（材料加工工程专业论文）薄板坯连铸连轧（csp）低碳钢组织和性能的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文立足于包钢c s p 目前的生产现状，研究了c s p 工艺条件下q 2 3 5 b 和s s 4 0 0 薄 板的轧制生产工艺参数、成分、微观组织与力学性能之间的关系。借助定量金相实验研 究结果，运用统计方法建立了轧件热轧后的力学性能预测模型。论文的研究工作包括： 1 统计分析了包钢c s p 工艺生产的q 2 3 5 b 和s s 4 0 0 成品微观组织状态和力学性能 特征； 2 统计分析了包钢c s p 热轧过程的开轧温度、终轧温度、卷曲温度、轧制速度、变 形程度等工艺参数对产品性能质量的影响规律；并建立了能很好反映热轧过程工艺参数 对产品性能质量影响规律的统计回归模型； 3 通过统计回归手段建立了成分、组织和力学性能回归模型，模型可以预测屈服强 度、抗拉强度和延伸率，剩余标准误差分别为1 1 6 4 m p a 、1 0 6 m p a 、1 9 4 ，预测相对误 差可分别达到3 4 、2 1 、6 8 ，预测精度较高，并提出c s p 工艺生产低碳钢强韧 化机理。 通过现场实测数据与软件模拟计算结果的比较，用模型预报的结果和实侧值相比相 对误差不大于7 ，模型是可靠的且具有很高的精度。计算值和实测值符合较好，表明 该模型具有良好的理论和实用价值。上述研究工作对于保证轧件的性能质量、提高轧制 生产率、缩短产品试制周期、减少试制费用等都具有十分重要的意义。 关键词：c s p ：低碳钢；微观组织；力学性能 统计回归模型 内蒙古科技大学硕士学位论文 t h e s t u d yo fm i c r o s t 阳c t u a n dm h a n i c a lp 阳p e 州e so f1 0 wc a r b o n s t e e lp r o d u c e d 蚰c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n 吐n e a b 酣r a c t t l l i sp 印e ra i l a l y z e st h er e l a t i o r l s h i p s 锄o i 坞t l l ec h 谢c a lc 0 i t l p o s m o n ，t h co p 砒g p a 均m e t e 龉，戚c m s 劬蛐雌龃d 丘i l a lm e 蛐lp r 0 叫i e so fs s 4 0 0a n dq 2 3 5 b1 0 w 哳 s t e e lp m d u c e do nc s pl i n ea tb a o t o l ls 嘲1 km o d e l s 州i c 血gp r o p e r 如sh a v eb e e l l e s t a b l i s i l e do nt t l eb 站i so f p h 船i cc x p e 矗m e r i 诅lr e s u l t st l l r o u g hc 伽叩u t e rs t 甜s l i c s t h er c 眦h w o r ki n c l u d e s ： 1 ，a 丑a l y z c 枷啪姗c n u 面c h 嬲l c t 喇s t i c sa n d 血1 a lm e d m i c a lp r 叩e 砸e so fs s 4 0 0a 1 1 d q 2 3 5 bp m d u c e do nc s p1 i n ea tb a o t o us t e e l ； 2 t h ei n m 船l c cf h m o r s ，舳c h 嚣t l i es t a nr o l l i n gt e m 】p e r a t u r e ，t h e 觚s h i r l gt e m 】事r a h | r e ， t 1 1 ec o i l i l l g 把m 】x r a n l r e ，也e l l i n gr a t ea n dt i l ed e f o r n l 血gq 瑚州t yo nt h e 妞嘧n a lq u a l 时o f m u e d p r o d u c t s ， l a v eb 嘲柚d i y 捌m o r o u g l l l yb y 咖匝s 吐c s a n dam o d c lc o n c e m i n gt c c m c a l p a f 锄惝m l dp r o p 咖e s l 硒慨le s t a b l i s h e db ye x p 硎m e n t a i 陀s u b 3 t h em a t i l e m 缸c a lm o d e l p r e d i c t i n g t h e r e l a t i o n s h i p 跚o n gr n i c r o s 乜w 棚r e ， c o m p o s m