（材料加工工程专业论文）冷却方式对q345gj高建钢组织性能的影响.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g t h ee f f e c to fc o o l i n gw a yo i lt h em 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 yo fh i g hr i s eb u i l d i n gs t e e lq 3 4 5 g j b yw a n gq i n g m i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e - p r o f e s s o rx u y u n b o p r o f e s s o rz h a od e w e n n o r t h e a s t e m u n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 舢2洲8m 恰m 3 4舢8 伽哪y -，iji i 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，不包含其它人己经发表或撰写过 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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二己 恳o 1彳 、 学位论文作者签名：易x 压火 日期： 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： ， i 卵 东：i 匕大学硕士学位论文摘要 冷却方式对q 3 4 5 g j 高建钢组织性能的影响 摘要 地震的频繁发生给人民的生命和财产带来了巨大损失，所以建筑用钢的抗震性就成 了人们关注的核心问题。而低屈强比高建钢能够以更大的塑性变形吸收地震的巨大能 量，延缓其最终破坏的发生，这种设计思路引导了低屈强比钢在建筑结构中的应用。针 对这一课题，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室与首秦公司、天津钢铁集 团公司联合攻关，进行q 3 9 0 g j 以下高层建筑钢的研制与开发。本文以q 3 4 5 g j 为研究对 象，通过不同的工艺和方法，研究低屈强比形成的工艺条件，为工业化大生产提供优化 的工艺方案。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 采用单道次压缩试验，研究了变形温度、变形程度和变形速率对试验钢变形抗 力的影响规律，建立了试验钢的变形抗力数学模型；同时研究了试验钢奥氏体区动态软 化行为，动态再结晶激活能稳态时为q s = 2 4 5 4 4 8k j m o l ，峰态时为q p - - - 1 6 6 9 9 4k j m o l 。 ( 2 ) 采用热膨胀法测定了动态、静态以及不同加热温度条件下的c c t 曲线，结合金 相观察结果，给出了变形、加热温度以及冷却速度对试验钢组织的影响规律。同时研究 了变形工艺参数对铁素体相变和贝氏体相变的影响。结果表明：变形促进奥氏体向铁素 体的转变。变形对贝氏体的转变有双重作用：当冷却速度较低时，变形抑制贝氏体的转 变：当冷却速度较高时，变形促进贝氏体的转变。 ( 3 ) 进行了热变形后冷却方式的模拟试验和实验室控轧控冷试验，研究了精轧温度 区间、开冷温度、终冷温度、冷却速度以及热处理等工艺对试验钢组织和性能的影响。 试验研究结果表明，试验钢控轧控冷最佳工艺参数为：( 1 ) 加热1 2 0 0 。c ；( 2 ) 采用两阶 段控轧，一阶段开轧温度11 0 0 l1 5 0 ，二阶段开轧温度9 5 0 ( 2 ，终轧温度8 5 0 ；( 3 ) 终 轧后待温处理，开冷温度7 4 0 7 7 0 ，终冷温度6 0 0 - 6 5 0 ，冷速5 - 1 2 s 。 ( 4 ) 分析了低屈强比形成的机理；研究了精轧温度区间、冷却速度、终冷温度、硬 相含量、铁素体晶粒尺寸以及热处理工艺对屈强比的影响规律；对优化的工艺方案进行 透射、扫描、e b s d 等精细分析，研究待温处理对铁素体晶粒内位错密度，珠光体片层 厚度以及铁素体晶界取向的影响规律。 关键词：高层建筑钢；动态再结晶；连续冷却转变；控轧控冷；低屈强比 ， t t h ee f f e c to fc o o l i n gw a yo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t yo fh i g hr i s eb u i l d i n gs t e e lq 3 4 5 g j a b s t r a c t f r e q u e n to c c u r r e n c e so fl a r g ee a r t h q u a k e sp r o d u c es e r i o u sl o s s e st op e o p l e s l i f ea n d p r o p e r t y , t h e r e f o r e ，t h ee a r t h q u a k er e s i s t a n c eo fb u i l d i n gs t