Nb-B复合强化热轧高强度集装箱板组织和性能的研究.doc

Nb B 复合强化热轧高强度集装箱板组织和性能的研究 开开题题报报告告及及文文献献综综述述 Nb B 复复合合强强化化热热轧轧高高强强度度集集装装箱箱板板组组织织和和性性能能的的研研究究 Nb B 复合强化热轧高强度集装箱板组织和性能的研究 目目 录录 1 课课题题背背景景 来来源源 目目的的及及意意义义 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题来源 1 1 3 课题目的及意义 2 2 文文献献综综述述 3 2 1 集装箱板国内外研究 发展趋势 3 2 1 1 国内研究现状 3 2 1 2 国外研究现状 4 2 1 3 集装箱板的发展趋势 6 2 2 集装箱板的成分和组织 6 2 2 1 集装箱板的成分 6 2 2 2 集装箱板中元素的作用 7 2 2 3 集装箱板的组织特征 10 2 2 4 Nb B 复合高强度集装箱板的成分 11 2 2 5 Nb B 复合高强度集装箱板的组织 12 2 2 6 Nb B 复合高强度集装箱板的性能 12 2 2 7 贝氏体的组织形态和性能 12 2 2 8 贝氏体相变强化 13 2 2 9 贝氏体钢的发展与展望 14 2 3 集装箱板的主要生产线 15 2 3 1 唐钢FTSR 生产线 16 2 3 2 珠钢薄板坯连铸连轧生产线 16 2 3 3 涟钢CSP 生产线 17 2 3 4 薄板坯连轧工艺与常规工艺生产集装箱板对比 18 2 4 集装箱板的强韧化理论 20 2 4 1 细晶强化 20 2 4 2 沉淀强化 20 2 4 3 固溶强化 21 2 4 4 位错和亚晶强化 21 2 4 5 复相组织的强韧化 22 3 研研究究内内容容 方方法法 路路线线 23 3 1 研究内容 23 3 2 研究方法 23 开题报告及文献综述 3 3 技术路线 24 3 3 待解决的问题 25 3 3 1 待解决的问题 25 4 进进度度安安排排 26 参参 考考 文文 献献 27 开题报告及文献综述 1 1 1 课课题题背背景景 来来源源 目目的的及及意意义义 1 1 1 1 课课题题背背景景 如今 随着国际贸易的剧增 集装箱的用途日益扩大 所面临的气候条件将不是 单一的 长时间受湿气侵害或接触含有较高氯化物的几率大大增加 例如 直接靠近 海水或处于盐份作用的情况是不可避免的 所以 集装箱钢板必须要有较强的耐腐蚀性 能 即所用钢种为耐候钢 耐候钢具有优良的耐大气腐蚀性和 耐海洋腐蚀性 较高的强 度具有与和其他普碳钢无法相比的特性 本实验的集装箱钢板属于低合金耐候钢的一种 耐候钢 耐大气腐蚀钢 就是在 碳素钢里加入Cu Cr 和Ni 等微量合金元素而形成 所加入的微量合金元素能改变耐 候钢表面所生成锈层的性质 从而减少了耐候钢的腐蚀率 另外 耐候钢的使用也受 到周围环境大气盐粒数量的控制 耐候钢正是具有较好的抗盐腐蚀能力 具有优良的 耐蚀性 很高的强度等特性 从而延长了钢结构的使用寿命 其高强度使钢材厚度减 薄 重量减轻 降低成本 因此 耐候钢在国内外都得到了普遍推广应用 耐候钢标 准也将不断发展和完善 为此 2003 年发布实施了GB T18982 2003 集装箱用耐腐蚀钢板及钢带标准 由 于集装箱与铁路车厢均为运输载体 其服务区域 条件的差别将随着运输业的发展日 益淡化 所以GB T 18982 标准把集装箱用钢及铁路车厢用钢一并考虑 其标准适用范 围囊括了耐大气腐蚀钢 还采用了耐海洋腐蚀用钢 近期 经过国家标准的清理整顿 逐步把GB T4171 GB T4172 和GB T18982 标准合并修订 1 然而 我国是世界上集装箱生产大国 约占世界集装箱需求的 90 集装箱用钢 材有热轧薄板 型钢和焊管等 薄板材占96 以上 以1 6 6 0 毫米规格为主 我国虽 是生产集装箱大国 但2 0 毫米及以下厚度规格的集装箱板每年进口量占集装箱板总 进口量的50 左右 我国在薄规格集 装箱板生产方面有待进一步提高 尤其是2mm 以 下的薄规格 国内钢除宝钢能批量生产外 其余主要依赖进口 可知 开发高强度集装 箱板的成为集装箱板发展的趋势 1 1 2 2 课课题题来来源源 本课题来源于酒钢 热轧高强度集装箱板开发项目 开题报告及文献综述 2 1 1 3 3 课课题题目目的的及及意意义义 如今 薄规格高强度集装箱板占集装箱用板量的一半 以上 为打破该规格钢板依 赖进口的局面 提高国产钢材的市场占有率 研究和开发薄规格 高强度集装箱板是我国 钢铁企业发展的内在要求 同时 开发高强度集装箱板 进一步使集装箱轻量化 将 大幅度降低运输费用和能源消耗 创造巨大的经济效益和环境效益 本课题旨在研究动态再结晶条件 组织演变规律 第二相粒子析出规律 热变形 抗力等 通过透射电镜观察粒状贝氏体的晶粒大小及分布 板条贝氏体的片间距 M A 岛的数量及分布 第二相粒子的结构 尺寸大小及分布状态 析出物的形态与大小 再进行拉伸实验 冷弯实验 耐腐蚀实验检验性能 同时 进一步优化工艺和参数 最后进行成分调试和第二次炼钢 再进行组织和性能分析 最终生产出满足目标的产 品 开题报告及文献综述 3 2 2 文文献献综综述述 2 2 1 1 集集装装箱箱板板国国内内外外研研究究 发发展展趋趋势势 2 1 12 1 1 国内研究现状国内研究现状 在世界贸易和我国外贸进出口增长趋缓的背景下 