o m 鲫l dm c c l l a n i c a ip r o p e r d e sh 嬲b e e s t a b l i s h e db ys t a t i s t i c s t h em o d e ic 孤 c a l c u l a t el l l ey i e l ds t r e n g 电t e n s i l e 蚰n g l ha r i de l o n g 撕o np e r c e n t a g eo fg c e e l t h e i rs u i p l u s s t a n d a r de r r o 糟a r e1 1 6 4 m p a 1 0 6 m p a ，1 9 4 ；a n dt l l er e l a t i v ee n d r sa r e3 4 ，2 1 ，6 8 s o m ep r 耐s i o no fm o d di sh i g h a n dt h ep a p e rg e ts b 廿唱m 朋讥ga n d t o u g h e l l i n gm e 6 h a l l i s m0 f 1 0 wc 对b o ns t c e lo nc s pl 妇 nc 纽b eo b 鸵r v e d 血a tt h em o d e i sa r er e i i a b l ea n dh a v ev e r yh i g hp r e d s i o n 自姒t h e c o m p a 叫v er c s u h s ，锄dt l l er e l a 小，ee r r o r sb c 栅唣e nm ep i 耐删o n 觚dt l l er e a lm e 聃u r e d 、曰u e a r el e 鼹也a n7 t b ec a l c l l l a t i o nr e s i l l t sa i ei n 翟p o da 星非蜘n e n tw i l l lr e a lv a l u e s ，w l l i c hs h o w s 也a 士廿l es y s t e mh a sag o o dm e o r y 蚰da p p l i 硎o nv a h 舱m lo f t l l i sr e s e 肿c hw o r ki si i i i p o r t a ：n t f 研w 缸舢血gm em 咖吼i o p 硎e so ft l l e 班o d u c 乜，i i l 嘲i n g 血er o l l i n gp r o d l 删v i t y ， s h o r t c m i 嗨t r i a l - 删1 u 白c t l 】r j n gt i m e ，d l l c i n gm a l 巾r o d l 耽缸 k e yw o r d s ：k e yw o r d s ：c s p ；i o w r b 蛐s 钯d ；m i c m s t c t 1 n ；m e c h a n p m p e 蛐鲻s t 丑_ t i s 6 cr e g 睢s sm o d e l 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：盆毫互：日期：塑： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：也! 室：墨日期：型! i ： 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 1 圈3 1 图3 2 图3 3 图 图 图 图 4 5 6 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 圉3 1 4 图3 1 5 化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间的关系 c s p 生产q 2 3 5 b 热轧薄板( 2 3 衄厚) 组织照片 c s p 生产0 2 3 5 b 热轧薄板( 9 3 衄厚) 组织照片 c s p 生产s s 4 0 0 热轧薄板( 3 8 n l i n 厚) 组织照片 c s p 生产s s 4 0 0 热轧薄板( 1 1 5 m m 厚) 组织照片 s s 4 0 0 热轧薄板轧制工艺相同不同厚度组织照片 s s 4 0 0 热轧薄板厚度相同轧制工艺不同组织照片 晶粒测量实验标准误差。趋势图。 珠光体测量实验标准误差。