e e l b e c o m e st h ec o r ei s s u eo f p u b l i cc o n c e r n h o w e v e r l o wy i e l dr a t i oh i g hr i s eb u i l d i n gs t e e lc a l la b s o r bt h eg r e a te n e r g y o fe a r t h q u a k eb ym o r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，d e l a yt h eo c c u r r e n c eo ff i n a ld e s t r u c t i o n t h i s t h i n k i n gl e a d st ot h ea p p l i c a t i o no fl o wy i e l dr a t i os t e e li nt h eb u i l d i n gs t r u c t u r e a i m i n ga t t h es u b j e c t ，t h es t a t ek e yl a bo fr o l l i n ga n da u t o m a t i o no fn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t ya n d s h o u q i nc o 、t i a n s t e e lc o a r ed e v e l o p i n gt o g e t h e rt h eh i g hr i s eb u i l d i n gb e l o wq 3 9 0 g j b a s e do nq 3 4 5 g j ，t h i sp a p e rs t u d i e st h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sf o rt h ef o r m a t i o no fl o w y i e l dr a t i oa n dp r o v i d e so p t i m i z e dp r o c e s ss c h e m ef o rl a r g ei n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o n t h em a i nw o r k si n v o l v e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e ns i n g l ep r e s st e s tw a st a k e n , t h ei n f l u e n c eo ft h ed e f o r m i n gt e m p e r a t u r e ， d e f o r m i n gd e g r e ea n dd e f o r m i n gr a t e t ot h es t r e s so ft h es t e e lw e r er e s e a r c h e d ，a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o nw a se s t a b l i s h e d t h eb e h a v i o ro fd y n a m i c s o f t e n i n go f t h es t e e lt ob et e s t e di na u s t e n i t i ca r e aw a sa l s or e s e a r c h e d t h ea c t i v a t i o ne n e r g y o fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni np e a l ( s t a t ea n ds t e a d ys t a t ea r e2 4 5 4 4 8k j m o la n d16 6 9 9 4 k j m 0 1 ( 2 ) t h eh e a te x p a n s i o nm e t h o dw a st a k e nt ot e s tt h ec c t c u r v e so nd e f o r m e dc o n d i t i o n 、 t r a d e f o r m e dc o n d i t i o na n dd i f f e r e n th e a t i n gt e m p e r a t u r e t h ee f f e c to fd e f o r m a t i o n 、c o o l i n g s p e e da n dh e a t 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 eo fe x p e r i m e n t a ls t e e lc o u l db eg o tf r o m t h em e t a l l o g r a p h i c t h ei n f l u e n c eo fd e f o r mp r o c e