金属学轧钢基础理论PPT课件

1 2012年检验换证培训 金属学基本知识轧钢基础理论钢铁基础知识钢材的检验常见钢材质量缺陷检验判定钢材检验常用测量工具 2 第二章金属学基础知识 第一节金属与合金的内部结构什么叫金属和合金 金属是具有金属光泽 可锻性及良好的导电性 导热性的物质 合金是两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素按一定配比构成的物质 钢就是由最基本的铁 碳元素构成的合金 什么是金属的晶体构造 金属和自然界中所有的物质一样 都是由原子组成的 金属中的原子按一定的规律排列叫做晶体 所有的金属都由晶体构成 3 二 金属中有哪些常见的晶格形式 金属中常见的晶格形式有以下三种 体心立方晶格 它的晶胞是由八个原子构成的一个立方体 并且在立方体的中心还有一个原子 4 面心立方晶格 它的晶胞是由八个原子构成的一个立方体 并且在立方体每个面的中心还有一个原子 5 密排六方晶格 它的晶胞是各有七个原子构成的上下两个六方形底面 并且在六方形底面围成的空间中心还有三个原子 6 三 什么叫晶粒和晶界 内部原子排列方向一致而外形不规则的晶体叫晶粒 晶粒与晶粒的分界面叫晶界 晶粒度是表示晶粒大小的尺度 7 第二节钢的组织结构与转变 一 什么是铁碳合金状态图 钢是以铁为基体的合金 不同成分的铁碳合金在不同温度下 有不同的组织状态 把在十分缓慢的冷却速度下得到的 反映铁碳合金结构状态和温度成分之间关系的一种图解称为铁碳合金状态图或称铁碳相图 它以温度为纵坐标 以成分为横坐标 用曲描述了铁碳合金的结晶温度和同素异构转变温度随成分而变化的全部过程 其基本组织有铁素体 F 奥氏体 A 渗碳体 Fe3C 珠光体 P 莱氏体 Ld 马氏体 M 贝氏体 B 等 8 金属化合物和机械混合物有何区别 固态下两元素彼此反应而形成的能够用化学式表达出成份的新物质叫金属化合物 如铁与碳形成Fe3C 两种晶体既不互相溶解 又不形成化合物而共同存在的合金称为机械混合物 如铁素体和渗碳体 Fe3C 的机械混合物称为珠光体 9 10 它对轧钢生产有什么指导意义 a 钢在加热过程中最合适温度范围是单相奥氏体区 此时轧制不仅塑性好 而且可以避免因组织不同而造成不均匀变形 所以碳钢加热温度应超过A3 Acm线 为避免过烧 应低于NJE线以下100 150 b 可用来控制终轧温度 终轧温度过高 晶粒粗大 影响钢的性能 过低则塑性不良 增加轧制压力 易开裂 11 二 什么叫铁素体 奥氏体 它们有什么特性 铁素体 F 碳在体心立方晶格铁中的固溶体叫铁素体 由于体心立方铁原子间的空隙很小 所以碳在其中的溶解度极小 室温下只能溶解0 006 随着温度的升高碳的溶解量略有增加 在723 时碳的溶解量最大 0 25 铁素体质很软 强度低 延展性好 低于769 的铁素体有磁性 12 奥氏体 A 碳在面心立方晶格铁中的固溶体叫奥氏体 由于面心立方铁原子间的空隙较大 所以碳在其中的溶解度要比碳在体心立方铁中的溶解度大得多 在1130 时碳的溶解量最大 2 0 而在723 时碳的溶解量只有0 8 奥氏体的强度 硬度并不高 但塑性韧性都很好 因此 热轧一般在奥氏体状态下进行 13 三 什么叫渗碳体 珠光体 它们有什么特性 渗碳体 铁与碳形成的间隙化合物 分子式是Fe3C 具有高硬度 高脆性 低强度和低塑性 珠光体 P 铁素体和渗碳体在723 至室温时组成的机械混合物叫珠光体 因其显微组织有指纹状的珍珠光泽故而得名 珠光体的含碳量为0 8 左右 珠光体的强度 硬度适中 14 三 什么叫马氏体 有什么特性 马氏体 M 碳在体心立方铁中的过饱和固溶体 具有体心立方晶格 马氏体组织很脆 硬度高 而韧性低 奥氏体化的钢冷却速度过快时 易出现马氏体 15 四 钢在加热时的组织转变 亚共析钢 含碳量小于0 77 在加热到温度高于临界点Ac1 PSK线 后 珠光体转变成奥氏体 即形成铁素体 奥氏体组织 温度继续升高 则铁素体逐渐溶解于奥氏体内 而当温度达到临界点Ac3 GS线 时 则钢的组织将完全是奥氏体 加热温度与加热速度对珠光体转变成奥氏体是有影响的 加热温度愈高 由珠光体转变成奥氏体及成分均匀化的总时间愈短 或者说转变速度愈快 珠光体向奥氏体开始转变的温度愈高 16 五 温度对碳钢的塑性影响 200 钢几乎没有塑性 200 400 为蓝脆区 钢的强度高而塑性低 800 950 为相变温度区 又称 热脆区 钢在该区是一个相塑性好 而另一个相塑性较差 1000 1250 塑性最好 是热加工的最有利温度 终轧温度一般不低于900 17 第三节钢材冷加工和热处理 从金属学观点看 热轧与冷轧的界限应以金属的再结晶温度来区分 即低于再结晶温度的轧制为冷轧 高于再结晶温度的轧制为热轧 钢的再结晶温度一般为450 600 目前柳钢钢板按生产方法可分为热轧钢板和冷轧钢板 18 一 钢材的冷加工 金属在冷加工后 由于金属的晶粒被压扁拉长 晶格歪扭 晶粒破碎 使金属的塑性降低 强度和硬度增加的现象称为钢材的冷加工硬化 金属在冷加工变形中 金属的变形抗力指标随变形程度的增加而升高 金属的塑性指标随变形程度的增加而降低 19 二 钢材热处理 按照一定的加热制度 将钢材加热到一定的温度 在此温度下保持一定的时间 