趋势图 板卷厚度一表面中心晶粒尺寸差散点图 c s p 生产的q 2 3 5 b 低碳钢力学性能统计结果分布图 带钢厂生产的q 2 3 5 b 低碳钢力学性能统计结果分布图 涟钢c s p 生产的q 2 3 5 b 低碳钢力学性能统计结果分布图 c s p 生产的s s 4 0 0 低碳钢力学性能统计结果分布图 s s 4 0 0 毡晶粒尺寸一力学性能散点图 q 2 3 5 b a 晶粒尺寸一力学性能散点图 图4 1 q 2 3 5 b 成品板厚度一力学性能散点图3 2 图4 2q 2 3 5 b 成品板厚度一晶粒尺寸关系散点图3 3 图4 3s s 4 0 0 出炉温度一力学性能关系散点图3 4 图4 4 s s 4 0 0 出炉温度一成品晶粒尺寸关系散点图3 4 图4 5q 2 3 5 b 终轧温度一力学性能关系散点图3 6 图4 6 q 2 3 5 b 厚度一卷曲温度关系散点图- 3 7 图4 7 q 2 3 5 b 卷曲温度一强度关系散点图3 7 图4 8q 2 3 5 b 卷曲温度一延伸率散点图3 8 图4 9q 2 3 5 b 卷曲温度一晶粒尺寸散点图3 9 图4 1 0s s 4 0 0 轧制速度一晶粒尺寸散点图3 9 图4 1 1s s 4 0 0 轧制速度一力学性能散点图4 0 图4 1 2s s 4 0 0 平均变形速度一力学性能散点图4 1 加胂瑚瑚埘趣必仍脚伍脚岱m棚 一 | | 一 ；| 一 一一一一一一一一一一一一一一一一 一 一 一 一 一 一 一 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 s s 4 0 0 变形程度一屈服强度散点图 s s 4 0 0 变形程度一抗拉强度教点图 s s 4 0 0 变形程度一延伸率散点图 各道次数与厚度关系图 压下分配与晶粒尺寸关系图 压下分配与力学性能关系图 轧制工艺一性能关系预测值与实测值的比较 图5 1组织一性能关系预测值与实测值的比较 表1 1 抗拉强度计算模型9 表3 1 定量金相实验钡4 量精度数据2 3 表3 2q 2 3 5 b 实验用钢定量金相结果平均数据2 4 表3 3s s 4 0 0 实验用钢定量金相结果平均数据2 4 表3 4c s p 工艺和常规带钢工艺生产q 2 3 5 b 力学性能统计结果对比表2 6 表3 ，52 0 0 5 年c s p 工艺s s 4 0 0 力学性能、化学成分统计结果表2 7 表3 6 国标g b 7 0 0 _ 8 8 中q 2 3 5 规定的力学性能和化学成分范围2 7 表4 1q 2 3 5 b 调整成分含量试验结果表3 l 表4 2q 2 3 5 b s s 4 0 0 试验用钢测量平均数据比较表3 2 表4 3 轧谁4 制度( 一) 3 5 表4 4 轧制制度表( 二) 4 2 表4 ，5 成分、工艺参数选择情况表4 6 表4 6 成分、轧制工艺一性能关系多元回归f 检验方差分析表4 6 表4 7 工艺性a 皂定量关系回归预测值与实测值比较表 4 8 表5 1 组织一性能关系线性回归引用参数分类表5 0 表5 2s s 4 0 0 组织与性能定量关系多元回归f 检验方差分析表5 1 表5 3 组织性能定量关系回归预测值与实测值比较表5 3 表5 4 组织性能关系回归结果精度对比表5 4 表5 5 强化作用定量分析表5 4 表5 6s s 4 0 0 钢化学成分、力学性能表。5 5 表5 7 不同元素固溶强化作用定量表5 5 2 铊粥粥m 斛邯加 彤 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 c s p 生产的热轧板和普通厚板坯连铸连轧线生产的热轧板在组织状态、晶粒度大小 和力学性能方面存在较明显的差异，初步搞清c s p 生产热轧薄板的组织、力学特征。进 一步搞清组织强化机制和影响规律，可以为如何利用其工艺控制优势控制产品的组织性 能、进行新产品开发以及满足不同用户要求控制提供基础和参考。 以往大多在实验室采用热模拟方法研究轧制过程中显微组织和性能的关系，其结果 和实际生产中的情况有一定差距，因此，针对c s p 技术的工艺特点，研究实际生产条件 下在连轧生产中成品的成分、显微组织与力学性能之间的关系，对于通过成分、组织控制 改善成品的力学性能，开发新品种具有重要的意义。 本课题主要针对包钢薄板坯连铸连轧c s p 工艺中已经成熟生产的普碳钢0 2 3 5 b 和 s s 4 0 0 两典型钢种进行显微组织、轧制工艺和力学性能分析研究，在现场数据采集和定量 金相试验结果基础上，利用计算机数理统计回归分析手段分析工艺参数对产品性能质量 的影响规律，并在分析结果和采用扩展形式的h 8 1 1 p e 托h 公式理论基础上，建立现场实际 工艺参数与产品性能统计回归模型及成分、组织和力学性能回归模型。根据统计结果确 定优化工艺参数，对于稳定产品质量，以期获得需要的力学性能具有实际意义。 定优化工艺参数，对于稳定产品质量，以期获得需要的力学性能具有实际意义。 - 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 选题背景及研究意义 近年来，我国钢铁工业出现了加快发展的势头，我国己成为名符其实的世界头号钢 铁大国，但还远不是钢铁强国。国民经济对高技术含量、高附加值产品的需要日益迫 切，我国钢铁行业必须采用先进技术来满足品种与质量、成本与效益等方面不断提高的 要求，达到提高产品质量、增加效益、减少消耗、获得竞争优势的目的。 