a ，冷轧板3 2 0 7 8 5m p a ，与国外高强度钢板比，仍存在一定差距。目前重型汽车常用的高强度钢 板主要以5 1 0 - - 一6 1 0m p a 的w l 5 1 0 、p 5 1 0 l 和0 9 s i v l 为主，在钢板的强度、力学性 能及成型性能的均匀性和稳定性等方面存在许多不足【2 1 。 为了满足我国汽车工业对高强度钢板的需求，开发出新一代高强度和超高强 度钢板势在必行，因此，对特高强度汽车用钢板的控轧控冷工艺进行探索、研究， 具有重要的现实意义。 1 2 控轧控冷工艺 1 。2 1 控轧控冷的概念 控s u s l $ i j 是指从轧前的加热到最后轧制道次结束之前的整个轧制过程实现最 佳控制，以使钢材获得预期良好性能的轧制方法。从根本上讲，控制轧制可以最 适当地控制钢的成分、加热温度、轧制条件( 轧制温度、各道次变形量及轧后冷 却) 及在轧后得到细小晶粒的组织，从而获得高的强度和韧性。控s f j s l s u 的本质 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 是通过细化晶粒而生产强韧化钢【3 - 5 】。 控制冷却是指在控制轧制后，在过冷奥氏体相变的区域进行某种程度的快速 冷却，使相变组织比单纯控制轧制更加细微化，同时以此获得更高的强度【6 1 。 1 2 2 控g l t 空_ 冷工艺的内容 控轧控冷工艺对提高微合金钢的强度起着十分重要的作用，控轧控冷工艺的 内容主要包括【7 】： ( 1 ) 轧制坯料加热制度的选择 现在国内外都有降低加热温度的趋势。为了细化晶粒，提高成品的力学性能， 在轧机能力许可的条件下，要尽量的降y b ) j h 热温度。 ( 2 ) 选择与设计控制轧制工艺的类型 对于钢，为了细化晶粒，提高性能，要在奥氏体未再结晶区进行大压下量的变 形，以诱导铁素体相变形核，达到细化晶粒的效果。 ( 3 ) 控制轧制工艺参数的选择 钢铁在轧制时的道次变形量要分别满足奥氏体再结晶区和未再结晶区变形量 的要求，还要考虑实际生产中轧机的能力。在a r 3 温度以上要采用大的道次压下量。 ( 4 ) 控制冷却工艺选择 对于钢铁的控制冷却，要采用轧后快冷的工艺。通常，在轧制实验中主要采 用低温、大压下变形和加速冷却的原则，其可以在生产中获得晶粒尺寸为1 0p m 的产品。目前，在诸多的细化方法中，只有t m c p 方法具有大生产应用的前景。 在钢铁的控制轧制中，通过在奥氏体未再结晶区轧制可有效的细化0 c 晶粒。在奥 氏体未再结晶区轧制是以低温和大变形获得超细铁素体组织的最有效方法之一， 特别是单道次大应变量，对铁素体细化的效果更为显著。通过对奥氏体未再结晶 区的大压下轧制，可以有效的减小奥氏体的晶粒尺寸，提高变形奥氏体的位错密 度，增加形变带和位错孪晶等晶体缺陷，从而增加奥氏体向铁素体转变的形核位 置。在轧制后加速冷却的特点是于热轧后的y _ 0 t 相变范围内进行加速冷却，这 样会细化0 t 晶粒，并进一步提高强度和韧性。关于加速冷却引起晶粒细化的原理， 可以通过考虑等温变形过程中，相变对0 t 晶粒的影响来理解。对于不同的形核位 置，等温生成的0 t 晶粒尺寸均和形核速率的平方根与抛物线速率常数的比值有关： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 足通过细化晶粒而生产强韧化钢 3 “。 控制冷却是指在控制轧制后，在过冷奥氏体相变的区域进行某种程度的决速 冷却，使相变组2 ) t l t 单纯控制轧制更加细微化，同时以此获得更高的强度i “。 122 控轧控冷工艺的内容 控轧控冷工艺对提高微合金钢的强度起着十分重要的作用，控轧控冷t 艺的 内容丰要包括- ，j ： ( i ) 轧制坯料加热制度的选择 现在国内外都有降低加热温度的趋势。为r 细化品粒，提高成品的力学性能， 在轧机能力许可的条件下，要尽量的降低力热温度。 ( 2 ) 选择与设计控制轧制工艺的类型 剥于钢，为了细化晶粒，提高性能，要在奥氏体未再结晶区进行大压下量的变 形，以诱导铁素体相变形核，达到细化晶粒的效果。 ( 3 ) 控制轧制工艺参数的选择 钢铁在轧制时的道次变形量要分别满足奥氏体再结晶区和未再结晶区变形量 的要求，还要考虑实际生产中轧机的能力。