2008 年我国港口集装箱吞吐量 增速有一定幅度回落 但仍有不俗的表现 继2007 年12 月4 日我国港口年集装箱吞 吐量突破1 亿标箱后 2008 年全国港口集装箱吞吐量为1 26 亿TEU 同比增长 12 2 连续七年保持港口集装箱吞吐量世界第一 从1993 年至今 在业内外的共同努 力下 现在已创造了三个世界第一 即集装箱生产能力世界第一 集装箱的种类规格 世界第一 集装箱产销量已连续十六年蝉联世界第一 1993 年至2008 年我国的集装箱 产量及国际市场占有率见图一 2 图图2 2 1 1 1 19 99 93 3 2 20 00 08 8 年年我我国国集集装装箱箱的的产产量量 因此 集装箱市场依然十分广阔 仍将继续 拉动集装箱用钢市场 业内人士认为 中国将成为世界集装箱强国 钢铁生产企业要抓住市场机遇 开发和生产出更高质量 的集装箱用钢材 打造出中国的集装箱用钢名牌产品 以满足迅速发展的我国集装箱 产业的需求 日前 国内的热轧板卷生产企业均把集装箱板作为主要的板材品种 宝钢 武钢 鞍钢 太钢 珠钢 梅山 本钢 邯钢 马钢等均能生产一定数量的集装箱用钢 宝钢 经过反复试验 又试制成功700MPa 的高强度集装箱板 填补了国内空白 此外 本钢 热轧厂首次批量生产的1220 多吨1 6mm 的SPA H 集装箱用板初步向用户供货 包钢 开题报告及文献综述 4 薄板坯连铸连轧厂生产的SPA H 热轧卷板经过两次批量工业试制 产品质量稳定 用 户使用满意 已经具备批量生产条件 表表2 2 1 1 国国内内集集装装箱箱板板产产品品 化学成分 wt 强度 钢号厂家 CMnSiPCuNiCrRel MPa BS700MC宝钢0 06 0 0841 65 1 850 2 0 3 0 0015适量适量适量 700 AQ700MC鞍钢 0 12 1 5 0 3 0 025 0 55 0 65 1 25 700 B480GNQR宝钢 0 120 20 0 500 25 0 750 07 0 150 25 0 55 0 650 30 1 25 480 SPA H酒钢0 050 410 320 0920 270 250 7 400 SPA H珠钢 0 060 4 0 50 35 0 40 09 0 10 25 0 30 25 0 30 4 0 5 400 2 1 22 1 2 国外研究现状国外研究现状 世界上最早的耐候钢是生产低合金耐蚀钢的美国 U S Steel 公司生产的COR TEN 钢 它问世于1933 年 随后经过大量的大气暴露试验进一步研究和完善了其化学成分 便在桥梁 建筑等方面开始得到广泛应用 1 日本于上世纪60 年代开始引进能够生产耐蚀钢 随后便迅速发展 到 70 年代末 品种已经齐全 并很快实现了JIS 标准化 目前 集装箱板主要采用日本标准生产 以日本牌号SPA H 使用最为广泛 世界主要生产厂家有韩国浦项 新日铁 日本NKK 等 上世纪90 年代以前我 国集装箱板主要进口这些厂家的产品 开题报告及文献综述 5 表表2 2 2 2 世世界界主主要要耐耐蚀蚀钢钢产产品品 3 3 5 5 化学成分 wt 强度 钢号产地 CSiMnPCuNiCrRel MPa CovenA美国 0 120 25 0 750 20 0 500 07 0 150 25 0 35 0 650 03 1 25 345 CovenB美国0 10 0 190 15 0 300 90 1 25 0 040 25 0 400 40 0 65 345 Coven B QT美国0 10 0 190 15 0 300 70 1 25 0 040 25 0 400 40 0 65 480 CovenC美国0 12 0 190 15 0 300 09 1 25 0 040 25 0 400 40 0 70 415 Maryari R美国 0 120 20 0 900 50 1 00 0 12 0 50 1 000 40 1 00 355 A690M美国 0 22 0 100 60 0 900 08 0 15 0 500 40 0 75 355 ASTMA58美国 0 200 15 0 300 70 1 25 0 0400 20 0 400 25 0 50 40 0 70 345 SPA 一 H日本 0 120 25 0 750 20 0 500 07 0 150 25 0 60 0 050 03 1 25 345 NAW41A日本 0 120 15 0 35 1 25 0 0350 25 0 40 0 400 40 0 65 345 YAW TEN50日本 0 120 25 0 75 0 900 06 0 120 25 0 50 390 YAW TEN40日本 0 160 15 0 550 60 1 40 0 0350 25 0 500 40 0 65 460 SMA58日本 0 19 0 75 1 40 0 0400 20 0 700 30 1 20 450 CuPten50日本 0 19 0 55 1 40 0 040 20 0 600 40 1 20 350 River ten6日本 0 170 15 0 550 50 1 40 0 0350 25 0 50 0 500 30 0 60 400 PAWS50韩国 0 120 15 0 35 0 900 06 0 130 25 0 50 345 POSTEN80韩国 0 160 15 