s s i n gp a r a m e t e rt of e r r i t et r a n s f o r m a t i o n a n db a i n i t et r a n s f o r m a t i o nw a sa l s or e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o w sd e f o r m a t i o np r o m o t i n gt h e t r a n s f o r m a t i o nf r o ma u s t e n i t et of e r r i t e d e f o r m a t i o nh a sd o u b l ee f f e c tt ot h eb a i n i t e t r a n s f o r m a t i o n ：a tl o w e rc o o l i n gr a t e ，t h ed e f o r m a t i o np r o m o t e sb a i n i t et r a n s f o r m a t i o n ；a t l o w e rc o o l i n gr a t e ，t h ed e f o r m a t i o ni n h i b i t sb a i n i t et r a n s f o r m a t i o n ( 3 ) t h es i m u l a t i o nt e s to fc o o l i n gw a ya f t e rh o td e f o r m a t i o na n dc o n t r o l l e dr o l l i n ga n d c o n t r o l l e dc o o l i n gt e s ti ne x p e r i m e n tw e r ec a r r i e do u t ，t h ee f f e c to ff i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e r a n g e ，s t a r tc o o l i n gt e m p e r a t u r e ，f i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gr a t ea n dh e a tt r e a t m e n t v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o c e s so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft e s t e ds t e e l sw e r es t u d i e d 1 1 l e r e s u l ts h o w st h a tt h er e c o m m e n d e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o na r e - ( 1 ) t h er e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei s12 0 0 。c ；( 2 ) t w os t a g e sc o n t r o l l e dr o l l i n gi sa d o p t e d ，i nw h i c ht h e f i r s ts t a g er o l l i n gs t a r t e sa tl1 0 0 - - 1 1 5 0 ca n dt h es e c o n ds t a g er o l l i n gs t a r t e sa t9 5 0 ( 2 ，t h ef i n a lr o l l i n g t e m p e r a t u r ei s8 5 0 c ；( 3 ) t i m ew a i t i n gt r e a t m e n ta f t e rf i n a lr o l l i n g ，s t a r tc o o l i n gt e m p e r a t u r ei s 7 4 0 - 7 7 0 c ，f i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r ei s6 0 0 - - 6 5 0 ( 2 ，c o o l i n gr a t ei s5 - 1 2 c 1 s ( 4 ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fl o wy i e l dr a t i ow a sa n a l y z e d ；t h ee f f e c to ff i n i s hr o l l i n g t e m p e r a t u r er a n g e ，f i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gr a t e ，c o n t e n to fr o u g hp h a s e ，f e r r i t e g r a i ns i z ea