在a r 3 温度以上要采用人的道次压下量。 ( 4 ) 控制冷却工艺选择 对于钢铁的控制冷却，要采用轧后快冷的工艺。通常，在轧制实验中主要采 川低温、大压l 、变形和加速冷却的原则，其可以在生产中获得晶粒尺寸为1 0p m 的产品。目前，在诸多的细化方法巾，只有t m c p 方法具有大生产应用的前景。 在钢铁的控制轧制中，通过在奥氏体未再结晶区轧制可有效的细化口品粒，在奥 氏体未雨结晶区轧制是以低温和大变形获得超细铁素体组织的最有效方法之一， 特别是单道次大应变量，对铁素体细化的效果更为显著。通过对奥氏体未再结品 区的大压f 轧制，可以有效的减小奥氏体的晶粒尺寸，提高变形奥氏体的位错密 度，增加形变带和位错孪晶等晶体缺陷，从而增加奥氏体向铁素体转变的形核位 置。在轧制后加速冷却的特点是于热轧后的t 一相变范围内进行加速冷却，这 样会细化晶粒，并进一步提高强度和韧性。关于加速冷却引起晶粒细化的原理， 可以通过考虑等温变形过程中，相变对n 晶粒的影响来理解。对于不同的形核位 置，等温屯成的q 晶粒尺寸均和形核速率的平方根与抛物线速率常数的比值有关： 置，等温生成的u 晶粒尺寸均和形核速率的下方根与抛物线速率常数的比值有关： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 7a 。因此，当式7 厶随转变温度的降低而升高时，等温形成的仅晶粒尺寸 随转变温度的降低而减小。 1 2 3 控制轧制的四个阶段 在控轧控冷工艺中，基本分为四个阶段，图1 1 描述了四个阶段的组织变化 情况【8 1 。 第一阶段为再结晶奥氏体( y ) 区域轧制( 约9 5 0 。c 以上) 。在高温轧制后急 速进行再结晶，此阶段将因加热而粗化的奥氏体晶粒经反复轧制一再结晶进行细 化。再结晶区轧制是通过再结晶进行奥氏体晶粒的细化，此阶段中奥氏体的进一 步细化较为困难，它是控制轧制的准备阶段。 例 赠 图l ，l 控制轧制的四个阶段 f i g 1 1f o u rs t a g e so f c o n t r o l l e dr o l l i n g 时间 第二阶段是未再结晶奥氏体区域轧制( 约9 5 0 a ，3 之间) 。随着轧制温度的 下降，奥氏体再结晶被抑制，仍保持加工硬化状态。随着压下量的增加，奥氏体 晶粒伸长，同时晶粒内有大量形变带和位错。变形奥氏体的晶界、变形带及位错 等处都是铁素体的形核部位，0 【的形核点增多，q 晶粒进一步细化。这一阶段的变 形本质上促进了y 晶界及晶粒内部的形核率。此区轧制，由于变形带的产生，实 际是分解了1 ，晶粒，这是控制轧制最重要的阶段。 第三阶段是在( y + a ) 两相区轧制( 约a ，3 以下) 。在( 丫+ 0 【) 两相区高温区 东北大学硕士学位论文第一章绪论 域轧制一定的道次，达到一定的累积变形量，未相变的变形奥氏体由于变形而继 续被拉长。同时，晶粒内形成了变形带及位错，在这些部位形成新的等轴铁素体 晶粒。先析出的铁素体晶粒由于塑性变形，在晶粒内部形成大量的位错，经回复 形成亚晶结构。这些亚晶结构使钢的强度提高，韧脆转变温度降低。经( y + n ) 两相区轧制后，室温条件下的金相组织较复杂，通常为由极细小的等轴铁素体、 拉长的铁素体、具有亚结构的变形铁素体、极细小的珠光体组成的混合组织。两 相区轧制使相变后的组织更加细小，同时产生了位错强化及亚晶强化，从而进 步提高了钢的强度和韧性。 第四阶段为轧后加速冷却。在特定温度区( 5 0 0 。0 6 0 0 。c ) 内增加冷却速度， 使未相变的v 晶粒发生相变，变成微细的多边化晶粒。a 晶粒更加细密，且内部包 含亚晶粒，这种包含亚晶粒的混合组织可使强度增大。 1 2 4 控制轧制的要素 控制轧制的要素包括微合金元素的作用、加热温度对控制轧制效果的影响、 变形量与低温韧性的关系及轧后控冷对组织的影响【9 j3 1 。 1 2 4 1 微合金元素的作用 在控制轧制工艺中，微合金元素n b 、t i 、v 等得到了广泛的应用。在控轧钢 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。n b 、t i 、v 是最常用的细化晶粒的元素，它们能在钢中形成碳化物、 氮化物或碳氮化物，这些析出物的细小质点可以钉扎晶界，具有强烈的阻碍晶粒 长大的作用。