薄板坯连铸连轧是2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初开发成功的生产热轧板卷的一项全 新短流程工艺，该工艺能缩短生产周期、节约能源、提高钢材收得率和生产率、降低基 建和生产费用、减少占地面积和操作人员，因而受到冶金界的青睐n 】。是继氧气转炉炼 钢、连续铸钢之后钢铁工业近年来最重要的革命性技术进步之一【2 】。 2 0 世纪8 0 年代是世界上薄板坯连铸连轧技术经历长期试验研究后开始步入工业生产 的时代，据不完全统计翻，目前已有1 4 种工艺在工业性生产机组或半工业性生产机组进 行生产实验。尽管各公司的工艺路线不同，设备也各具特点，但最终的目标是一致的， 即通过结构紧凑、热送热装、连铸连轧的薄板坯连铸连轧技术来实现高的经济效益。自 1 9 8 9 年8 月在美国纽柯公司( n u c o r ) 克拉福兹维尔厂( c r a w f o r d s v i l l e ) 采用由 德国s m s 公司提供的第一条紧凑带钢生产线( c 0 ，屺ts n u 口p r o d u c m d n c s p ) 建成投产以来，立即体现出薄板坯连铸连轧的巨大优越性，与普通连铸及热带连轧 技术相比，薄板坯连铸连轧技术显示出明显的优势，引起了全世界冶金界的高度重视。 面对当今世界能源紧缺和市场对难于塑性加工的板带产品需求的增加，在世界钢铁工业 技术领域内掀起一次实现工序简化和彼此间紧凑连接的热潮。2 0 0 1 年末全世界已投产和 在建的薄板坯连铸连轧生产线已有3 6 条，总设计生产能力约5 5 0 0 万t a 【4 1 。预计到 2 0 1 0 年，全世界可能建成7 5 座薄板坯连铸连轧工厂，总生产能力将达1 9 亿吨，即全球 5 0 左右的热轧卷板将由薄板坯连铸连轧机组来生产啊。 典型的薄板坯连铸连轧技术主要有：c s p 技术( c o m p a c ts m pp m d u c t i o n ，简写为 c s p ) 、i s p 技术( i n l 妇s 螂p r o 由硎k m l ，简写为i s p ) 、f r s r 技术( f l e x i b l e 弛s l a b r 0 l l i n gf o rq i l a l 时，简写为f r r s r q ) 、c o n r o l l ，技术、q s p 技术、t s p 技术( t 惭n s _ s a m s u n gp n o c e s s ) 及c p r 技术( c a s 曲gp s s i i l gr 0 i r l g ) 等。各种薄板坯连铸连轧技术各具 特色，同时又相互影响，互相渗透，并在不断地发展和完善【6 】。其中推广应用最多的是由 d 内蒙古科技大学硕士学位论文 西马克公司开发的c s p 工艺，c s p 工艺线技术设备比较简单，流程通畅，节省能源，运 行可靠，而且工艺比较成熟，生产比较稳定，产量高且质量好，得到了较为广泛的应 用，而且实践表明该技术在缩短生产周期，节约能源，减少基建投资及降低成本等方面 亦有明显优点。美国、韩国、墨西哥相继建成了工业化的c s p 生产线，2 0 0 2 年为止已有 2 0 条c s p 生产线投入生产，成为薄板坯连铸连轧工艺的主要形式【5 】，我国已经建成的7 条薄板坯连铸连轧生产线中c s p 类型的就有5 条作业线。与此相应，c s p 生产中出现的 各种质量控制问题、新品种开发问题都已提到议事日程上。 十多年来，c s p 薄板坯连铸连轧技术日臻成熟，围绕这一领域的设备、工艺、自动 控制等方面的研究已经取得很大进展，但是对生产过程中的组织变化及第二相粒子析出 规律还缺乏系统的研究【7 】。薄板坯连铸连轧技术和传统的冷装工艺不同，铸坯经加热炉均 热后直接加工成型，没有经过冷却到室温、再加热奥氏体化( 然后进行轧制) 的过程，其浇 铸区域特有的冶金条件及其直接装炉、轧制、冷却的工艺方法导致热轧带钢晶粒细、强 度高、塑性好。而且c s p 生产流程中尚可汇集形变熟处理工艺，因此c s p 工艺技术将拓 展出更广阔的产品范围。生产实际表明，采用c s p 技术生产的热轧板和普通厚板坯连铸 连轧线生产的热轧板在组织状态、晶粒度大小和力学性能方面存在较明显的差异【j ”，搞清 产生这一现象的组织强化机制和性能影响因素，对于薄板坯连铸连轧产品的组织与性能 控制、新产品开发以及如何满足不同用户要求具有特别重要的实际意义。 以往大多在实验室采用热模拟方法研究轧制过程中显微组织和性能的关系，其结果 和实际生产中的情况有一定差距，因此，针对c s p 技术的工艺特点，研究实际连轧生产 条件下成品化学成分、显微组织与力学性能之间的关系，对于通过成分、组织控制改善 成品的力学性能，开发新品种具有重要的意义。 1 1 2 选题依据 降低制造成本与提高产品性能一直是冶金工作者所致力追求的目标，为了达到这个 目标，有必要在生产前对所要生产的产品组织和性能进行预测，然后根据预报结果，设 计钢种成分和加工工艺，从而降低研制成本，缩短研发时间。 