（材料加工工程专业论文）碳锰钢tmcp工艺模拟及实验研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 碳锰钢t m c p 工艺模拟及实验研究 摘要 超细晶粒钢由于其优良的强韧性配合、合金元素含量低、杂质含量低、便于 回收、可重复使用等优点，可有效地用于工业生产中，符合社会可持续发展战略。 但超细晶粒钢由于其固有的局限性，如屈强比高、焊接性能不好等，限制了超细 晶粒钢的广泛应用。当控制超细晶粒钢的组织形态，并使组织中含有一定量的贝 氏体时，钢材具有较高的强度、较低的屈强比，塑性也令人满意。 关于这方面的研究，国内外进行了大量的工作。本文结合国家自然科学基余 和上海宝钢集团公司联合资助项目“贝氏体对超细晶粒碳锰钢强韧性的影响”这 一研究课题，选择碳锰钢为研究对象，对不同锰含量的碳锰钢的连续冷却转变行 为进行了研究，探讨了变形、冷却工艺参数及锰含量对实验钢组织转变的影响。 对不同锰含量的实验钢进行了控轧控冷实验，研究了t m c p 工艺及锰含量对实验 钢组织性能的影响。这些研究结果可为超细晶粒钢控轧控冷过程中的组织性能控 制提供依据。论文的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 利用热膨胀法并结合金相组织观察，绘制了一种成分实验钢的动、静念 c c t 曲线。同时，对该成分的实验钢进行了不同变形工艺参数下的热模拟试验。 结果表明：变形使c c t 曲线向左向上移，扩大了铁索体( f ) 区和珠光体( p ) 区，缩小 了贝氏体( b ) 区。促进了奥氏体向铁素体的转变。当冷速由l4 c s 增加到2 5 。c s 时。 随着应变量的增大，铁素体开始转变温度升高。当冷却速度比较大时，随着应变 量的增大，铁素体的开始转变温度提高的幅度比较大：而当冷速比较小时，随应 变量的增大，铁素体开始转变温度提高的幅度比较小。 ( 2 ) 对不同锰含量的实验钢进行了不同条件下的热模拟实验。实验结果表明： 无论变形或未变形条件下，随着锰含量的增加，铁素体开始转变温度和贝氏体转 变结束温度均降低，组织中贝氏体含量增多。 ( 3 ) 对所得室温组织进行了硬度实验。实验结果表明：当锰含量一定时，随着 冷却速度的增大，室温组织的维氏硬度值增大。当冷却速度在1 0 - 2 5 s 的范围内， 随着真应变的增大，维氏硬度值增大。冷却速度在1 1 0 s 的过程中，未变形组 织的维氏硬度值比应变量为0 4 的维氏硬度值小，但比应变为0 2 的维氏硬度值大。 当冷却速度和应变值一定时，随着锰含量的增加奥氏体连续冷却室温组织的维氏 硬度值增加。 一i i 东北大学硕士学位论文 摘要 ( 4 ) 选取三种不同锰含量的实验钢进行了控轧控冷实验。实验结果表明：在相 同的t m c p ( t h e m a lm e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ) 工艺下，随着锰含量的增加， 组织中贝氏体含量增加，铁素体含量减少，晶粒变细；实验钢的屈服强度、抗拉 强度、延伸率和屈强比均升高；实验钢的冲击韧性提高，韧脆转变温度降低。同 时，实验结果表明：随着终轧温度和卷取温度的降低，实验钢的强度提高，屈强 比略有提高，延伸率稍有降低。 ( 5 ) 对高温终轧后加速冷却工艺进行了初步探讨。实验结果表明，当终轧温度 高于形变诱导铁素体上限温度且轧后冷却速度加快时，实验钢组织中出现了针状 铁索体；实验钢的屈服强度和抗拉强度提高；虽然延伸率有所降低，屈强比有所 提高，但都较为合理。 ( 6 ) 对单道次压缩过程进行了有限元模拟。分析了应力应变场分布。结合热模 拟淬火实验结果，确定了利用淬火方法研究形变诱导铁素体相变时，盒相观察所 应选取的试样部位。研究结果表明：在实验条件下，不存在试样边缘应变量不足 而难以产生形变诱导铁素体相变的问题。在选取金相观察部位时，应着重考虑淬 火冷速不均所造成的影响。 关键词：c m n 钢，锰含量，t m c k e 艺，组织性能，有限元法 i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts t u d yo ft m c po nc m ns t e e l a b s t r a c t t h cu l t r a - f i n es t e e li sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sg o o dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s 1 0 wo f a l l o ye l e m e n t ，l o wo fi m p u r i t y , c o n v e n i e n c eo fr e c l a i m i n ga n db e i n gu s e dr e p e a t e d b u t i t sl i m i t a t i o no fh i g hos oba n dp o o rw e l d i n gp r o p e r t i e sc a nn o tb ei g n o r e d w h e n c o n t r o lt h em i c r o s t r u c t u r eb