在微合金钢中，复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。 利用合金元素沉淀强化的作用，可以使钢的强度明显提高，但不采用控a f j 车l 制会使钢的韧性变坏。只有通过控制轧制，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，才能达到提高钢板强韧性的目的。同时 微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 2 4 2 加热温度对控制轧制效果的影响 奥氏体晶粒尺寸的大小直接影响到轧后的晶粒尺寸。随着加热温度的升高， 奥氏体晶粒长大，在1 1 5 0 。0 时，奥氏体晶粒较为均匀，超过1 1 8 0 。0 ，由于晶界的 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 碳氮化物完全固溶，对晶粒长大的阻碍作用消失，奥氏体晶粒开始急速长大，因 而坯料的加热温度一般不应该超过1 1 8 0 。c ，降低加热温度，利用晶界铌、钒等的 碳氮化物对晶粒长大的抑制作用，以取得细化晶粒的效果。而且降低加热温度可 以缩短在高温区轧后的停留时间，避免再结晶的奥氏体晶粒在高温区不断长大而 得到粗大的晶粒组织，有利于韧性的改善。 1 2 4 3 变形量与低温韧性的关系 为了避免粗大奥氏体晶粒的出现，在高温区必须给以大的变形量，使变形晶 粒完全再结晶，才能得到均匀的奥氏体组织。在奥氏体未再结晶区( 9 5 0 a ，3 ) 进行轧制，变形晶粒不再进行再结晶，而是沿轧制方向拉长，形成大量的滑移带 和位错，微合金元素的碳氮化物优先从这些部位析如，而且主要沿着奥氏体晶界 析出，它们可以阻止晶粒长大，因而使相变后的晶粒更细更均匀，铁素体含量增 加。随着道次变形量和此区间总变形量的加大，变形带的数量增加，分布更均匀， 得到理想的组织结构，使钢的屈服强度增加，脆性转变温度降低，并且韧性，特 别是低温韧性得到明显改善。 1 2 4 4 轧后控冷对组织的影响 控制轧制可以细化晶粒，改善钢的强度和韧性，但由于热变形因素的影响， 使相变温度a r 3 提高，特别是在未再结晶区，这种作用更为明显，导致铁素体在较 高的温度下析出，轧后缓慢冷却会使晶粒长大，从而使控制轧制效果受到限制， 因此轧后必须配合适当的加速冷却工艺。 当冷却速度达到一定值时，轧后加速冷却得到的相变组织从铁素体和珠光体 组织变成更细小的铁素体和贝氏体组织，贝氏体含量随着冷却速度的增大而增大， 从而使钢板强度进一步提高。 1 2 5ti 在控轧控冷中的作用 在微合金钢中加入少量的t i ( 0 0 2 ) 后，即使在高温下也显示出一种强烈 的抑制奥氏体晶粒长大的效果。这是由于钢中存在非常细小的t i n 微粒，它可以 在整个后续加工的过程( 加热、热轧及焊接等) 仍然保持相当的稳定【l4 1 。随着含 t i 量的增加，将发生强烈的沉淀强化，因而钢板的强度提高，但t i 对晶粒细化的 作用却是中等的。 由t i 所引起的屈服强度的增加是十分复杂的。因为t i 和n 有很强的亲和能 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 力，所以t i 在钢水中就形成了t i n 。t i 在加入量约0 0 2 5 以下不改变强度。t i 含量较高的钢，其强化作用与m n 的含量有关。在m n 含量较低时，屈服强度的增 加开始时比较缓慢，随着t i 含量的继续增加而迅速增加。在较高的m n 含量下却 出现相反的倾向，随着含t i 量的增加其强化作用降低。 t i 的碳、氮化物在控制轧制时析出的作用主要有 1 5 - 1 9 】：均热未溶的碳、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，保证得到细小的 奥氏体晶粒；在控制轧制过程中，应变诱导析出相通过质点钉扎和亚晶界的作用 而相当显著的阻止变形奥氏体的再结晶；在控制轧制相变发生后，残留在奥氏体 中的t i 进一步在铁素体中析出，产生显著的析出强化效果。 1 3 钢的强化机制 通常，钢的强化机制包括了固溶强化( 置换强化和间隙强化) 、细晶强化、沉 淀强化、相变强化和位错及亚结构强化等。