近年来，市场对钢材质量要求更加苛刻，热轧板带产品的力学性能是反映板带质量 的主要指标之一，对板带用户的经济利益具有重大的影响，用户要求钢材力学性能波动 小而且稳定，钢材的质量预报和优化已成为亟待解决的课题，热轧板带组织性能预测控 制技术的研究也正方兴未艾。 现有性能与组织关系建模方法有理论分析与统计方法，理论分析方法中有金属学方 法，此方法s e l l 黜作了较多工作，唯象学的方法以a s h b y 为代表，热力学的方法以 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 a l e x a n d e r 为代表，但最常用的还是金属学方法构造的数学模型，统计方法也是常用的一 种方法，此外还有一些别的方法，如神经元等现在也有所应用旷。本文将结合理论分 析与统计学的方法，对热加工后的力学性能进行预报。 钢的性能取决于材料加工最终状态的微观组织及其精细结构，而组织结构无疑又依 赖于钢的化学成分、生产流程和工艺参数等，“化学成分一加工工艺一组织结构一性能” 四者之间有着互相依存的密切关系【l l 】。c s p 工艺生产的热轧低碳钢薄板同样遵循材料学 的这一基本原理，所以需要从化学成分、组织结构方面对c s p 连铸连轧低碳钢薄板的组 织一力学性能关系进行深入研究。过去的十多年中，在c s p 薄板坯连铸连轧研究领域， 关于c s p 技术成形过程中钢的组织演变规律、力学性能特征及其控制以及第二相析出等 方面的研究报道层出不穷，对于c s p 轧制工艺条件下产品组织、性能的关系，大多都是 在试验模拟条件下研究的，因此从特定的现场实际工艺条件出发，研究实际生产中组织 一性能关系，对其进行定量分析具有重要的理论意义和生产实用价值。 薄板坯连铸连轧厂可以覆盖大多数热轧带钢的品种范围，但是一些高性能要求和高 附加值的品种还不能生产，通常认为目前的薄板坯技术可以生产约7 0 的传统热带可生 产的钢种，目前c s p 产品开发发展工作主要集中在低碳和超低碳深冲钢的生产、高牌号 管线钢的生产、高强度钢的生产等几个方面1 1 2 】。普碳钢是目前工业生产和国民经济应用 最广泛的钢种之一，产量约占钢产量的7 0 8 0 的普通碳素构件用钢中大多采用低碳钢 和含有少量合金元素的低合金钢，目前传统工艺生产的低碳钢中的典型产品q 2 3 5 钢屈服 强度约为2 3 5 m p a ，抗拉强度约为3 7 5m p a ，晶粒尺寸约为2 0 m ，而用c s p 工艺生产 的q 2 3 5 钢上述几项指标明显提高，有必要研究c s p 工艺下的组织强化机理与性能的关 系；同时c s p 生产中普碳钢工艺已经日益成熟、稳定，选取低碳钢作为研究对象具有普 遍性，对于已经日益成熟的工艺进行总结，可以更有效发展普碳钢的潜力，实现高性能 低成本生产，对稳定工艺、提高品质、开发新品种亦有着重要价值。根据以上分析本课 题研究内容定位在c s p ( 转炉) 工艺条件下低碳钢成分一组织一i 生能关系研究，选取钢 种为普通低碳钢0 2 3 5 b 和s s 4 0 0 。 1 2 国内外研究概况 1 2 1c s p 热轧低碳钢显微组织和力学性能研究现状 c s p 工艺过程与传统工艺的最大不同在于热历史不同：在c s p 工艺中，从钢水浇铸 到板卷成品，板坯经历了由高温到低温、由y a 转变的单向变化过程，而传统连铸连轧 工艺中板坯的热历史为y “一a ，a 叫q ，t 心一过程。目前，在c s p 连轧技术中，均 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 热采用直通式辊底隧道炉，冷却采用层流快速冷却技术，而且精轧机组与均热炉紧密衔 接，采用大压下和高刚度轧制等，这些都是现代薄板坯连铸连轧的工艺特点之一。这些 关键技术及其独特的热历史及变形条件与过程决定了其再结晶、相变以及第二相粒子析 出过程、状态和条件不同，影响着板带组织的结构、状态和最终性能i l ”。 针对c s p 工艺生产的产品显微组织和力学性能特征很多学者通过各种手段进行了大 量分析研究。生产实际表明，采用c s p 技术生产的成品板比传统技术生产的板带材组织 明显细化。强度大为提高。文献1 习【l 习研究表明：c s p 线生产的1 0 r m 低碳钢板z j 3 3 0 成品的显微组织为大量铁索体加部分珠光体，铁素体晶粒的外貌呈不规则的多边形状， 铁素体晶粒细小且大小较为均匀，表观平均晶粒尺寸约为6 4 8pm 。珠光体组织在铁索 体晶晃处析出且呈枝链状分布，在一定程度上影响了产品的性能；夹杂物的含量较低， 成分为氧化铝或氮化铝、硫化锰和硫化钙，部分较软的夹杂物在轧制过程中沿轧向产生 不同程度的变形，多数夹杂物的尺寸在5 “m 以下，轧后呈圆形或类椭圆形，分布较散， 因此板的塑性和强度较高；由于晶粒组织细小且钢中有害元素的含量低，故1 晚肌z j 3 3 0 低碳钢板的强度和塑性高。