0 35 1 2 0 0300 15 0 500 40 0 80 390 WR50英国0 16 0 260 15 0 530 90 1 55 0 0450 25 0 400 40 0 70 345 BS968英国 0 230 10 0 351 30 1 80 0 05 0 60 0 50 0 80 345 WTSL37德国 0 130 10 0 400 20 0 50 0 0450 30 0 50 0 400 50 0 80 345 E36W A23法国 0 120 20 0 75 1 000 07 0 150 25 0 55 0 650 30 1 25 350 S355 10WP欧标 0 120 20 0 75 1 000 06 0 150 25 0 55 0 650 30 1 25 345 Fe355W IAISO 0 120 20 0 75 1 000 06 0 150 25 0 55 0 650 30 1 25 355 开题报告及文献综述 6 2 2 1 1 3 3 集集装装箱箱板板的的发发展展趋趋势势 目前我国集装箱板的主要问题是 1 6 毫米和2 0 毫米的薄规格板生产能力不足 比例偏低且板形很难保证 尤其是平整度 需要从国外大量进口 因此 我国未来集 装箱板以薄板生产为主 有很大的发展空间 根据国内热轧薄板生产线的特点 集装箱板的未来发展趋势是 1 产品规格方面 以2 0 毫米以下厚度规格为主导产品 进一步开发高强度级 别集装箱板 2 生产工艺方面 采用典型的半无头生产工艺 利用轧制过程中变厚度策略 FGC 工艺润滑策略 进行在线凸度控制和自动平直度控制 确保产品质量和板 形 CSP 工艺从原料结构 经济和技术上适合于生产集装箱钢板 此技术关键在于TPC 控制 AGC 控制 AWC 控制 NCC 控制 气体控制 Al 控制 连铸工艺等等的控制 6 3 组织方面 随着强度的不断提高和焊接性能的要求 组织由原来的珠光体 铁 素体渐渐出现贝氏体组织 7 2 2 2 2 集集装装箱箱板板的的成成分分和和组组织织 2 2 2 2 1 1 集集装装箱箱板板的的成成分分 目前国内集装箱板的生产多采用GB T 4171 2000 和日本标准JIS G3125 1987 的标 准 下表是部分钢厂生产的SPA H 的标准成分表 8 表表2 2 3 3 为为部部分分钢钢厂厂的的S SP PA A H H 成成分分 wt 钢种统 计 CSiMnPSCuCrNi 本钢 SPA H 标 准 0 120 25 0 75 0 20 0 700 07 0 15 0 0250 25 0 55 0 30 1 25 0 65 武钢 SPA H 标 准 0 120 25 0 50 0 20 0 500 07 0 12 0 040 25 0 40 0 30 0 65 0 25 0 40 日本 SPA H 标 准 0 120 25 0 75 0 20 0 500 07 0 15 0 040 25 0 60 0 30 1 25 0 65 开题报告及文献综述 7 2 2 2 2 2 2 集集装装箱箱板板中中元元素素的的作作用用 集装箱钢板必须要有较强的耐腐蚀性能 即所用钢种为耐候钢 耐候钢具有优良 的耐大气腐蚀性和耐海洋腐蚀性 必须添加耐腐蚀性元素 研究发现 Cu 的影响最为显 著 故为耐候钢必加元素 P Ni Cr Si 为辅助元素 其他元素作用如下 1 C 的主要作用 C 含量增加 屈服点和抗拉强度升高 但冲击韧性和塑性降低 并且含碳量超 过 0 23 时 焊接性能变坏 还会降低耐大气腐蚀能力 对于集装箱板来说 要求 良好的焊接性能 因此含碳量不能过高 碳的降低所带来的强度损失可以通过添加 锰加以弥补 碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀 能力 在露天料场的高碳钢就易锈蚀 碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性 2 Si 的主要作用 Si 与锰结合提高淬透性 强度和冲击韧性 Si 与其它元素如Cu Cr P Ca 配合使 用可改善钢的耐候性 硅的质量分数为15 一20 的高硅铸铁 是很好的耐酸材料 含有硅的钢在氧化气氛中加热时 表面也将形成一层 SiO2薄膜 从而提高钢在高温时 的抗氧化性 Seijoh 等人经过16 年的大气暴露试验认为 较高的Si 含量有利于细化 FeOOH 从而降低钢整体的腐蚀速率 其作用机理目前尚在研究中 但是Si 也使钢中 易产生集中分布的硅酸盐夹杂 硅酸盐夹杂在钢带进行深拉延成型时容易产生裂纹 9 10 3 Mn主要作用 Mn的作用是提高抗拉强度 适度提高淬透性 既提高韧性又提高加工性能 锰使 硫造成的热脆性减到最小 但是 Mn易于和S结合生成MnS MnS为易溶于水的腐蚀活 化源 腐蚀介质可沿 MnS夹杂的通道深入钢的基体 所以要尽量降低 S含量 提高钢的 纯净度 也可加入稀土元素使长条形的 MnS改变为点状 从而消除了 MnS的有害作用 4 P 的控制 P 是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一 对提高钢的综合力学性能作 用显著 一般P 含量在0 08 0 15 时耐蚀性最佳 当P 与Cu 联合加入钢中时 显示 出更好的复合效应 在大气腐蚀条件下 钢中的 P 是阳极去极化剂 它在钢中能加速 