对于不同种类的钢，其强化方式各有 特色，既可以是单一的强化方式，也可以是多种强化方式的复合。根据修正的h a l l - - p e r c h 公式f 2 0 _ 2 3 】可表示为： o - y - - 3 - 。+ 仃s s + 仃i n t + 仃p p t + 仃t r a n s f + 仃d i s l + k y d 1 ，2 ( 1 1 ) 6o 晶格摩擦力( 阻碍位错运动的力和晶格阻力) ； a 。_ _ 置换强化增量； ai f l 。间隙强化增量； op p t 析出强化增量； ot r a 。f 相变强化增量； od i s l 位错及亚结构强化增量； ky 晶界强化因子； d 晶粒直径。 根据钢的性质和所含元素的作用，可以同时采用不同的强化机制进行强化， 从而得到多种强化机制的综合效果。提高钢的强度首先要提高屈服强度，这是钢 材在使用中的基础。钢中的主要强化机制有固溶强化、位错强化、细晶强化、沉 淀强化，亚晶强化和相变强化。为了得到高强度钢，要了解各种强化方式的作用 大小和基本的规律，从而更好的制订工艺，取得最好的强化效果。 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 固溶强化 固溶强化即添加溶质元素使固溶体强度升高，其强化是由于运动的位错与间 隙或置换的异质原子之间的相互作用的结果。固溶强化又分为间隙式固溶强化和 置换式固溶强化，前者对提高强度十分有效，但随着间隙原子浓度的增加，钢材 的塑性和韧性会明显下降；后者的强化效果比间隙式固溶原子要小的多，但对韧 性的削弱不明显，或基本上不影响基体的塑性和韧性【2 4 1 。固溶强化有如下规律： ( 1 ) 溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加。 ( 2 ) 溶质元素在溶剂中的饱和溶解度越小，其固溶强化的效果越好。 ( 3 ) 形成间隙式固溶体的溶质元素，如c 、n 、b 等元素在f e 中的强化作用大于 形成置换式固溶体的溶质元素，如m n 、s i 、p 等元素。 ( 4 ) 溶质原子的大小与基体的原子差别越大，强化效果也越显著。 钢中最主要的合金元素m n 、s i 、c r 、n i 、c u 和p 都能构成置换固溶体，并促 使屈服强度和抗拉强度呈线性增加。除了置换元素外，c 、n 等元素在f e 中形成间 隙固溶体，但溶解度都很低，且随温度下降而大大降低。因此，它们在固溶含量 内对屈服强度和抗拉强度的增加影响都很小。但在过饱和的固溶体中，由于c 、n 原子有很好的扩散能力，形成的时效过程可使屈服强度、抗拉强度提高，但却大 大降低了韧性。然而钢中的碳对强度起着举足轻重的作用，因为碳在组织中以渗 碳体( 或珠光体) 形式存在时能产生很大的强化作用( 相变强化) 。 1 3 2 细晶强化 晶界两边的晶粒取向完全不同且完全无规则，晶界是原子排列相当紊乱的地 区。因此，当塑性变形和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶 界的阻力，穿过晶界就比较困难。另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展又需要 改变，因此，和晶内的变形及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向 的变形及裂纹扩展将消耗很大的能量。所以晶界的存在将使材料的强度和韧性都 得到提高。晶粒越细小，晶界越多，晶界阻力也越大，强度和韧性的提高就越大。 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 最重要方法。晶界可以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。同时，晶界又是裂纹扩展的阻力，所以细化晶粒还能 东北大学硕士学位论文第一章绪论 改善钢的韧性。只有细晶强化能同时使钢的强度、塑性和韧性都得到提高，这也 是人们追求细晶粒组织的原因所在2 5 1 。 晶粒细化强化可以用h a l1 一p a t c h 公式描述如下： 1 万s = 巧，+ k v d 2 ( 1 2 ) 式中的仃，是常数，大体相当于单晶体时的屈服强度；k 。