yc o n t r o l l i n gt h ec o m p o s i t i o no fs t e e la n dt m c p ( t h e r m a l m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ) p r o c e s s ，m a k i n gs o m eb a i n i t em i c r o s t m c t u r ea p p e a r , t h es t e e lw i l lh a v eh i g h e rs t r e n g t h ，l o w e ro oba n ds a t i s f i e dp l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s s m a n yc o u n t r i e si n c l u d i n gc h i n a h a v ec a r r i e do u tr e s e a r c ha b o u tt h i s t h ew o r k so ft h i s d i s s e r t a t i o nw e r ec a r r i e do u ti n t e g r a t i n g 、砘也p r o j e c to f 孙pi n f l u e n c eo fb a i n i t eo n p r o p e r t i e so fu l t r a - f i n ec - m ns t e e l w h i c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f u n do fc h i n aa n db a o s h a ni r o na n ds t e e l c o r p o r a t i o n t h ec o n t i n u o u sc o o l i n g t r a n s f o r m a t i o no fc - m ns t e e l sw i t hd i f f e r e n tm nc o n t e n tw a si n v e s t i g a t e d t h e i n f l u e n c eo ft m c p p r o c e s sa n dm nc o n t e n to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t e s t e ds t e e l a l s ob es t u d i e d t h em a i nw o r k si n v o l v e da sf o l l o w s ； ( 1 ) t h ec c td i a g r a m sw e r ep r o t r a c t e db yu s i n gt h e r m a ld i l a t i o nm e t h o dc o m b i n e dw i t h m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n a tt h es a n l et i m e ，t h et h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t h d i f f e r e n td e f o r m e dp a r a m e t e r sw e r ec a r r i e do u t t h cr e s u l ts h o w sd e f o r m a t i o nm a k e s c c td i a g r a mm o v el e f t w a r da n du p w a r d ，p r o m o t i n gt h et r a n s f o r m a t i o nf r o ma u s t e n i t e t of e r r i t e t h es t a r t i n gt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo ff e r r i t ei sr a i s e dw i t ht h et r u es t r a i n v a l u ei n c r e a s e w h e nt h ec o o l i n gr a t ei sl a r g e rt h es t a r t i n gt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e o ff e r r i t ei n c r e a s e ss l o w l y ；w h i l ew h e nt h ec o o l i n gr a t ei ss m a l l e ri ti n c r e a s e sq u i c k l y ( 2 ) t h et h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft e s t e ds t e e lw i t hd i f f e