开题报告及文献综述 8 钢的均匀溶解和Fe 的氧化速率 有助于在钢表面形成均匀的FeOOH 锈层 促进生成 非晶态轻基氧化铁FeOx 0H 3 2x 致密保护膜 从而增大了电阻 成为腐蚀介质进入 钢基的保护屏障 使钢内部免遭大气腐蚀 当磷形成PO43 时还起到缓蚀作用 11 P 过 多又会引起焊接性能 的下降 往往通过降低碳含量的办法弥补 5 S的控制 S是判断钢水纯净度的一个尺度 脱硫不好 就意味着精炼前期脱氧不够 精炼 后期需靠喂铝丝脱氧 这会生成大量小尺寸 A12O3夹杂 难以聚集长大 也就难以上浮 为此喂铝丝后 至少要保证 5min的弱吹Ar Soft Bubbling 时间 否则会降低钢水纯净度 硫对钙处理的影响 喂Ca之前的 S 含量应 0 008 考虑到精炼成本控制与生产节奏控 制 一般放宽到0 010 才能保证钙处理的有效性 即使 A12O3夹杂变性 6 Cu 的作用 Cu 在钢中加入0 2 0 4 的Cu 时 具有较普碳钢优越的耐蚀性能 关于Cu 对改 善钢的耐大气腐蚀性能作用机理 说法不一 主要有两种机制 12 13 一为Tomashov 提 出的促进阳极钝化论 认为钢与表面二次析出的 Cu 之间的阴极接触 能促使钢阳极钝 化 并形成保护性较好的锈层 另一是Cu 富集说 认为Cu 在基体与锈层之间形成以 Cu P 为主要成分的阻挡层 它与基体结合牢固 因而具有较好的保护作用 这些解释 都是基于Cu 在钢的表面及锈层中的富集现象 因此这两种机制可能同时起作用 值 得注意的是 Cu 有抵消钢中S 的有害作用的明显效果 其作用特点是 钢中S 含量愈 高 合金元素Cu 减低腐蚀速率的相对效果愈显著 一般认为这是Cu 和S 生成难溶的 硫化物所致 11 Cu 的有害性主要体现在熔点高 容易在金属表面和晶界富集造成热脆 引起表 面裂纹和边裂 解决办法 是采用 高温快烧 原则 保证坯料在还原性或中性氛围下加热 加热时加快升温速度 提高加热段温度 防止过度氧化 减少 Cu 在晶界及钢坯表面的 富集 避免钢在轧制时发生边裂 并适当降低均热温度 另外 通过加入相同质量的 Ni 可以形成Cu Ni 合金 避免Cu 的富集作用 7 Cr 的作用 Cr 能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性 即 在钢表面形成致密的氧化膜 提高钢的钝 化能力 耐候钢中Cr 含量一般0 4 1 最高1 3 当Cr 与Cu 同时加入钢中时 效 果尤为明显 此外 还可以提高高温机械性能 阻止石墨化 提高淬透性 8 Ni 的作用 开题报告及文献综述 9 Ni 是一种比较稳定的元素 加入Ni 能使钢的自腐蚀电位向正方向变化 增加了 钢 的稳定性 大气暴露试验表明 当Ni 含量在4 左右时 能显著提高海滨耐候钢的 抗大 气腐蚀性能 12 最近日本 13 开发的含3 Ni 海滨耐候钢优良的耐蚀性证明稳定锈 层中富 集Ni 能有效抑制Cl 离子的侵入 促进保护性锈层生成 降低钢的腐蚀速率 Ni 还可 以克服Cu 引起的热脆问题 细化晶粒 9 B 的作用 硼推迟了铁素体的生核过程 但并不影响奥氏体或铁素体基体的热力学性能 也 就是说硼可以降低铁素体的生核速率 但并不影响其长大速率以及珠光体和马氏体的 形成速度 而提高钢的淬透性 各种机理的差别在于硼通过什么方式推迟铁素体的生 核速率 这其中有 硼原子的偏聚降低奥氏体晶界能 硼降低铁在奥氏体晶界的自扩 散能力 硼原子偏聚减少生核位置 硼碳化物的作用等等学说 在控轧控冷工艺中 硼 与铌共同作用形成Nb C N B 类析出物 在热变形后 这类化合物会在奥氏体中 通过应变诱导在位错线上析出 从而明显地阻碍变形后再结晶晶界的运动 使再结晶 温度升高到950 以上 有利于控轧工艺细化晶粒作用的发挥 硼提高淬透性的作用具有许多不同于其他合金元素的特点 主要有 提高淬透性的能力极强 0 0010 0 0030 硼的作用可分别相当于0 6 锰 0 7 铬 0 5 钼和1 5 镍 因此其提高淬透性的能力为上述合金元素的几百倍乃至 上千倍 故此只需极少量硼即可节约大量的贵重合金元素 具有最佳含量而且此含量极小 一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含 量增加而增长 但硼却有一个最佳含量 范围 过多或过少均对提高淬透性不利 而且 此量很小 约为0 0010 一般控制在0 0005 0 0030 硼的淬透性效果与钢的成分有关 普遍认为钢中的碳和合金元素含量提高 硼 提高淬透性的作用则下降 所以低碳 低合金钢中硼的淬透性效果最显著 10 Nb Ti 的作用 铌是低碳贝氏体钢中重要的添加元素 它能够 强烈地延迟变形奥氏体的 回复和 再结晶 阻止奥氏体晶粒的长大 提高奥氏体再结晶温度 14 15 细化晶粒 同时改善 强度和韧性 他也可以提高淬透性 促进贝氏体转变 随着铌在钢中的溶解度增大 形成贝氏体的趋势增大 参照国家标准 将铌含量控制在 0 015 0 045 之间 更高铌 含量对强度和韧性均有益处 碳含量降低到0 04 以下固溶铌量及细化的铌析出控制 均能实现 开题报告及文献综述 10 Ti 加微量Ti 950 以便 保证非再结晶去区晶内变形的积累 4 利用Nb 少量Cu 等微合金元素的时效强化效果 表表 3 13 1 实验钢成分实验钢成分 wt wt C M n S i