是表征晶界对强度影响程 度的常数；d 是有效晶粒尺寸。实验证明，晶粒细化到lp m 仍符合h a l l - - p e t c h 公式；当晶粒尺寸小于0 5 m 时，随晶粒尺寸的减小，屈服强度的增加变得缓慢 些【2 6 1 。 在微合金钢控制轧制中，获得细晶的主要方法是：在奥氏体未再结晶区进行 大变形，促进微合金元素的碳、氮化物析出；增加未再结晶奥氏体晶界、变形带 和位错、孪晶等晶体缺陷，以增大有效晶界面积，提高形核率，从而使组织得到 细化。通过经济和高效的变形热处理工艺获得微米、亚微米级的超细晶组织是未 来钢铁材料的发展方向口7 ，2 8 1 。 1 3 3 沉淀强化 材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法称为第二相 强化或分散强化。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，甚至包括与基体成分一样而仅是点 阵类型不同的同素异构相。第二相质点的尺寸可以从几个n m 到m m 的数量级。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加 入，后者一般称为弥散强化，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。第二相质点能沉淀 析出的必要条件是固溶体合金的溶解度随着温度的降低而减小，因此，加热后得 到的过饱和固溶体将随着温度的降低而析出第二相质点 2 明。 第二相质点与运动位错之间将产生相互作用，从而导致屈服强度和流变应力 的提高。根据第二相质点与运动位错的相互作用的特点，可将其作用机制分为两 种：一种为对提高强度作用较小的切过过程，种为对提高强度有积极作用的绕 过机制，即o r o w a n 机制，见图1 2 。 一9 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( a ) 第二相粒子对绕过的位错发生钉扎( b ) 位错环积累会对位错源造成背压力 图1 2 位错绕过第二相粒子的作用机理简图 f i g 1 2m e c h a n i s mo ft h es e c o n dp h a s ep a r t i c l e sh o l dt h ed i s l o c a t i o n sm o v e dr o u n d 第二相粒子的形状、析出位置对强度都有影响。其一般规律是：沉淀颗粒分 布在整个基体上比晶界沉淀的效果好；颗粒形状为球状和片状相比，球状有利于 强化。沉淀强化效应可以总结为以下三点： ( 1 ) 第二相粒子的体积分数越大，强化效果越显著。要使第二相粒子有足够的数 量，必须提高碳、氮化物形成元素在基体中的过饱和度。 ( 2 ) 第二相粒子弥散度越大，强化效果越好。 ( 3 ) 第二相粒子对位错运动的阻力越大，强化效果越明显。 总之，沉淀强化是一种非常有效的很重要的强化方式，添加微量的合金元素， 就可以获得成百兆帕的强度增量，而且微合金碳、氮化物还有相当重要的晶粒细 化作用。因此，微合金碳、氮化物的沉淀强化是钢中最重要的强化方式之一。 1 3 4 相变强化 相变强化主要是马氏体强化和贝氏体强化。热轧后加速冷却是提高钢材性能 的主要途径。与常规热轧相比，其产品的室温组织将从多边形铁素体+ 珠光体过 渡为多边形铁素体+ 贝氏体为主的组织。自7 0 年代至今，由高强度低合金( h s l a ) 钢和低碳钢开发出的显微组织为贝氏体+ 多边形铁素体+ 珠光体的钢显示了优良 的性能指标和应用前景f 3 0 。卯。 控制轧制和控制冷却的结合，可以在降低微合金元素含量或降低含碳量的情 况下，在强化微合金钢的同时又能保持较高的低温韧性。在加速冷却过程中起作 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 用的主要是相变强化以及达到加强铁素体晶粒细化或碳、氮化物沉淀强化的效果。 通过控制轧制后的加速冷却，可以使未相变的奥氏体晶粒发生相变，生成微细的 多边形铁素体，使铁素体晶粒更加细密，且内部还可能包含亚晶粒。这种包含亚 晶粒的组织可以使强度增大。低碳钢轧后经加速冷却，当终冷温度在适当范围时， 将产生粒状贝氏体组织，这种组织具有较高的显微硬度值和较大的体积百分数。 