超薄规格板的最终组织中含有大量的细小、弥散的析出物， 初步分析表明，大部分的a 1 2 0 3 、m n s 粒子的尺寸小于1 0 0 n 毋，分布在晶内和品界处； 复合析出物的尺寸稍大，在晶界处析出，其触2 0 3 是复合析出物的核心，而m n s 附着在 其表面析出。细小、弥散分布的析出物极大地提高了成品板的强度。 文献1 1 8 】认为：c s p 热轧低碳钢板z j 3 3 0 的强度比成分相近的q 1 9 5 提高一倍，同时 延伸率达到4 0 左右，主要是由于有效晶粒尺寸细化的结果。在c s p 低碳钢中析出的纳 米尺寸弥散氧化物和硫化物粒子可以钉扎晶界，阻碍其运动导致晶粒细化，此外，它们 还有沉淀强化作用。微量杂质元素的晶界偏聚也有阻碍晶界迁移，细化晶粒的作用。 l _ 2 _ 2 低碳钢组织性能预测模型研究现状 利用数学模型预酒4 钢材的组织变化和最终力学性能的最初想法是i r v i n e 和p i c k 趣【1 9 】 在五十年代提出来的。他们的研究工作表明，钢铁材料的抗拉强度与相变行为之间存在 一定的关系。由此，如果相交行为己知，则可以通过计算得出抗拉强度。这一成果促使 人们一方面不断研究材料的微观组织与力学性能之间的定量关系，另一方面也改变了人 们的思维方法，即不必通过破坏性的实验，而是通过数学方法就可以得到材料的力学性 能。 为精确预测和控制产品质量，必须考虑热轧、冷却过程中的组织演化以及组织与力 学性能之间的关系。s e n a r l 2 0 2 l 】等人提出热轧、冷却过程的复杂组织演化的模型后，以 s d l a r 模型为基础，大量的研究者采用各种方式对材料热轧过程中的沉淀析出行为、再结 - 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 晶、晶粒长大、冷却相变提出计算模型，并由此预测最终的性能。组织性能模型是预测 模型中最基本的环节，许多预测强度的模型都是建立在h a l l p e t c h 方程的基础之上，再 引入化学成分、组成相的份数，或珠光体的片层距离，或相变的温度等因素。另一方 面，由于近年来人工智能技术的发展，采用神经网络的方法进行组织性能分析也得到应 用1 。 近年来，由于相变模型对显微组织的成功预报，进而通过研究组织与力学性能关系 来建立性能预报模型的方法被广泛采用。在材料组织与性能关系的研究中，强度与组织 参数定量关系的研究较为深入，并建立了相应的理论。h a l l p 咖h 关系式是描述强度与组 织关系的一个重要理论基础。h v i n e 和p i c k e r i i l 一1 9 】在5 0 年代提出了抗拉强度与转变温度 之间存在一定关系，为预报性能模型提出了新的思路，依据这一关系，可对抗拉强度进 行准确预测。对于多项组织，人们研究发现各组成相的显微硬度与转变温度存在上述类 似关系，因此对多相组织可采用混合硬度法则通过计算硬度来获得最终的抗拉强度。在 此基础上，许多国外研究者提出了强度计算模型( 见表1 1 ) ，由表中可见这些模型都采 用了h a l l p e o c h 关系式与混合硬度法相结合的方法来计算材料的抗拉强度。其它性能指 标，如屈服强度、韧性和延伸率等与组织的关系不像抗拉强度那样明确，因此，这些力 学性能一般是通过实验数据经统计归纳得到的经验公式来描述。此外，日本的研究者还 开展了通过预测应力应变曲线来计算材料力学性能的方法田 ，目前这一方法受到了广泛 的重视。最近，日本的梅本实即i 又提出了通过计算驱动力来预测性能，这为建立材料预 测模型开拓了新的思路。 国内许多学者对于组织性能模型也进行了大量分析与研究，目前材料热加工组织性 能数值模拟的现状主要有以下几方面：力学、机械性能文献【2 8 】认为h a l l 一p e t c h 方程是表 示材料微观结构与其强度指标关系较普通的方程，并给出以化学成分及铁素体晶粒直径 d 。表示的低碳钢和某些微合金钢屈服及抗拉强度的表达式；文献【2 9 】在对轧材屈服强度、 抗拉强度、延伸率及维氏硬度进行模拟时所引用的模型亦与文献网采用的模型类似；文 献【3 。l 鉴于根据钢材化学成分回归经验公式所得结果不太理想的事实，直接用晶粒尺寸、 各组成相的体积分数、碳氮化合物析出相的尺寸和体积分数等作自变量来建立高强度低 合金钢组织与其屈服强度os 、抗拉强度ob 、冲击韧性等的对应关系模型，实验结果表 明：模型计算值与实测值吻合较好；文献吲除考虑化学成分、晶粒尺寸、铁素体体积百 分数、析出物颗粒外，还考虑珠光体片间距对屈服及抗拉强度的影响；文献口2 】还利用碳 化物厚度或钢板厚度来建立有关方程。上述模型均依赖于统计回归方程，但大都仅适用 于低碳及微合金钢。且与特定的生产设备及工艺相关联，因此针对不同的冶金设备工艺 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 条件下，建立不同轧材组织结构与性能变化的理论模型是十分必要的。近年来，由于人 工智能技术的发展，采用人工神经网络的方法进行组织性能分析也得到大量应用，文献 【3 3 q 8 都应用该方法进行了研究应用，这种方法在拥有大量数据的场合可以克服线性回归 所遇到的问题，提高预测的精度，另外充分利用模拟结果来优化工艺亦是人们需努力的 方向。 