CuCrTi 0 045100 400 400 0 开题报告及文献综述 12 94 2622 B N b N i PSN 0 0012 0 045 0 26 0 0092 0 0028 0 004 本钢中添加了微量的合金元素 Nb 和 B 并在钢材终轧后快冷 快冷的目的是 要缩短在先共铁素体形成温度范围内停留时间 由于先共析铁素体一般形核于奥氏 体晶界 钢中加 B 的目的是利用 B 向晶界强烈偏聚的性质 抑制铁素体形核 Nb 在细化晶粒方面具有明显的效果 Nb 对 Fe 原子和 C 原子的扩散有阻碍作用 并且 对相界面的迁移产生拖曳效应 由此也可抑制铁素体的形核和长大 B 主要通过偏 聚在奥氏体晶界上发挥作用 其主要作用机理阻碍铁素体在晶界上形核 B 阻碍阻 碍铁素体晶界形核的原因可能是由于以固溶状态富集在晶界的 B 降低了晶界能 17 此外 就推迟铁素体转变而言 Nb B 组合为最佳组合 其复合作用效果远远大 于 Nb 和 B 单独添加时的作用效果的简单加和 2 2 2 2 5 5 N Nb b B B 复复合合高高强强度度集集装装箱箱板板的的组组织织 本实验钢CCT 曲线和金相组织知 从高温到低温 基本有铁素体和贝氏体两个区 域构成 低冷速时是先共析铁素体 准多边形铁素体区 相当大的冷速范围为粒状贝氏 体区占 冷速比较高时开始有板条贝氏体生成 这主要是Nb B 的复合作用 即Nb 还 能对铁素体 奥氏体相界面的迁移产生强烈的拖曳效 应 18 20 B 具有向晶界强烈偏聚的 性质 其抑制铁素体形成的机理主要在于抑制铁素体在晶界上形 核 可知 本试验钢获 得贝氏体组织的冷却速度范围较宽 冷速为1 30 s 为实际生产中得到大截面积的 贝氏体钢带来方便 2 2 2 2 6 6 N Nb b B B 复复合合高高强强度度集集装装箱箱板板的的性性能能 经过拉伸实验已测得屈服强度已达665MPa 抗拉强度已达到780MPa 延伸率已 达到18 5 冷弯实验后 部分试样表面有微裂纹出现 即集装箱板的塑韧性需要进 一步提高 低温终轧时的延伸率略高于高温时的延伸率 有形变诱导铁素体产生 开题报告及文献综述 13 2 2 2 2 7 7 贝贝氏氏体体的的组组织织形形态态和和性性能能 贝氏体一般分为上贝氏体 下贝氏体与粒状贝氏体 在贝氏体转变区的较高温度 范围内形成的贝氏体称为上贝氏体 典型上贝氏体在光学显微镜下的金相呈羽毛状 由铁素体和渗碳体两相组成 上贝氏体中的铁素体的形态和亚结构和板条马氏体相似 但其位错密度比马氏体低 并且其硬度还低 冲击韧性也显著降低 17 在贝氏体转变区的低温范围形成的贝氏体为下贝氏体 光学显微镜下下贝氏体呈 针状或片状 由铁素体合碳化物两相组成 下贝氏体中的铁素体亚结构同马氏体不同 具有较高的密度位错 没有孪晶亚结构 铁素体细小而均匀分布 铁素体内又沉淀析 出细小 多量而弥散的碳化物 所以不但强度高 而且韧性好 粒状贝氏体是低碳或中碳合金钢以一定速率连续冷却下形成 粒状贝氏体由铁素 体基体以及在基体上的岛状奥氏体或其它转变产物所组成 在贝氏体钢生产过程中 当钢板冷速较低时组织主要是粒状贝氏体 冷速不足时 常会出现粒状贝氏体团间或 粒状贝氏体内部形成较大块的黑色珠状组织 这种组织的冲击韧性较差 无碳化物贝氏体 形成于贝氏体转变的最高温度区 在连续冷却转变时 总是在 适当慢的冷却速率下 多数在晶界的贫碳区形成 等温转变条件下 无碳化物贝氏体 的形态会随等温时间的延长而发生变化 等温时间较短时片条比较直 等温时间较长 时片条表面会变得凸凹不平 2 2 2 2 8 8 贝贝氏氏体体相相变变强强化化 1 贝氏体的组成相与亚结构 21 22 贝氏体一般包括两相 铁素体和碳化物 据两相形态和分布的不同分上贝氏体和 下贝氏体 其形成温度区域在珠光体一马氏体相变区之间 高于 0 4 C 钢的上贝氏体 和下贝氏体分解温度约在350 上贝氏体的铁素体基本上不含碳 若在较低温度转变 时 铁素体过饱和C 原子是可能的 上贝氏体铁素体的亚结构是位错 这类似于低碳马氏体 形态呈羽毛状 不过其 位错密度比马氏体的要低2 一3 个数量级 构成上贝氏体组织的另一相是渗碳体型碳 化物 它的分布方式 1 呈条状分布在铁素体板条之间 2 部分如上 部分沉淀 于铁素体板条之内 3 全部分布于铁素体板条之内 4 相变完成后 铁素体板 条间残留部分未转变富C 奥氏体薄层或 小岛 开题报告及文献综述 14 下贝氏体组织的组成相与上贝氏体组织并无差异 亦由铁素体和碳化物组成 形 态 呈黑色针状 三维形态呈双透镜片状 与高C 的孪晶马氏体相似 下贝氏体组织的 亚 结构也是位错 其密度稍高于上贝氏体 迄今为止 在下贝氏体中未观察到相变孪 晶亚 结构 2 贝氏体的强化途径 贝氏体的强度 塑性 韧性因等温转变的温度不同而改变 在贝氏体转变温度范 围内 随等温温度下降 Rp0 2和Rm逐步提高 其中Rp0 2升高得更快些 在上贝氏体区 中Rp0 2l Rm的比值接近于珠光体组织 一般可达0 6 一0 7 而下贝氏体区中Rp0 2 Rm可 接近0 85 左右 接近于回火马氏体 贝氏体中的铁素体是贝氏体组织的主体 它的尺寸改变对贝氏体钢的强度有明显 的影响 上贝氏体中的铁素体平均尺寸与拉伸强度之间存在反比的关系 铁素体板条 尺寸随形成温度降低而减小 因此 相变温度越低 强度越高 故上贝氏体组织强度 的主要控制因素是铁素体板条束 下贝氏体的强度改变与 