r e n tm nc o n t e n tw a s c a r d e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a r t i n gt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo ff e r r i t ea n d t h ef i n i s h i n gt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo fb a i n i t ed e c r e a s i n gw i t ht h em nc o n t e n t i n c r e a s i n g ( 3 ) t h ev i c k e r s - h a r d n e s so fm i c r o s t r u c t u r eo fd e f o r m e da u s t e n i t ei sl o w e rt h a nt h a to f u n d e f o r m e dw i t ht h ec o o l i n gr a t ei nt h er a n g eo f0 2 5 。c s ；w h i l et h et r e n di so p p o s i t e w i t ht h ec o o l i n gr a t ei nt h er a n g eo f5 - 2 0 s w h e nt h ec o o l i n gr a t ea n dt r u es t r a i n i v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t v a l u ei st h es a t l l e t h ev i c k c r s h a r d n e s so fm i c r o s t r u c t u r ei si n c r e a s i n g 、v i t ht h em n c o n t e n ti n c r e a s i n g ( 4 ) t h et m c pe x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft e s t e ds t e e l sw i t hd i f f e r e n tm n c o n t e n tw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l t si n d i c a t e d 血a tt h ev o l u m ef r a c t i o no fb a i n i t ei s i n c r e a s ea n df e r r i t ed e c r e a s e sw h e nt h em nc o n t e n ti n c r e a s e d t h es t r e n g t h ，d u c t i l i t y a n dt o u g h n e s si si n c r e a s e d 砸t lt h em nc o n t e n ti n c r e a s e d ，a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c t e n e r g yi si n c r e a s e da n dt h ef m i sl o w e r w i t ht h ed e c r e a s eo ff i n i s hr o l l i n ga n d c o i l i n gt e m p e r a t u r e ，t h es t r e n g t ho f t e s t e ds t e e li si n c r e a s e d ( 5 ) t h eh i g ht e m p e r a t u r ef i n i s hr o l l i n ga n da c c e l e r a t ec o o l i n gr a t ep r o c e s sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e n g t hi si n c r e a s e de v i d e n t l yu n d e rt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s ，t h e os oba n d d u c t i l i t yi sa l s os a t i s f i e d ( 6 ) t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ns i n g l ep a s sc o m p r e s s i n gp r o c e s sw a sc a r r i e do u t c o m b i n e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fq u e n c h i n g ，ac o n c l u s i o nw