表1 1 抗拉强度计算模型 研究者抗拉强度 p i c k e r i n g l l 研 髑= l “f 1 9 件1 8 【肋l j + “嘲+ 0 2 劬+ o 5 盱碥 江板一彬阳1 t s = 0 1 5 7 月- 吩+ o 2 2 2 玩+ 蝴缉嵋+ 4 4 p 寸5 + o 6 矿m + 屯6 5 矢田浩1 2 6 l t s = 3 心日。 hv 。q b 矗娟dp q j d h i 知司6 1 0 3 5 7 研+ 卯【s q日p 2 1 7 5 h d = 姗一0 瑚i k + 卯【s 日 _ ( 酬脓f 出 k m 田】 t s = 0 5 日，吩+ 0 2 “凰+ 0 2 7 7 嵋+ 7 5 5 吩矿1 8 + 1 3 4 吩( 1 印+ 3 8 h ，5 2 7 7 2 e 砷( 9 8 w7 柚+ 3 9 8 i s q + 9 1 日，= 2 l 曼4 一o 0 1 62 ，一2 伽4 p h l + 5 & 2 6 【s n 凰= 2 7 7 2 既p c 删z k 一十3 9 8 【s q + 9 1 1 _ 3c s p 工艺低碳钢组织性能定量关系研究的基本理论 1 3 1c s p 工艺主要强韧化机理 金属材料的力学性能主要取决于材料的化学成分及其内部组织结构，宏观力学性能 是材料内部显微组织结构状态的外部表现，而显微组织结构是宏观力学性能的主要内部 根据。 材料的化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间的关系口q 可以用图1 1 表 明。 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 1 化学成分和加工过程、显微组织与力学性能之间的关系 由图1 1 可知，通过改变材料的化学成分和加工过程( 冶炼、浇铸、冷热加工成型和 热处理等) ，可以改变材料的性能，即材料的性能与其化学成分和加工过程之间存在着一 个函数关系f ；函数f 通过化学成分与加工过程和显微组织间的函数关系f l ，以及显微 组织与力学性能之间的函数关系f 2 决定着材料的力学性能。 在钢中化学成分一定的条件下，控制钢的力学性能的主要因素是钢的内部显微组 织，而对钢的显微组织与力学性能之间关系的认识则依赖于对钢的强韧化机制的分析与 研究。实际使用的钢基本上是由不同量、不同点阵类型的相组成的，这些相具有不同的 结构、形态和分布方式，钢的强韧性就是其中各个相对强韧性的综合贡献。因此，研究 钢的强韧性机制就是研究各个相对强韧性的控制作用。 金属材料的强化可以通过2 个基本途径：( 1 ) 制成无缺陷的完整晶体，使金属的晶 体强度接近理论强度； ( 2 ) 在有缺陷的金属晶体中设法阻止位错的运动。早在本世纪5 0 年代就己循第一种方法的思路制造出屈服强度接近理论屈服强度的铁晶须，但由于晶须 强度的极不稳定性以及工业生产成本很大的缘故，这途径至今仍未用于工业生产研j 。 目前，工程上采用的基本都是第二种强化方法，即在晶体中引入大量缺陷及阻止位错运 动来提高强度。钢中最常见的强化方式是固溶强化、晶界强化、第二相粒子析出强化以 及位错强化等p ”，因而，影响室温组织的力学性能的组织参数可归纳为：( 1 ) 溶质元素 在钢中固溶的质量分数 m i ；( 2 ) 各组成相的质量分数：( 3 ) 铁素体的晶粒尺寸山 等。在传统方法生产的普通低碳钢中，由于没有加入碳氮化合物形成元素，一般没有沉 淀强化作用，普通低碳钢中最常见的强化方式是固溶强化、晶界强化和第二相粒子析出 强化。 c s p 热轧低碳钢薄板工艺中，铸坯中的微量元素变形前绝大部分一直处于固溶状 态，随后的变形中，诱导析出成为细小析出物均匀分布，将阻碍位错运动，堵塞晶界、 亚晶界的迁移，这提高了奥氏体再结晶温度，因而阻碍再结晶及晶粒生长，细化晶粒的 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 同时产生沉淀强化。相变以后，部分未析出的微量元素仍保持固溶状态，一方面强化基 体，另一方面阻碍铁素体晶粒长大。在组织细化的同时，也因之而产生细晶强化和位错 强化。试验结果表明在e s p 低碳钢中位错密度明显高于传统厚板坯的同类钢【3 9 j ，因而有 一定的位错亚结构强化作用。因此分析c s p 低碳钢的主要强化机制有圃溶强化、晶界强 化、沉淀强化和位错强化。 1 3 2 热轧低碳钢成分、组织一力学性能关系表达式 组织性能模型是预测模型中最基本的环节，许多预测强度的模型都是建立在h 8 1 1 p e i c h 方程的基础之上，再引入化学成分、组成相的份数，或珠光体的片层间距，或相变 的温度等因素1 多晶体的屈服强度一般遵从著名的h a l 卜一p c t c h 公式来描述： i 魂= 咖十材i ( 1 1 ) 式中：a s 屈服强度；咖材料内在应力； k 常数；d 晶粒直径。 