铁素体片尺寸有关 而此铁 素体尺寸又与原始奥氏体晶粒尺寸密切相关 因此 对下贝氏体的强化效果主要受到 奥氏体晶粒尺寸的控制 碳化物是贝氏体中起强化作用的另一因素 单位面积碳化物粒子数日愈多 强度 便越高 在中碳结构钢中 因碳化物弥散强化效应 而引起强度明显升高 因为碳化 物粒子数随等温温度降低而增多 因此其强度越高 第二相粒子的强化效应是粒子与 位错交互作用的结果 综上所述 提高贝氏体组织的强度主要途径是 1 细化上贝氏体的铁素体束和 下贝氏体铁素体片 而束与片的粗细主要取决于原始奥氏体晶粒尺寸和相变温度 获 得细小晶粒的奥氏体是取得高强度贝氏体组织的基本保证 2 获得细小和分布均匀的 碳化物粒子 使弥散强化效应增加 此外 在对铁素体的相变研究中 Ohtsuka 发现 23 含铌的微合金钢在奥氏体区变 形后先后等温保持一段时间再进行冷却 可以得到比变形后立即冷却组织更细的多边 形铁素体晶粒 认为这是由于奥氏体应变诱导的 NbC 析出颗粒为铁素体提供了形核位 置 在奥氏体变形后的等温保持期间 变形过程形成大量的位错由于回复会降低密度 但实际的相变产物而更细了 即析出过程对铁素体形核作用超过了位错减少的负效应 S Zhang 24 25 等的实验结果也表明 铁素体倾向于在NbC 等无机非金属与奥氏体的界面 上形核 开题报告及文献综述 15 2 2 2 2 9 9 贝贝氏氏体体钢钢的的发发展展与与展展望望 由于贝氏体本身具有良好 强度和韧性 贝氏体钢也具有了优异的综合力学性能 这促进了贝氏体钢的研究 开发和应用 因此 贝氏体钢是 21 世纪钢铁材料中的奇葩 朝着低碳 超低碳 超细晶和高强度方向发展 我国在贝氏体钢技术上已经处于国际 先进水平 并且已经列入我国第一批重大基础研究项目之一 国外 低碳贝氏体钢有 以美国和加拿大为代表的Fe2Cu2Nb2B 系列和以日本为代表的Fe2Mn2Nb2B 系列 而 且在超高强度贝氏体钢的研究方面他们处于领先地位 26 贝氏体钢的分类 1 Mo B 系或Mo 系贝氏体钢 Mo 和B 的结合可以使钢在相 当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织 通过空冷可以得到贝氏体钢 这样加工工 艺简单 又节约能源 因此Mo B 系或Mo 系贝氏体钢的开发受到世人的重视 27 2 Mn B 系贝氏体钢 Mn 在一定含量时 可使过冷奥氏体等温转变曲线上存 在明显的海湾 使钢的上 下C 曲线分离 Mn 与B 结合 使高温转变孕育期明显长 于中温转变 由于适量的Mn 可导致其在中温下相界处富集 对相界迁移起拖曳作用 与B 共同作用容易获得贝氏体 同时Mn 显著降低了贝氏体相变驱动力 使贝氏体相 变温度降低 细化了贝氏体尺寸 改善了韧性和强度 27 3 新型准贝氏体钢 提出了由贝氏体铁素体 即低碳马氏体 和残余奥氏体组 成的准贝氏体 非典型或无碳化物 并成功研制了系列准贝氏体钢 钢中通过添加 Si Al 等元素阻碍碳化物析出元素 保证在很大的冷速范围内获得准上贝氏体 准下 贝氏体或其混合组织 形成一般强度 高强度和超高强度系列的准贝氏体钢 此外 还有低温贝氏体钢 超细组织空冷贝氏体钢 奥氏体 贝氏体复相钢 Si Mn Mo 系贝氏体钢等等 28 29 主要发展方向 低碳或超低碳 微合金 超细晶 高强度和高洁净度贝氏体 钢 今后需加强以下工作 1 控制钢中贝氏体组织的形态 合理控制钢中贝氏体组织形态 细化贝氏体组 织 控制钢中复相组织 使钢中贝氏体组织形态决定钢的性能 以便开发高强韧贝氏体 钢 超级钢 纳米钢铁材料 2 开发贝氏体钢新品种 贝氏体钢在模具用钢 耐磨耐冲击钢 工程构件用钢 等领域的开发研究将进一步深入 同时还要研究开发贝氏体钢在弹簧 建筑用高强度 钢筋 齿轮 标准件和机械等的使用 开题报告及文献综述 16 2 2 3 3 集集装装箱箱板板的的主主要要生生产产线线 如今 有唐钢 珠钢 鞍钢 本钢 酒钢等多家钢厂采用薄板坯连铸连轧工艺 生产集装箱板 连铸连轧工艺的主要特点就是流程短 能耗低 其主要产品为薄规 格钢板 目前国内集装箱板的生产多采用日本标准 JIS G3125 1987 的标准 其主要 力学性能如表 2 4 所示 30 表表2 2 4 4 S SP PA A H H 主主要要力力学学性性能能标标准准 拉伸试验 Rel MPaRm MPaA 180 冷弯试验 JIS G 3125 1987 345 480 22d 0 5a 2 2 3 3 1 1 唐唐钢钢F FT TS SR R 生生产产线线 唐钢FTSR 生产线是我国第一条自主集成的薄板坯连铸连轧生产线 设备是世界一 流的 其生产线采用了多家的生产技术 连铸采用意大利达涅利公司 FTSC 技术 粗轧 机为达涅利公司提供 精轧机为日本三菱重工的 PC 轧机 高速穿带装置及2 台高速地 下卷取机有日本石川岛提供 加热炉由美国设计生产 形成了独特的具有竞争力的唐 钢超薄生产线 该生产线已成功应用半无头超薄规格轧制 铁素体轧制 包晶钢连铸 等等技术 工艺流程 铁水预处理 复吹转炉冶炼 LF 炉精炼 中薄板坯连铸 步进炉补 热均温 高压水粗除磷 带立棍的可逆粗轧机 热卷箱 切头尾飞剪 高压水精除 磷 连轧精轧机组 层流冷却 地下卷取机 钢管检查 打捆 称重 标印下线 生产线 设备特点 1 该生产线以薄为主 以热代冷的设计原则 选择连铸动态液芯压下 及半 无头轧制 