a sd r a w nt h a tw h e nt h e p a r to fs a m p l ew a sc h o s e nt oo b s e r v em i c r o s t r u c t u r et os t u d yd i f t ( d e f o r m a t i o n i n d u c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ) b yu s i n gq u e n c h i n gm e t h o d ，t h ei n f l u e n c eo fc o o l i n gr a t e c a r lo n l yb et h o u g h ta b o u t ，a n dt h ei n f l u e n c eo f s t r a i nv a l u ec a nb ei g n o r e d k e yw o r d s ：c - m ns t e e l ，m nc o n t e n t ，t m c p , m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i e np r o p e r t i e s ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d v 东北大学硕士学位论文声明 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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：魏和 日期： 加暇 溜 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。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 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 前言 第一章绪论 钢铁材料具有资源相对丰富、生产规模庞大、加工制造容易、性能多样可靠、 成本低廉稳定、使用便利和回收利用方便等特点，是基础设施建设、工业设备制 造和人民日常生活中广泛使用的材料。目前还没有任何材料能够全面取代钢铁材 料，钢铁材料仍然是占据主导地位的结构材料，是社会和经济发展的必要物质基 础。 经过人类不懈地努力积累和创造，在钢铁材料科学和技术上取得了巨大的进 步。钢铁材料的宏观性能和微观组织之间的关系已逐渐清楚，可用理论定量解释 钢铁材料的某些宏观行为。人们逐渐地可以从理论出发设计和生产钢铁材料。铁 水脱硫、转炉复吹、超高功率电炉冶炼、炉外精炼、中间包冶金、连铸、控轧控 冷、微合金化等迅速进步的冶金生产工艺技术又为钢铁材料的设计生产提供了技 术基础。而计算机等相关行业的技术发展也为钢铁材料设计和生产提供了先进的 控制手段。纵观钢铁材料的发展历史，归纳当前钢铁材料精彩纷呈的理论和技术 发展，人们不难得出一个结论：基于当前的理论和技术发展，钢铁材料本身在二 十一世纪还会发生重要的变革，最终将会导致钢铁材料的性能显著提高，并将对 整个社会发展起巨大的推动作用。先进钢铁材料的含义是：在环境性、资源性和 经济性的约束下，采用先进制造技术生产具有高沽净度、高均匀度、超细晶粒特 征的钢材，强度和韧度比传统钢材提高，钢材使用寿命增加，可满足2 1 世纪国家 经济和社会发展的需求川。 细化晶粒是既能提高钢的强度、又能改善韧性的措施，因此众多研究者对钢 的细晶化付出了相当多的心血，迄今为止已取得了突破性进展。日本采用低温大 变形和多轴压下技术，在实验室将铁素体晶粒尺寸细化n o 5 1 a m 【2 】。韩国采用应 变诱导动态相变( s t r a i ni n d u c e dd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o n ) 技术，在实验室轧机上 将c m n 钢和微合金钢的晶粒尺寸分别细化到4 5 u m 并1 2k u n l 3 。我国于1 9 9 8 年启动 t 9 7 3 项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”，其主要研究内容是将目前广泛应 用的铁索体珠光体钢的屈服强度提高一倍，即碳素结构钢屈服强度从2 0 0 m p a 级提 高至i j 4 0 0 m p a 级，高强度低合金钢的屈服强度从4 0 0 m p a 级提高至t j 8 0 0 m p a 级。我国 的研究形成了一套自己的细晶粒或超细晶粒形成理论和控制技术。实现了细晶粒 或超细晶粒钢的工业化生产【45 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为实现超细晶粒钢的工业化生产，日本川崎重工与中山钢厂采用异步辊轧制 ( s r d d ) 、机架间冷却和轧后快冷等技术建设了一条低温大应变量变形的专业化 超细晶粒钢生产线。采用低温大应变控制轧制技术可将低碳钢的铁索体晶粒尺寸 细化至3 岬，屈服强度提高到5 0 0 m p a 。日本新日铁公司采用“先进t m c p 工艺” 进行表层超细晶粒厚钢板的生产。