其中材料的内在应力与晶界强化、固溶强化、位错强化、沉淀强化等有关，因此从 h a l l 一p 鼬公式分析中可见有几种不同的提高强度的方法【柏】： g = o s + g g + a 嘟+ o 加+ a d i s + o 积 ( 1 2 ) 式中仉固溶强化；o 窖晶界强化；a 耐析出强化； o 口i l a 相变强化；。位错强化；o m 织构强化。 最近，有学者已从几个方面对该公式的普遍实用性提出不同的诠释，不同的铁素体 状态，强化机制不样。当我们得到的组织为多边形铁素体时，强化作用主要为细晶强 化、位错强化和析出强化。随着相变温度的降低，铁素体晶粒尺寸减小，类型和晶界也 有细微变化，k 变小，晶粒细化强化作用减小。当组织为非多边形铁素体，主要是位错 强化和固溶强化对强度的贡献；而对针状铁索体，细晶强化作用非常小，主要为位错强 化和固溶强化。在这些对强度贡献的项中，其他几种强化机制会降低钢的韧性，只有晶 粒细化既能提高强度又能改善韧性，“。 带钢常用的性能指标主要有强度和韧性指标，如抗拉强度、屈服强度和伸长率。为 精确预测和控制产品的质量，必须确立组织与力学性能的对应关系，理论上说，材料的 每一个力学性能指标都是显微组织的参量的函数，钢材的强韧化机制主要有固溶强化、 细晶强化、沉淀强化、位错强化等，从过程模拟的角度看，那些贡献小的因索往往是忽 略不计。对于生产工艺相对稳定的普通低碳钢，其析出强化、位错强化可以并入一项考 内蒙古科技大学硕士学位论文 虑。简而言之，碳素钢的强度主要与钢的化学成分、最终铁素体的晶粒度和体积分数以 及沉淀强化有关。 1 3 2 1 屈服强度与显微组织的关系表达式 大量实验研究结果表明，金属材料屈服强度与平均晶粒直径( d ) 之间的关系可用删l - p 跳关系式描述，就低碳钢的热轧过程而言，当最终变形在相交温度( a 功) 之上时，变形 后的奥氏体晶粒基本上都发生了再结晶，室温条件下的力学性能大都由铁索体晶粒尺寸 控制，屈服强度主要取决于钢中合金元素的固溶强化以及铁素体的晶界强化，屈服强度 与显微组织的关系可表述： j y s = 0 0 + 壹k ，c + 趔2 + 蜥+ o p 0 ( 1 3 ) 式中局常数；g 某一成分的固溶量( 质量分数) ，； t 七d j 晶界强化项；石珠光体体积百分量；o p 析出强化项。 1 3 2 2 抗拉强度与显微组织的美烈蜘 对于低碳钢的抗拉强度来说，在显微组织与性能的关系式中，既要考虑固溶强化、 晶界强化，还要考虑珠光体体积百分含量的影响。因而，抗拉强度与显微组织参量间的 关系可表述： t s = 0 0 + 窆墨c l + 材2 + 锄+ o p 0 式中石珠光体体积百分量；k ，足，玛系数。 1 - 3 2 3 延伸率与显微组织的关系1 4 2 i ( 1 4 ) 大量研究表明。强化因素中的间隙固溶强化、第二相析出强化以及位错强化都将降 低表征钢材塑性的延伸率，而固溶强化中的置换固溶强化和晶界强化则对伸长率作用很 小或没有作用。因此，伸长率与显微组织之间的关系可用下式表示： j e u ：) ；e 一圭k ，c ，一槲2 一硒一唧 ( 1 5 ) 式中e 常数： k ，足，鹭系数；石珠光体体积百分量。 1 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 _ 4 主要研究内容和目的 本课题的研究将从传统工艺中的物理冶金基本原理和c s p 工艺特点出发，结合现场 实际条件，通过定量金相手段、统计分析方法找出适合c s p 工艺低碳钢的成分组织性 能之间的关系，以期通过控制钢材成分和组织来获得预期的性能，为在c s p 上生产出高 质量高性能的钢板提供理论根据。 课题研究的钢种为包头钢铁公司薄板坯连铸连轧厂( c s p 线) 提供的工业用0 2 3 5 b 和s s 4 0 0 成品板样，轧制工艺条件参数取白现场工艺条件，显微组织参数通过定量金相 进行测量，力学性能通过材料力学性能实验测定，试验在内蒙古科技大学进行。 主要研究内容包括： 1 ) 试样参数采集。采集不同规格厚度的成品试样并采集现场工艺参数。 2 ) 利用光学显微镜、扫描电镜、自动材料试验机等仪器对取自生产现场0 2 3 5 b 、 s s 4 0 0 成品样进行室温组织观测研究、定量金相测定、相应拉伸试样的力学性能测定。 3 ) 对包钢c s p 线生产的q 2 3 5 b 、s s 4 0 0 力学性能进行统计分析。 4 ) 运用数理统计分析方法对数据进行多元回归。 5 ) 分析采用c s p 技术生产低碳钢性能优于传统产品的强韧化机制，分析影响因素对 力学性能的贡献。 对实验结果主要进行以下几方面的分析： ( a ) c s p 工艺下低碳钢q 2 3 5 b 、s s 4 0 0 力学性能统计规律； ( b ) 不同工艺下成品的组织状态，晶粒大小； ( c ) 分析成分、成品组织和轧制工艺对力学性能的影响； ( d ) 工艺一性能关系模型的建立及分析； ( e ) 组织一性能关系模型的建立及分析； ( f ) c s p 工艺生产低碳钢强化机理分析。 1