铁素体轧制等新技术 以求用最经济的手段获得薄规格和不同性能要求 的产品 2 生产线上布置三点除磷 连铸机出口 粗轧机入口 精轧机入口 有利 于提高带材表面质量 开题报告及文献综述 17 3 优化的中间包及侵入式水口设计 可减少中间包余钢 采用了 H2 长漏斗 结晶器 结晶器漏钢预报及热象图技 采用动态液芯压下技术 压下过程延长至铸 坯凝固终点 有利于提高铸坯内部质量 二次冷却采用水汽水雾化喷嘴 多种凝固 控制模型 2 2 3 3 2 2 珠珠钢钢薄薄板板坯坯连连铸铸连连轧轧生生产产线线 珠钢的CSP技术生产集装箱板最为成熟 产量位居国内前列 生产线组成 1 珠钢从德国引见了目前世界最大的 150t交流竖式带托架电炉 全过程采用二级计算机 控制 由于实现了100 的废气预热废钢 冶炼时间和冶炼电耗分别为 56min和310kwh 吨 仅为常规电炉的 60 和70 2 珠钢选用的CSP薄板坯连铸连轧工艺是德国 SMS 公司第三代CSP新工艺 采用了全过程无 氧化浇注 结晶器液面自动控制 液压振动结 晶器 二冷自动配水 高压水除 磷 HGC辊缝调节 全活套张力控制 WBC弯辊控制 CVC凸度控制和PCFC板形控制二级计算机 整条生产级采用三级计算机控制 在我国 目前已有的12套热连轧机组中 珠钢 CSP轧机的总体装备水平和板形控制水平处于前 例 表表2 2 5 5 珠珠钢钢C CS SP P 集集装装箱箱成成分分与与国国标标主主要要成成分分比比较较 9 9 wt 成分CSiMnPSCuNiCr 国标 0 120 25 0 750 2 0 50 07 0 15 0 040 25 0 6 0 650 3 1 25 珠标 0 060 35 0 40 4 0 50 09 0 10 010 25 0 30 25 0 30 4 0 45 表表2 2 6 6 珠珠钢钢C CS SP P 集集装装箱箱板板的的性性能能 9 9 Rel MPaRm MPaA 编号 横向纵向横向纵向横向纵向 1217104164125035052927 1217124043954894902728 1217134064165055032827 1217174204145365372828 平均411 5409 5508 25508 752827 5 JIS G3125 标 准 345 480 22 开题报告及文献综述 18 CSP 生产集装箱板的难度在于SPA H 钢成分处于包晶区 易拉漏 珠钢采取的解 决措施 1 将碳含量控制在 0 06 避开包晶区 2 通过轧制和冷却工艺对 S Mn 浓度积控制 细化组织 提高强度 3 对铜 镍 锰含量进行成分控制的同时还控制轧制温度 以防边裂 降低 钢中氮含量 防止表面裂纹 4 为保证大批量 连续 高效生产需要对整体优化 提高过程稳定性 2 2 3 3 3 3 涟涟钢钢 C CS SP P 生生产产线线 涟钢CSP 于2003 年12 月30 日投产 目前月产量已突破16 万t 产品涉及碳素结 构钢 低合金高强度钢 冷成形用钢和耐候钢 技术要点 首先 两座转炉后配三座精炼炉 LF 精炼时间有保证 连铸采用 电磁制动 EMBr 钢水全程保护 从而保证了钢液的纯净度 电磁制动可以减小液 面波动 防止卷渣 同时可防止钢液下冲 有利于 夹杂物上浮 电磁制动可使钢中的 夹杂物减少90 其次 涟钢CSP 采用的液芯压下 辊缝润滑 半无头轧制技术 七 机架精轧机组 超高轧制力 最大可达4400kN 等技术 为薄规格生产创造了良好的 条件 再者 精轧机组采用大的CVC 窜辊行程 达 150arm 张力差活套 张力计 活套 层流冷却边部罩 增强了板形的控制能力 这便克服集装箱钢板极易造成漏钢 事故 产生热加工敏感性 易形成表面裂纹 边裂等缺陷 铸坯上的氧化铁皮粘度大 不易清除 易造成产品表面氧化铁压人或麻点 麻面 等等 2 2 3 3 4 4 薄薄板板坯坯连连轧轧工工艺艺与与常常规规工工艺艺生生产产集集装装箱箱板板对对比比 1 连铸连轧工艺生产的优点 薄板坯在结晶器内的冷却速度远远大于传统的板坯 其二次和三次枝晶更短 薄 板坯原始的铸态组织晶粒就比传统板坯更细 更均匀 原始组织细化为最终组织的细 化创造了条件 同时 由于冷却速度大 板坯的微观偏析也可得到较大的改善 分布 也更均匀 因此 产品的性能更加均匀 稳定 与传统工艺相比 直接轧制工艺在生产低合金钢时还有一个优点 微合金元素的完 全溶解 这是合金元素在钢中发挥多重作用的前提 薄板坯高温直接装炉 许多合金 元素不会像在传统的生产工艺中因为板坯冷却而析出 而是始终处于溶解的状态 从 开题报告及文献综述 19 而不仅在初始组织而且在再结晶后均起到细化作用 为了在成品组织中获得沉淀强化 一部分合金元素在相变之后仍应处于溶解状态 以保证在随后的冷却过程中以碳 氮 化 合物形式析出 然而 常规工艺 由于在再加热前的冷却过程中合金元素己经以碳化物和氮化物 的形式析出 在再加热过程中 一般不可能以固溶状态保持到相变以后 就不能充分 起到使最终产品晶粒细化的作用 薄板坯则通过工艺的优化控制避免这一问题 根据 需要在形变前使材料中的合金元素处于固溶状态 通过变形的诱导析出使析出物更均 匀分布 尺寸更细小 而剩余合金元素保留到 相析出 造成对材料的进一步强化 这 种状态可最大的发挥合金元素的潜力 减少合金元素的用量 目前 在CSP 线连轧关键技术中 均热采用直通式辊底隧道炉 冷却采用层流快 