该工艺将变形、道次问加速冷却、终轧后加速 冷却及轧制过程中变形热控制等技术结合，故称为“复杂t m c p ”技术。利用该技 术，新日铁公司已生产出厚度为2 5 m m 、表层铁素体晶粒尺寸2 i - t m ，深度达4 m m 的 表层超细晶粒钢板。 但是，研究工作者也已经注意到晶粒细化是有一定限度的。除了受变形条件 的限制外，晶粒度过小会导致材料屈强比提高，并影响焊接性能。同时。在对超 细晶粒低碳钢进行实验室和工业试验的研究中发现，当控制实验钢的成分及t m c p 工艺的各参数使组织中含有一定量的贝氏体时，钢材具有较高的强度、较低的屈 强比，塑性也令人满意【“。 1 2 钢的控制轧制和控制冷却 控制轧制和控制冷却技术是二十世纪钢铁工业取得的最重要的成就之。 a s t m 和j i s 把这一技术列入标准之中，命名为形变热处理工艺( 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 i n g ) 。a s t m 在a 8 4 1 a 8 4 1 m 中把t m c p 概念定 义为【_ “8 】：“t m c p 从应用多年的控制轧制工艺演变而来，是新一代控制轧制工艺。 t m c p 通过在钢中复合添加微合金元素以及从板坯加热至轧后冷却进行综合控制， 生产出细晶粒的产品。因此，可以在规定尺寸板厚的基础上得到较高的力学性能。 t m c p 工艺要求对整个工艺过程的轧制温度和轧制压下率进行精确的控制。” t m c p 技术的原理是【9 】：通过控制轧制温度和轧后冷却速度、冷却的丌始温度 和终止温度，来控制钢材高温的奥氏体组织形态以及控制相变过程，最终控制钢 材的组织类型、形态和分布，提高钢材的组织和力学性能。通过t m c p 可以替代j 下 火处理，利用钢材余热可进行在线淬火一回火( 离线) 处理，取代离线淬火一回火 处理，改善钢材的力学性能，大幅度减少热处理能耗。 t m c p 技术主要指控制轧制和控制冷却两方面，其核心包括纠：钢材的成分设 计和调整、轧制温度、轧制程序、轧制变形量的控制、冷却速度、冷却温度的控 制等。 控制轧制通常分为奥氏体再结晶区轧制( i 型控制轧制) 、奥氏体未再结晶区 2 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 轧制( 型轧制) 和( y + ) 两相区轧制( i i i 型轧制) ( 如图1 1 所示) 。在实际 的控制轧制中，一般采用上述几种方式的组合，即在奥氏体高温变形阶段，通过 再结晶区的反复变形和再结晶得到等轴细小的奥氏体晶粒；在奥氏体未再结晶区 变形，变形后的奥氏体晶粒不再发生再结晶，而呈加工硬化状态，在晶内出现高 密度的变形带，从而增加了有效的晶界面积：可以促进铁素体相变的形核，细化 相变后的铁索体晶粒；在( v + 0 l ) 两相区变形时，一方面奥氏体晶粒被拉长，另一 方面已相变的铁素体晶粒内部形成亚晶，促进铁素体晶粒进一步细化。 a r a r t i m e ，3 图1 1 控s u s l 制的三个阶段 f i 罟1 1t h r e es t a g e so fc o n t r o l l v dr o l l i n g 控制冷却是控制轧制技术的发展和完善。通过控制轧制之后的控制冷却，可 以对冷却过程的相变进行控制，实现相变强化、细晶强化以及沉淀强化等多种强 化方式的有效结合，可以在降低合金元素含量或碳含量的条件下，进一步提高钢 材的强度而不降低韧性。图1 2 为轧后在线冷却的几种方法。这些冷却过程的晟大 差别在于冷却速率和强制冷却温度的不同。作为控制冷却过程的加速冷却，其最 佳的冷却速度应当在实际的热轧过程能够实现。直接淬火的目的是为了获得马氏 体或贝氏体等低温相变产物，然后需要进行回火。在间断式加速冷却或直接淬火 中，强制冷却终止于某温度，然后进行空冷 1 1 , 1 2 。虽然在不连续直接淬火中，终 冷温度必须低于马氏体或贝氏体转变温度，但问断式加速冷却的终止温度则随冷 却速度和轧制条件丽有较大的变化。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 几种热轧后在线冷却方法”1 f i g 1 2s e v e r a li n - s i t uc o o l i n ga p p r o a c h e sa f t e rh o tr o l l i n g ( 1 ) d i r e c tq u e n c h i n g ；( 2 ) i n t e r r u p t e dd i r e c tq u e n c h i n g ；( 3 ) c o n t i n u o u sa c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( 4 ) i n t e r r u p t e d a c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( 5 ) c o n t r o l l e dr o l l i n g 1 3 钢铁材料的组织细化 1 3 1 传统的组织细化工艺 传统的组织细化方法主要有 1 3 - 1 6 1 ： ( 1 ) 奥氏体再结晶区变形； ( 2 ) 奥氏体 未再结晶区变形； ( 3 ) 加大冷却速度； ( 4 ) 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基本方法。