n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so nt h ey i e l dr a t i ow e r es t u d i e d n l et r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n de l e c t r o nb a c k s c a t t e r e dd i f f r a c t i o n w e r eu s e dt os t u d yt h eg r a i nd e n s i t yo ff e r r i t e ，t h el a m e l l a rt h i c k n e s so f p e a r l i t ea n dt h eg r a i n b o u n d a r ym i s o r i e n t a t i o no ff e r r i t e k e yw o r d s ：h i g hr i s eb u i l d i n gs t e e l ；d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；c 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 n ；t m c p ；l o wy i e l dr a t i o v i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 尹旨明。i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论l 1 1 钢结构建筑的发展1 1 2 高层建筑用钢的屈强比2 1 3 热处理工艺5 1 4 钢的控制轧制与控制冷却6 1 4 1 控轧控冷的意义和发展7 1 4 2 控制轧制。8 1 4 3 控制冷却9 1 5 钢中微合金元素的作用1 0 1 6 本文研究背景及内容1 2 1 6 1 工作背景。1 2 1 6 2 研究内容12 第2 章奥氏体热变形行为。1 5 2 1 试验方法l5 2 1 1 试验材料及装备一15 2 1 2 试验方案1 6 2 2 变形抗力分析17 2 2 1 变形温度对变形抗力的影响1 7 2 2 2 变形速率对变形抗力的影响l8 2 2 3 变形程度对变形抗力的影响l9 2 3 高温变形数学模型的建立2 l 2 3 1 真应力真应变模型分析2 l 2 3 2 动态再结晶模型2 2 2 4 本章小结2 5 第3 章奥氏体连续冷却相变的研究2 7 3 1 试验方案2 7 3 1 1 试验材料2 7 3 1 2 试验原理2 7 3 1 3 试验工艺2 8 3 2 试验结果2 9 3 2 1 试验钢静态c c t 1 2 0 0 曲线及显微组织2 9 3 2 2 试验钢动态c c t - 1 2 0 0 曲线及显微组织3 l ，。 东北大学硕士学位论文 目 录 3 2 3 试验钢动态c c t - 1 0 0 0 曲线及显微组织3 4 3 3 讨论3 6 3 3 1 加速冷却对未变形奥氏体组织转变的影响3 6 3 3 2 加速冷却和变形对奥氏体组织转变的影响3 7 3 3 3 加热温度对奥氏体组织转变的影响3 9 3 4 本章小结3 9 第4 章控轧控冷工艺的研究4 l 4 1 冷却方式模拟试验4 1 4 1 1 试验方案4 1 4 1 2 试验结果和分析。4 1 4 2 实验室热轧试验4 4 4 2 1 试验方案4 4 4 2 2 试验结果和分析4 5 4 3 讨论5 8 4 3 本章小结6 1 第5 章高建钢屈强比的研究6 3 5 1 低屈强比形成分析6 3 5 1 工艺参数对屈强比的影响6 5 5 1 1 精轧温度区间对屈强比的影响6 5 5 1 2 冷却速度对屈强比的影响6 6 5 1 3 终冷温度对屈强比的影响6 6 5 1 4 铁素体晶粒尺寸对屈强比的影响6 7 5 1 5 硬相的含量对屈强比的影响6 8 5 2 热处理工艺对屈强比的影响6 9 5 3 终轧后待温对微观组织的影响7 2 5 3 1 铁素体晶粒尺寸的变化7 2 5 3 2 铁素体晶界取向差分析7 3 5 3 3 珠光体形貌s e m 分析7 4 5 3 4 位错和析出的t e m 分析7 6 5 4 本章小结7 7 第6 章结论。7 9 参考文献8l 致 射一8 5 i 笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 钢结构建筑的发展 建筑结构大致可分为四类：钢结构、网架结构、钢筋混凝土结构和木结构。钢结构 高层建筑自5 0 年代从欧洲兴起至今，因具有多方面特殊的优势，其代替钢筋混凝土结 构已成为国际高层建筑的发展趋势。在日本，钢结构已达到总建筑面积的4 0 以上；美 国以工业化全装配轻钢结构轻钢体系的非居住单层建筑物占5 6 7 t 卜4 1 ；西欧新建的工 业与民用建筑也以钢结构为主。近年来，我国的建筑钢结构获得了迅速的发展。8 0 年代 的网架结构，9 0 年代的轻钢房屋和屋盖以不可阻挡之势席卷我国大地，特别是高层钢结 构的出现，开辟了我国建筑钢结构的新领域。我国民用现代高层钢结构建筑自1 9 8 5 年 起步，至今已建成或正在建设的约有1 0 0 多座，如北京的新保利大厦、水立方、国家图 书馆、中央电视台新台址建设工程等一批高层建筑工程。