粒状贝氏体的显微硬度值比珠光体高，这是因为粒状贝氏体的位错密度高，基体 上又均匀分布弥散细小的碳化物，同时在粒状贝氏体相变时生成的粒状贝氏体的 百分含量也相当高，因此钢的整体强度增加。 1 3 5 位错及亚结构强化 塑性变形意味着在位错运动之外还不断形成新的位错，因此位错密度随着变 形而不断增高，一般可达1 0 1 2 c m 2o 若继续进行塑性变形就要提高应力，也就是 说，产生了加工硬化。由于位错的增加而实现了加工硬化，使强度增加。 在易于交滑移的金属中，当应变量超过一定程度后，位错将重排，形成三维 亚结构。当这些亚结构的位错墙呈松散的缠结形貌时，称为“胞状结构”；轮廓 分明时，则称为“亚晶”。低温加工的钢铁因动态、静态回复形成亚晶，其本身 是位错墙。亚结构强化的实质仍是位错强化。 总的来说，当位错密度很低时，仅考虑晶界的作用；当位错密度很高时，主 要考虑位错和位错胞状结构的作用；当位错重新排列而组成发达的亚晶时，主要 考虑亚晶的作用。 位错强化是金属材料中有效的强化方式之一，该方式对钢材的塑性和韧性有 双重作用。一方面，位错的合并以及在障碍处的塞积会使裂纹形成，从而使塑性 和韧性降低；另一方面，由于位错在裂纹尖端塑性区内的移动可以缓解尖端的应 力集中，使塑性和韧性又有所提高。这两者中，通常前者起主要作用。 1 4 高强度汽车板的发展及研究概况 汽车用高强度钢板的开发始于2 0 世纪7 0 年代石油危机前后，先是微合金钢， 然后是含磷合金钢，2 0 世纪8 0 年代前期是d p ( 双相) 钢和b h ( 烘烤硬化) 钢、i f ( 无 间隙原子) 钢，1 9 9 0 年前后又开发出了强度更高的微合金钢一各向同性钢，接着 又开发了t r i p ( 相变诱发塑性) 钢、多相超高强度钢，抗拉强度已达到1 0 0 0m p a ， 一1 l 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 最高的甚至达到1 2 0 0m p a 以上【36 1 。 在汽车板生产领域，目前日本新日铁公司、德国蒂森公司和欧洲阿塞勒公司 处于世界领先地位刚。 韩国浦项钢铁公司于2 0 0 1 年3 月成功开发出轻量型汽车钢板，该钢板具有强 度高、抗疲劳性能好等特点。其方法是向钢中加入n b ，使其屈服强度达到了8 0 0 m p a 。 n k k 于2 0 0 1 年2 月21 日宣布开发成功强度和加工性兼优的汽车高强度钢板。 该钢板抗拉强度为8 0 0m p a 级，为原来的1 3 倍，供汽车悬挂件等回转部件用。 由于在冶炼中加入铌等合金元素，晶粒细化到2 3p , m ，使强度和加工性兼优， 已供汽车制造厂于3 月份试用，1 年后扩大应用于各车种。新开发的高强度钢一 n a n d 高强钢为提高强度，全面采用了“析出强化 的方法，即添加铌等合金元素 和碳结合的化合物结晶，不溶于铁组织中，而在铁组织间以析出物存在，故提高 了钢的强度，加上严格控制加工温度，使析出物的粒径仅为原来的1 2 0 l 3 0 ， 晶粒细化到2 , - , - , 3p m ，加上析出物均匀分布在铁组织间，从而保证了加工性，使 钢板在冲压加工时的伸缩性和扩孔率均改善了3 0 。 住友及新日铁公司通过控轧、。控冷等特殊工艺于2 0 0 2 年分别开发出抗拉强度 为1 5 0 0m p a 级和1 0 0 0m p a 级的特高强度汽车用钢板。 神户制钢和奥钢联联手开发出弯曲性、焊接性和涂装性都比较好的超高强度 汽车用钢板，其抗拉强度为8 0 0 1 0 0 0m p a 3 引。 国内近年来在高强度汽车钢板的开发方面也取得了一些进展：宝钢在传统的 2 0 5 0 热连轧机上，利用新的轧制工艺，使普通的s s 4 0 0 钢的屈服强度达到4 0 0m p a ， 轧制后铁素体晶粒的尺寸约为5g m 。珠钢c s p 线生产的低碳钢( 含碳量0 0 6o o ) 热轧薄板，轧后获得4 6p m 左右的铁素体晶粒，其屈服强度和抗拉强度分别4 0 0 m p a 和4 7 0m p a ，并具有良好的塑性；之后又在c s p 线上成功轧制出屈服强度5 0 0 m p a 、抗拉强度大于6 0 0m p a 的低c 、m n 高强韧钢板。攀钢以低