具有代表性的是控制轧制与控制冷却工( t m c p ) 如本章1 2 节所述。 1 3 2 钢铁材料组织细化的最新工艺 1 3 2 1 形变诱导铁素体相变 8 0 年代中期，y a d a l l 7 1 等人在实验室研究c m n 钢的晶粒细化工作时提出了“应 4 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 囤1 2 几种热轧后在线冷却方法。1 0 1 f i g 1 2s e v e r a li n - s l t uc o o l i n ga p p r o a c h e sa f t e rh o tr o l l i n g ( 1 ) d i r e c tq u e n c h i n g ；( 2 ) i n t e r r u p t e dd i r e c tq u e n c h i n g ；( 3 ) c o n t i n u o u sa c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( 4 ) i n t e r r u p t e d a c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( s ) c o n t r o l l e dr o g i n g 1 3 钢铁材料的组织细化 1 3 1 传统的组织细化工艺 传统的组织细化方法主要有( i 3 1 6 ：( 1 ) 奥氏体再结晶区变形；( 2 ) 奥氏体 未再结晶区变形： ( 3 ) 加大冷却速度； ( 4 ) 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基本方法。具有代表性的是控制轧制与控制冷却工( t m c p ) 如本章12 节所述。 1 3 2 钢铁材料组织细化的最新工艺 1 3 2 i 形变诱导铁素体相变 8 0 年代中期，y a d a l l 7 1 等人在实验室研究c m n 钢的晶粒细化工作时提出了“应 8 0 年代中期，y a d a l l 7 1 等人在实验室研究c m n 钢的晶粒细化工作时提出了“应 - 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 几种热轧后在线冷却方法”1 f i g 1 2s e v e r a li n - s i t uc o o l i n ga p p r o a c h e sa f t e rh o tr o l l i n g ( 1 ) d i r e c tq u e n c h i n g ；( 2 ) i n t e r r u p t e dd i r e c tq u e n c h i n g ；( 3 ) c o n t i n u o u sa c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( 4 ) i n t e r r u p t e d a c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( 5 ) c o n t r o l l e dr o l l i n g 1 3 钢铁材料的组织细化 1 3 1 传统的组织细化工艺 传统的组织细化方法主要有 1 3 - 1 6 1 ： ( 1 ) 奥氏体再结晶区变形； ( 2 ) 奥氏体 未再结晶区变形； ( 3 ) 加大冷却速度； ( 4 ) 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基本方法。具有代表性的是控制轧制与控制冷却工( t m c p ) 如本章1 2 节所述。 1 3 2 钢铁材料组织细化的最新工艺 1 3 2 1 形变诱导铁素体相变 8 0 年代中期，y a d a l l 7 1 等人在实验室研究c m n 钢的晶粒细化工作时提出了“应 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 变诱导相变( s t r a i ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ，s i t ) 概念，9 0 年代中期p 。d h o d g s o n 1 8 l 等 人利用单机架轧机使热轧钢带表面做到超细晶( 最小晶粒尺寸约0 5 1b t m ) 提出了 “应变诱导相变轧制”( s t r a i n i n d u c e d t r a n s f o r m a t i o nr o l l i n g ，s 1 t r ) 过程。从事新 一代钢铁材料( 简称n g s t e e l ) 研究的我国科技工作者，对这一过程的热力学、 动力学、晶体学、微观组织形貌特征及力学性能表现等进行了系统研究，认为这 一现象( 诱导相变) 不仅与应变有关，而且钢的化学态势( 化学成分及化学位) ； 凝固后轧制之前的固态相分布状况、轧制时的应力、应变及应变速率、轧制机架 间的道次冷却和停留时间，轧后的控冷( 包含卷取等工艺) 都与这个过程有关， 是一个多变量多因素的耦合过程。