现已竣工的上海金茂大厦高3 6 5 米是目前中国高层建筑之最，总用钢量为1 4 万吨【5 l 。国家鸟巢体育场的建造在我国钢 结构建筑史上更具有举足轻重的地位，经过在整体计算模型进行各种优化调整后，屋盖 结构的总用钢量为4 1 万吨。在世界最高的1 0 0 座建筑中，钢结构占5 0 座，这说明在现 代建筑结构中，钢结构建筑代表了当今发展的新潮流。钢结构建筑之所以得到快速发展， 这是由于它具有强度高、承载能力大、可靠性好、质量轻、施工便捷、节能环保、综合 技术经济指标佳和建筑造型美观等优点等【】。同样一栋高层建筑，采用不同的建筑结 构耗钢量相差很大。单纯的钢结构高层建筑钢耗钢量至少是钢筋混凝土结构耗钢量的 1 5 倍以上，因此我国高层建筑过去都是以钢筋混凝土为主。然而，随着建筑物高度的 不断提升，钢结构的优势表现得越来越明显。尤其在日本阪神大地震及台湾大地震中钢 结构的抗震性能得到了充分的体现。根据日本阪神大地震资料，钢结构建筑在地震中的 受损率远低于混凝土结构建筑。据国外一些高层建筑项目采用钢结构与钢筋混凝土结构 的综合经济效益的统计分析资料，采用钢结构的平均效益可提高7 - 8 。对我国某些高 层建筑的分析表明，5 0 层左右的工程采用钢结构与钢筋混凝土结构的综合经济效益持 平，层数越高，钢结构的综合经济效益越明显。虽然单纯就结构材料成本而言，钢结构 要高于其他结构，但从综合成本计算，采用钢结构还是更为经济j 世界上百年来以及我 国近十年来高层钢结构建筑的发展充分说明，在超高建筑中使用钢结构是必然的趋势。 钢结构最终也将会成为我国高层建筑结构中的主流【9 】。这一点已被越来越多的国内建筑 界人士所认识。 我国目前已经是世界上第一产钢大国，但在2 0 世纪8 0 年代以前却始终处于一个贫 钢国的地位，因此，长期以来国内建筑行业的用材思想总是节约用钢。进入9 0 年代 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ， 。 辱 1 2 高层建筑用钢的j j j 巴 门 芝 旨 挈 l n ( ) = 上 冒l 记刀 三刀( 1 + 皿) ( 1 - 2 1 曼 i 了 - 呈 习 、 叁 l 弋。 l薹蓑曼釜暑 n 蕊、n 目j s l e e 汤 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 次。全世界本世纪死于地震1 2 0 余万人。我国2 0 世纪发生6 级以上地震3 9 0 余次，死亡5 5 万人。基本烈度大于7 级的地区面积总计为3 1 2 万平方公里，占全国总面积的3 2 5 。为 了减少地震灾害造成的人员伤亡和财产损失，建筑物抗震问题已引起广泛重视【1 2 b j 。研 究证明，影响建筑物抗震性的因素是多方面的，其中，建筑物结构所用的钢材是重要因 素之一。因此，对建筑用钢的力学性能提出了较高的要求，其中屈强比就是一个重要指 标。屈强比是表征钢的加工硬化和均匀延伸的能力。欧洲建筑钢要求屈强比小于o 9 l ， 而日本要求建筑钢屈强比小于o 8 0 【1 4 15 1 。他们用不同屈强比的低强度钢和高强度钢进行 旋转试验，如图1 1 所示。 乡专心 、 2 3 5 m p a 、 。 0 5 5 m p a 氆q ! 坚a y 】 - 0 8 3 0 4g1 2 1 6 巾4 , p 皇 窆 入 、 5 m p a 4 6 0 m p a 3 5 5 m p i y r = 1 0 48 1 21 6 由4 , p 图1 2 转动能力与屈强比的关系 f i g 1 2t h er e l a t i o nb e t w e e nt h et u r n i n gp o w e r a n dy i e l d s t r e n g t hr a t i o 结果表明，尽管旋转能力随着屈强比的降低而增加，但是，当屈强比高达1 0 时仍表现出 较强的旋转能力。这样的结论似乎表明屈强比并不是衡量建筑钢性能好坏的必要条件。 然而，在地震发生过程中，承重构件并不仅受到的是静载荷，构件的断裂是发生在整体 屈服之后，即在裂纹产生之前净界面要有一定的塑性变形。美国e l c e n t r o 地震波谱和日 本东京芝浦地震付里叶谱表明，较大加速度持续时间大致1 0 - - 4 0 s 。例如我国唐山地震仅 2 3 s ，日本神户地震2 0 s ，最近的汶川大地震仅持续9 5 4 7 2 s 。对应于最大振幅的频率大约 l 3 h z 。可见，建筑结构钢在交变地震载荷下的破坏应属于高应变低频疲劳。因此，将 结构钢的抗震问题做高应变低频疲劳处理，即钢的疲劳性能和静载下的性能是大不相同 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一 1 - 。一 j 一- 一一r l ，y 1 、， - 一f 一一一 一 的。而高应变低频疲劳和低j业父局司”1o 刖有王妥是望任1 7 目蚧比父，1 仅要求钢有高的强度，而且：丕应有i i i 后者主要是弹性循环应变，取决于钾 的强度。只有当钢的强度与塑性得，可获得最高的高应变低周疲劳抗力。 在使用低强度钢材的情况下地震到塌主要是过量塑性变形引起的，在侄 用高强度钢材的情况下，则：主要是断裂造成的。日本神户大地震中遭受严 重破坏的建筑，是由于在设十中注：司性而忽略了柔性1 2 1 2 4 】，有些建筑物荽 形歪斜而没有倒塌，与其结，勾的柔丘年来随着高层建筑的发展，要求钢剌 具有较高的强度，然而容易j基视对目此在提高建筑结构钢的抗震性时应在 保证钢材有较高的强度的同l对提高2 5 1 。