速冷却技术 大压下和高刚度轧制是现代薄板坯连铸连轧的工艺特点之一 直通式辊 底隧道炉可以保证坯料头尾无温降差 因而不需要采用类似于带钢边部加热 提速或 中间机座冷却的修正措施来均匀板坯温度 层流快速冷却可保证薄板在长度及宽度方 向上温度均一 并促进实现薄板中微量元素微细弥散析出 有利于相变细化和组织强化 31 另外 薄板坯连铸连轧工艺生产SPA H 仍然具备短流程工艺的一般优点 即 流 程短 能耗低 成材率高 成本低等等 2 连铸连轧工艺生产的缺点 直接轧制工艺取消了 相变温度区的中间冷却 热轧变形是在粗大的奥氏体组织 上直接进行 而传统的所谓冷装工艺 通过中间冷却的相变过程 形成大为细化的新 的奥氏体组织 为了把粗大的奥氏体组织转变成细小的成品组织 对于直接轧制工艺 也需确定合适的总变形量 这个总变形只能比传统的冷装的厚板坯轧制的总变形量小 从这个角度讲 薄板坯连铸连轧的性能质量的提高存在困难 由于压下量不够 生产 超高强度的高质量集装箱板难以实现 1 常规工艺生产集装箱板的优点 其坯厚远远超过了薄板坯连铸连轧工艺 这一方面提高了轧机产量 另一方面厚 规格连铸坯保证了从坯料到成品的大压下率 有利于充分破碎大的铸态组织 均匀和 细化晶粒 提高最终产品质量 2 常规工艺生产集装箱板的缺点 开题报告及文献综述 20 由于在再加热前的冷却过程中合金元素己经以碳化物和氮化物的形式析出 在 再 加热过程中 一般不可能以固溶状态保持到相变以后 就不能充分起到使最终产品 晶粒 细化的作用 传统工艺连铸坯较厚 冷速没有薄板坯快 因此二次三次枝晶较长 原始组织 较粗大 微观偏析也比薄板坯严重 常规轧制方面的代表是 以宝钢2050 和武钢1700 为代表 他们都是国内最先开 始耐候钢和集装箱板开发和生产的厂家 可知 结合本课题生产薄规格 高强度集装箱板的实际 鉴于薄板坯连铸连轧压下 率有限 不能充分改善铸态组织和保证非再结晶区大变形 产品组织的均匀性和晶粒 度难以保证 难以获得所需强度 因此能够实现大压缩比的常规生产线更适合 该集装箱 板的生产 2 2 4 4 集集装装箱箱板板的的强强韧韧化化理理论论 2 2 4 4 1 1 细细晶晶强强化化 细晶强化是唯一既可以提高强度又可以提高韧性的 强化方式 Hall 和Petch 得出了 晶粒细化强化的Hall Petch 10 公式 2 1 1 2 y k d 式中d 为有效晶粒尺寸 ky为比例系数 在微合金化控轧钢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 促进微合金元素碳氮化物的析出 增加未再结晶奥氏体晶界 形变带和位错孪晶等晶 体缺陷 以增大有效晶界面积 提高形核率 从而细化铁素体组织 通过形变热处理 工艺 TMCP 获得细化铁素体晶粒 提高强度及增加抗晶间断裂能力 31 32 本实验钢 其高强度也离不开细晶强化作用 RPC 组织超细化工艺 17 正是最大限 度地利用了细晶强化作用 首先 由于先期生成的针状铁素体是将奥氏体内部分割成 小空间 以后贝氏体转变只能在这些小空间进行 因而生成的贝氏体晶粒细小 起到 了细晶强化作用 其次 弛豫过程中 晶内大量变形位错重组 形成有一定取向差的 亚结构 析出相在亚结构上形核聚集 起到钉扎位错胞的作用 在位错胞和析出钉扎的 共同作用下 使得后续相变只能在一个小范围内进行 起到细化原始晶粒的作用 开题报告及文献综述 21 2 2 4 4 2 2 沉沉淀淀强强化化 在普通低合金钢中经常加入微量Nb V Ti 这些元素可形成碳的化合物 氮的 化合物或碳氮化合物 在轧制中或轧后冷却时它们可以析出 起到第二相沉淀强化作 用 第二相的沉淀过程亦是过饱和固溶体的分解过程 第二相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 第二相析出的动力学 析出的形态 部位等将随加工工艺和冷却 制度的不同而不同 沉淀强化的机制是位错和颗粒之间的相互作用 可以通过两种机制来描述 1 对提高强度有积极作用的绕过过程 2 对提高强度作用较小的剪切过程 33 34 根据Orowan Asbby 的计算 第二相质点所产生的强度增加值为 2 2 76 6894105 2 f9 5 4 5 0 xInx 式中是位错克服第二相质点阻力所必须增加的正应力 以 Pa 表示 第二相引起的强化效果与质点的平均直径x 成反比 与其体积百分数f 的平方根成 正比 此外 沉淀相的部位 形状对强度都有影响 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 颗粒形状球状和片状相比 球状有利于强化 形变热 处理是在第二相质点沉淀前对材料施以塑性变形 因而使位错密度增加 第二相沉淀 形核位置增多 因而析出物更为弥散 如果形变还能造成亚晶 那么第二相沉淀在亚 晶界上 其分布更为弥散 这就是形变热处理造成强化的原因之一 2 2 4 4 3 3 固固溶溶强强化化 固溶强化是人们最早研究的强化方式之一 合金元素以置换或间隙的形式溶入基 体金属的晶格中 由于原子尺寸效应 弹性模量效应和固溶体有序化的作用而导致钢 的强化 因此固溶强化是通过改变金属的化学成份来提高强度的办法 其强化的金属 学基础是由于运动的位错与异质原子之间相互作用的结果 根据大量的实验结果发现 有以下的规律 1 溶质元素溶解量增加 固溶体的强度也增加 对于无限固溶体