因此从“应交诱导相交”深化为“形变诱导相 变”的全过程概念，并在2 0 0 0 年韩国召开的“2 1 世纪高性能结构材料”( h i p e r 一2 1 1 会议上正式提出“形变诱导铁素体相变”【1 9 】( d e f o m l a t i o ni n d u c e df e r r i t e t r a n s f o r m a t i o n d i f t ) 。 为了研究形变诱导相变机制，研究者们进行了大量的工作。文献 2 0 ，4 0 一4 2 指出，形变诱导相变发生的温度为a e 3 和a d 之间，当处于该温度的低碳钢中奥氏体 为过冷状态，奥氏体向铁素体转变将自发进行，相变得到的铁索体处于低能状态， 在热力学上是稳定的，认为“形变诱导相变过程”是由于形交和过冷共同提供的 双重驱动力使相变得以大幅度提高。促进了相变过程的进行，如图1 3 所示。认为 铁素体快速形核是由于碳快速扩散控制的结果。 a t 30d c f a 3a 3 ，d e f 口 图1 3 低碳钢过冷奥氏体形变过程相变驱动力示意图 f i g 1 。3s c h e m ef o rt r a n s f o r m a t i o dd r i v i n gf o r c eu n d e rd e f o r m a t i o n p r o c e s so f u n d e r e o o l e da u s t e n i t ci np l a i nl o wc a r d o ns t e e l s 5 一 东北大学硕士学值论文 第一章绪论 杜林秀等人认为【2 “”j ，在应变速率低于l o s 1 时，形变诱导相变是由碳扩散控 制的，形变诱导相变的发生存在上限温度。在a e 3 温度以上变形，虽然从能量的角 度考虑，有发生形变诱导相变的可能，但由于同时高温形变奥氏体发生的回复和 再结晶过程同样是一个能量降低的过程，从相变驱动力的角度分析，如图1 4 所示， 奥氏体的回复和再结晶过程使系统的能量降低更多，认为这一过程应当更容易进 行。同时，即使应变诱导铁素体作为一种中间状态丽出现也是不太可能的。 文献2 3 2 6 1 指 出由于变形工艺参数的影响，在a 。3 以上在适当的变形条件下有 可能发生形变诱导铁素体相变。文献【2 7 】报道在对形变诱导相交过程中碳的扩散行 为迸行一系列相关实验研究中发现，当应变速率高达2 5 0 s 2 时仍有大量的铁索体形 成，认为提高应变速率有助于超细铁素体的形成，因而提出d i f t 过程中没有发生 碳的扩散。t o n g 等人【2 8 】通过对f e c 二元系中d i f t 过程的模拟发现，在较高的速 率下，碳在铁素体晶粒和奥氏体晶粒之间没有明显的扩散现象。刘朝霞1 2 叫等人通 过用电子探针测量发生形变诱导相变的低碳钢试样的微观组织中碳浓度的分布， 认为在应变速率为1 5 s 1 时，形变诱导铁素体中的碳浓度接近原始奥氏体中碳的浓 度，呈现明显的过饱和现象。认为d i f t 过程中碳没有发生明显的从奥氏体向铁索 体的扩散，d i f t 过程在一定的实验条件下不是扩散型相变，并且在一定条件下， 从热力学角度分析，在d i f t 过程中无发生碳扩散的必要。 目 岂 鼍 2 图1 4 形变y q 相变驱动力分析示意图【2 5 】 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mf o rd r i v i n gf o r c ea n a l y s i so fd e f o r m e dy t r a n s f o r m a t i o n ( ( a ) t a d ) 6 螽h芒2- 东北大学硕士学位论文第一章绪论 作者认为形变诱导相变的发生机制非常复杂。当变形温度高于气3 时，d i f t 过程可能受奥氏体动态回复和再结晶的影响。在低应变速率条件下，由于发生回 复和再结晶的温度较低，其降低系统自由能的作用更明显，所以在这种条件下形 变诱导铁素体相变不易发生，而易发生回复和再结晶。在高应变速率条件下，由 于发生回复和再结晶的温度提赢，因而不易发生回复和再结晶。如果d i f t 过程是 扩散型相变，那高应变速率下d i f t 也应该不易发生。从而由于高应变速率累积的 应变能应该如何释放成为讨论的焦点。由于形核过程可以是扩散型的，也可以是 非扩散型的，可以认为高应变速率下主要以形核过程为主，但形核为非扩散型的。 由于应变速率的提高不利于动态回复和再结晶形核的发生，那可以认为高应变速 率条件下主要是d i f t 形核过程发生，并且不受扩散控制。从而在高应变速率条件 下，可以在高于丸3 温度以上发生形变诱导铁素体相变，但这种转变产物可能是不 稳定的。总之，关于形变诱导相变的机制问题受很多因素的影响，它的研究还受 到实验条件等等因素的限制，其究竟如何，还有待于进一步的探索。 1 3 2 2 形变诱导析出和中温相变控制 在微合金钢中，低碳( 或超低碳) 贝氏体( l c b ) 和针状铁素体( a f ) 是两 类极有前景的钢类。它在强度( 。s - 4 0 0 m p a ) 提高同时保持了高韧性。这类钢的 超细化不是铁素体晶粒细化( 它不是a + p 组织了) ，而是充分运用变形诱导析出 ( d e f o r m a t i o ni n d u c e dp r e c i p i t a t i o n ，d i p ) 和中温相变控制。