基于上述思想，为了提高高层建霸 的抗震能力，就是要控制钢i拘屈强低，则屈服后有较长的均匀变形阶段， 可吸收更多的地震能，如图】3 所示强比较高，就会产生局部应力集中和履 部大变形，结构只能吸收较!少的能：虽比是衡量高层建筑用钢抗震性能好坏 的一个重要参数。 h i g h l r b 删 图1 3 屈强比对塑性变形功的影响 r i g 1 3t h ee f f e c to ft h ey i e l d s t r e n g t hr a t i oo np l a s t i cd e f o r m a t i o nw o r k 为了满足建筑部门对高建钢抗震性能的要求，以新日铁公司为主的一些钢铁公司进 行新型低屈服点钢的研制，并于1 9 9 5 年开发成功抗震阻尼器用低屈服点钢，牌号是 b l y - 1 0 0 和b l y - 2 2 5 ，对应屈服强度分别为1 0 0 m p a , 9 1 2 2 5 m p a ( 表1 1 ) ，其屈服强度波动范 围有严格的要求，拉伸曲线如图1 4 所示。 表1 1 新日铁公司低屈服点钢的主要性能 t a b l e1 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl y ps t e e l sp r o d u c e db yn s c 牌号h m m r e l m p ar m m p a b l y - 1 0 06 - - - 5 08 0 - 1 2 02 0 m 0 0 0 之5 0 b l y - 2 2 56 5 02l5 2 4 53 0 0 - 4 0 0 4 0 4 第1 章绪论 岔 暑 圣 等 ，。 - 一一_ _ - - - - s s 4 0 0 ， 一一、 l y p 丝一一一一 - - - - 4 1 1 ，一。 ，7 工，一 一- 、 k 一， l y l =1 0 0 j 杂氧 纯铁 、一 f ， 0 1 02 03 04 05 0 | 图1 4 低屈服点钢的应力应变曲线 f i g 1 4s t r e s s s t r a i nc u r v e so fl y ps t e e l j f e 成立以后也把建筑构造用低屈服点钢纳入钢板产品目录，牌号为j f e l y l 0 0 、 j f e l y16 0 、j f e l y 2 2 5 ( 表1 2 ) 【2 6 1 。 表1 2j f e 公司低屈服点钢的主要性能 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl y ps t e e l sp r o d u c e db yj f e 1 3 热处理工艺 为提高钢材的塑性变形能力，最重要的是控制钢的屈强比。屈强比越低，在发生地 震时钢结构产生的应力集中和应力梯度使构件能在很宽的范围内产生塑性变形，吸收较 多的地震能。反之，若屈强比较高，就会产生局部应力集中和局部大变形，结构只能吸 收较少的能量，因此低屈强比在提高建筑结构地震时吸收能量上是个必要的条件。一般 地说，随抗拉强度的提高屈强比将增大。为了使热轧钢的屈强比降低，一般的方法是使 钢的显微组织由软相和硬相复合而成，此时钢的抗拉强度可表示为1 2 7 , 2 9 j ： t s = y f 仃f + v 仃( 1 - 2 ) 式中，t s - 抗拉强度；珞- 铁素体相体积分数；o f - 铁素体相抗拉强度；第二相体积 分数；( 7 h - 第二相( 硬相) 抗拉强度。因此，若增大铁素体的体积，通常抗拉强度t s 就 要减少。为了在不降低抗拉强度的前提下还要增大铁素体的体积百分数( ) ，就必须增 5 o o o o o o o o o o 5 4 3 2 l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 大硬相的强度。为达此目的，可通过碳向硬相中扩散以提高硬相的强度。目前国外普遍 采用热处理工艺来生产高层建筑钢板。通常采用的方法有四种【2 9 1 ，如表1 3 所示，究竟 采用哪知方法应根据工厂的具体生产条件而定。国内鞍钢4 3 0 0 宽厚板轧机配有喷淋冷 却、回火、正火、调质处理等设备。该轧机已经通过热轧后正火的方法生产出6 0 m m 厚， 屈强比为o 6 8 的q 3 4 5 宽厚板。另外，舞钢4 2 0 0 m m 宽厚板轧机也采用热轧正火工艺生 产出屈服强度为2 3 5 、2 9 5 、3 4 5 m p a 低屈强比高层建筑结构用钢板。 表1 3 低屈强比钢的生产方法 t a b l e1 3t h ep r o d u c t i o nm e t h o do fl o wy i e l d - s t r e n g t hr a t i os t e e l 1 4 钢的控制轧制与控制冷却 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一。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 l c 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：“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【3 0 】：通过控制轧制温度和轧后冷却速度、冷却的开始温度和终 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 6 章绪论 ，利用钢 材余热可进行在线淬火回火( 离线) 处理，取代离线淬火回火处理，改善钢材的力学性 能，大幅度减少热处理能耗。 1 4 1 控轧控冷的意义和发展 控制轧制与控制冷却工艺作为一种有效的形变热处理手段，是一项节约合金、简化 工序、节约能耗的先进轧钢技术。它通过控制工艺的方法充分挖掘钢材潜力，大幅度地 提高钢材的综合性能，给冶金工业和社会带来巨大的经济效益。近2 0 年来，由于控制轧 制、控制冷却技术得到了国际冶金界的极大重视，全面研究了铁素体珠光体钢各种组 织与性能的关系，将细晶强化、沉淀强化、亚晶强化等规律应用于热轧钢材生产，并通 过调整轧制工艺参数来控制钢的晶粒度、第二相沉淀以及亚晶的尺寸和数量。由于将热 轧变形与热处理有机结合在一起，所以获得了强度、塑性都好的热轧钢材，使普通碳素 钢的性能有了大幅度的提高。然而，控制轧制工艺一般要求较低的终轧温度或较大的变 形量，因而会使轧机负荷增大，为此，控制冷却工艺的研究与发展应运而生。热轧钢材 轧后控制冷却是为了改善钢材组织状态，提高钢材性能，缩短热轧钢材的冷却时间，提 高轧机的生产能力。轧后控制冷却还可以防止钢材在冷却过程中由于冷却不均而产生的 钢材扭曲和弯曲，同时还可以减少氧化铁皮损失【3 1 】。 控制轧制的技术起源于上世纪二十年代的欧洲，到了三十年代人们开始注意钢铁的 韧性并且在工程结构上应用；四十年代，战争对钢铁的大量需求刺激了钢铁生产的发展 和技术的进步；五十年代初，h a l l 、p e t c h 等人发现多晶f e 的强度与晶粒直径平方根的倒 数呈直线关系，这一理论上的突破，为提高钢材的强韧性指明了方向；六十年代初期随 着工业的发展，控制轧制的研究取得了重大的突破，微合金化钢的控轧研究得到了进一 步的发展；七十年代是控制轧制理论研究的全盛时期，由于世界性的能源危机，促进了 微合金化及控制轧制技术的发展，特别是七十年代中期，日本发展了“+ 0 【) 两相区轧制， 提出了控制轧制三个阶段理论，将控制轧制的工艺水平推到了一个新的高峰，八十年代 以来，控制轧制和控制冷却不仅在机理方面，而且在控制轧制、控制冷却技术上取得了 不少新成就。 控制轧制与控制冷却传入我国时间不长，可以说是从上世纪七十年代后期开始发展 起来的，在近三十年的时间里，我国在控制轧制与控制冷却的理论研究方面取得了巨大 的成绩，但由于各企业的设备陈旧，缺少必要的测试手段和辅助设备，而且轧机的能力 有限，导致了控制轧制与控制冷却技术在我国的应用受到限制。但目前，我国的轧钢设 备有了很大的改进，先进的设备在合理的理论指导下可以发挥更大的潜力，为了节约能 源和提高产品的质量，采取控制轧制与控制冷却手段见效很大，所以近年来对于控制轧 制与控制冷却工艺的研究也广泛起来。 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 2 控韦0 轧带i j 控制轧制是一种用预定的程序来控制热轧钢的变形温度、压下量、变形道次、变形 间隙和终轧后冷速的轧制工艺，是一种广泛应用的高温形变热处理。通过控制热轧时的 温度、压下量等条件，使其最佳化，从而在最终轧制道次完成时得到与正火相同的微细 奥氏体组织的省略热处理的一种轧制技术【3 2 】。 控制轧制技术的要点可具体归纳如下： ( 1 ) 在微合金元素完全融入奥氏体的前提下，尽可能降低加热温度，即将开始轧制 前的奥氏体晶粒微细化。 ( 2 ) 使中间温度区的轧制道次程序最优化，通过反复再结晶使奥氏体晶粒细化。 ( 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界面积和 变形带面积。 控制轧制可分为奥氏体再结晶控制轧制( 又称为i 型控制轧制) 、奥氏体未再结晶区 控制轧制( 又称为i i 型控制轧制) 和( - + a ) 两相区控制轧制【3 3 1 。如图1 5 所示。 p 2 三 四 扛 厶 昌 盘 t i m e ，s 图1 5 控轧控冷工艺示意图 f i g 1 5s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h ec 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 s ( 1 ) 奥氏体再结晶区控制轧制 奥氏体再结晶区控制轧制的主要目的是通过对加热时粗化的初始丫晶粒反复进行轧 制一再结晶使之得到细化，从而使丫- q 相变后得到细小的a 晶粒。并且，相变前的丫晶粒 越细，相变后得到的q 晶粒也变得越细。丫再结晶区轧制是通过再结晶使丫晶粒细化，它 实际上是控制轧制的准备阶段。丫再结晶区域通常是在9 5 0 c 以上的温度范围。 ( 2 ) 奥氏体未再结晶区控制轧制 在奥氏体未再结晶区进行控制轧制时，l r 晶粒沿轧制方向生长，在丫晶粒内部产生形 变带。此时不仅由于晶界面积的增加，提高了a 的形核密度，而且也在形变带上出现大 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 量的仅晶核，这样就进一步促进了0 【晶粒的细化。随着未再结晶区的总压下率的增加，伸 长的丫晶粒尺寸变小，相变