在l c b 和a f 钢类中微合 金的碳、氮化物m ( c 、n ) 与基体相变和强化机制关系密切，它们部分在凝固析 出( 特别是与t i 有关的碳氮化物) ，更多的( 特别是n b 、v 有关的碳氮化物) 是在 轧制中析出。由于轧制后的基体再结晶和m ( c 、n ) 析出两个过程具有竞争性，这 在图5 中显示了二者的竞争性( 用轧制一析出( 脱溶) 一温度一时间图分析，r p t t ) 。 可以看出，m ( c 、n ) 的析出推迟了碳再结晶的发生，实质上是析出的发生使此条 件下的轧制过程变为了未再结晶区轧制【3 0 i 。因此微合金钢的t m c p 实质是未再结晶 区轧制一析出一轧后冷却控制的系统工程。 如何在轧制阶段使析出和位错组态变化两者朝提高材料性能方向控制。关于 这个问题“9 7 3 ”的工作发展了位错驰豫( r e l a x a t i o n ) - - 析出( p r e c i p i t a t i o n ) - - 控制 ( c o n t r o l l i n g ) 技术，i r p c 技术。它是将热轧后具有高密度位错的组织状态，经过 轧后在高温阶段适当时间保持，让高密度位错在无外力条件下适当驰豫，弛豫的 位错通过运动及相互作用产生位错胞状结构，通过胞壁的完整化，胞间取向差的 加大及胞的尺寸变化使胞状结构发展，形成超细化组织。同时高温保持也让析出 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 m ( c 、n ) 过程充分发展，钉扎和稳定化胞状结构并产生了超细组织，最终表现为 板条数长度和板条数宽度都细化和短化。 h 点生再培剐毫 砖俸培矗魁珊 巍璺生黜且后斩出 图1 5 再结晶与m ( c n ) 析出过程及相互制约过程的示意图【”1 ( a ) 再结晶；( b ) m ( c 、n ) 析出；( c ) r p t t 图( 轧制一脱溶一温度一时间图) f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f i 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 d p r e c i p i t a t i o no fm ( c 、n ) 1 3 2 3 薄板坯连铸连轧工艺中的超细化现象 薄板坯连铸连轧流程凝固冷却速度比传统板坯快1 2 个数量级，由于快速凝固， 二次枝晶臂间距明显缩短，最小臂间距可达亚微米级，因而在凝固过程中枝晶间 析出的析出相( a 1 2 0 3 ，m n s ，f e x o y 等) 尺寸明显细化，即液相在冷却时由于过 饱和和析出的氧化物和硫化物呈现纳米级大小的数量明显增加，从珠江c s p 取样分 析充分证明这一点口”。同时，直接轧制和( m n s ) 的较低温度固态析出，造成( m n s ) 形成纳米级“夹杂物”。与此类似，【a 1 、【n 形成( a 1 n ) 的温度范围也和直接轧制 的后几个道次吻合，它们都形成了纳米相。 1 3 3 其他的组织细化工艺 1 3 3 i 强烈塑性变形技术 8 东北大学硕士学位论文 笫一章绪论 等径弯曲通道变形( e q u a l - c h a n n e l - a n g u l a rp r e s s i n g ，e c a p ) 是强烈塑性变形机 制的一种方法。通过强塑性剪切变形获得亚微米或纳米级块体材料。这种方法起 源于俄罗斯【3 23 3 1 ，后来受到人们的广泛重视【3 4 3 甜。e c a p 方法采用的模具是由两个 等截面通道按照一定的角度相互交截而成。挤压过程中，将与模具中的通道尺寸 紧密配合并与模壁润滑良好的试样在冲头的压力作用下向下挤压，当经过两通道 的交截处时，试样产生近似理想的纯剪切变形，由于不改变材料的横截面形状和 面积，故反复挤压可使各次变形的应变量累积叠加而得到相当大的总应变量( 如 图1 6 所示) 。 阱 闰1 6e c a p 原理圈( a ) 和材料压缩变形示意图( b ) f i l l 6 ( a ) t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f e q u a v c h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n ga n d ( b ) t h em a t e r i a lu n i tb e f o r ea n da f t e r 虽然e c a p 技术通过强烈塑性变形，使材料的组织和物理性能发生显著变化， 在材料内部形成亚微米级或纳米级的超细组织。但这种技术目前还仅用于超细晶 粒钢的实验室研究陟3 9 1 ，如何用于工业生产尚存在很多难点。 1 3 3 2 强磁场技术 强磁场和温度、压力、化学成分等因素一样，是影响金属相变的因素之一。 但由于获得强磁场存在许多困难，使其研究受到限制。最近，超导体的迅速发展， 可容易的获得接近于l o 特斯拉的强磁场，促进了对强磁场的研究。研究结果表明， 在热轧过程中采用间断施加磁场的方法可以改变氏3 温度，反复进行奥氏体铁素体 形核，可促使铁索体晶粒的细化。同时强磁场影响a ，3 温度升高可增大冷却时奥氏 体相中发生铁素体现变得驱动力，可获得与增大过冷度同样的效果。