再以一定的速度和方式进行冷却 以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变 或者消除钢中的内应力 从而获得人们所需求的机械力学性能 这一过程就称为钢材的热处理 20 根据钢材的加热和冷却方式不同 热处理通常有以下几种基本方法 淬火 将钢材加热至723 相变温度 以上某一温度 并保持一定时间后 迅速置于水中或机油中冷却 这个过程称钢材的淬火处理 钢材经淬火后 强度和硬度提高 脆性增大 塑性和韧性明显降低 淬火的目的是使工具和机械零件获得高硬度 提高耐磨性能 21 回火 将淬火后的钢材重新加热到723 以下某一温度范围 保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温 这一过程称为回火处理 回火可消除钢材淬火时产生的内应力 使其硬度降低 恢复塑性和韧性 回火温度愈高 钢材硬度下降愈多 塑性和韧性等性能均得以改善 若钢材淬火后随即进行高温回火处理 则称调质处理 其目的是使钢材的强度 塑性 韧性等性能均得以改善 22 退火是指将钢材加热至723 以上某一温度 保持相当时间后 在退火炉中缓慢冷却 退火的目的是降低钢的硬度 提高钢的塑性和韧性 消除钢的组织缺陷 消除钢中内应力 23 正火 正火是把钢加热到铁 碳相图Ac3 亚共析钢 Acm 过共析钢 以上30 50 保温一定时间 随后在空气中冷却的工艺过程 正火的目的是碳量较高的钢强度和硬度得到明显提高 细化晶粒 改善组织不均匀性 24 第三章轧钢基础理论 第一节金属塑性变形原理金属变形一般分为塑性变形和弹性变形两种 弹性变形 金属晶格在受力时发生歪扭或拉长 当外力未超过原子之间的结合力时 去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态 也就是说 未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形 塑性概念 在外力作用下 钢能在体积不变的情况下 稳定地改变其形状而不被破坏的能力 25 塑性变形 当加在晶体上的外力超过其弹性极限时 去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶粒不能恢复到原始状态 这种永久变形叫塑性变形 塑性变形原理 就是利用金属具有塑性这一特点 对金属施加一定的外力 使它的形状 尺寸和性能发生变化 从而得到我们所要求的产品 金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏 使晶格发生歪扭和紊乱 使晶粒破碎并且使晶粒沿着受力方向被拉长或压缩 26 常见金属压力加工方法 金属压力加工就是对金属施加压力 使之产生塑性变形 制成一定形状的尺寸产品的加工方法 常见金属压力加工方法有 锻造 轧制 拉拨 挤压 冲压 27 锻造 在锤头的冲击力或水压机的压力作用下 使坯料变形成我们所需要的形状和尺寸的一种加工方法 轧制 使金属在旋转的轧辊之间进行塑性变形的过程 根据轧辊的旋转方向又可分为纵轧 横轧和斜轧 目前我公司生产中型材 板带材的轧制方式为纵轧 28 拉拨 包括拉丝和拨管 拉丝是将外力作用于金属的前端 使其通过模孔 从而使金属的断面缩小 长度增加的一种加工方法 拨管是将中空管坯通过模孔使管径减小 管壁变薄的过程 挤压 将金属放在挤压圆筒中 通过压力机的作用在筒的一端施加压力 使金属从模孔中挤出 从而得到不同形状的成品的加工方法 冲压 又称 板料冲压 利用冲模借压力机的作用 对放在凹模和凸模间的板料进行冲栽或成型的加工方法 冲压一般在常温下进行 所以也称冷冲压 29 第二节力和应力 金属压力加工的各个过程 都是通过工具把外力传到金属上 在外力的作用下 金属运动受到阻碍时 金属内部则产生与外力平衡的内力 同时引起金属变形 故金属发生的变形是受外力和内力作用的结果 30 一 外力 金属在变形时所受的外力可分为三种 作用力 约束反力 摩擦力 1 作用力 作用力是由压力加工设备的动作而产生的 轧辊转动 作用力的大小由金属变形时所需能量的大小决定的 2 约束反力 在变形过程中 工具或模具阻止被加工物体的整体运动和质点流动于该物体的力 3 摩擦力 加工工具与金属的接触面上总是有一定程度的粗糙不平 当变形金属的质点与接触面相对运动时 接触面上必然产生一个与金属质点运动方向相反的阻力 这个阻力叫摩擦力 31 二 内力 物体在外力或其它物理或物理 化学的作用下 使原子间距发生改变 就产生内力 内力产生原因 1 由于平衡外部的机械作用所产生的内力 即外力 包括作用力 约束力 摩擦力作用于金属时 在金属内部产生与外力相平衡的内力 2 由于物理过程或物理 化学过程所产生的相互平衡的内力 32 第三 塑性变形基本定律 一 体积不变定律轧制过程中 坯料的形状虽然发生了变化 但金属变形前后的体积保持不变 根据体积不变定律 人们可以计算出轧制前后轧件的尺寸变化 用数学公式表示为 V1 V2V1 V2分别代表变形前 后金属的体积 33 二 最小阻力定律 钢在塑性变形时 变形体的质点有可能沿着不同方向移动时 则沿着阻力最小的方向移动 叫最小阻力定律 34 三 弹塑性变形共存定律 金属发生塑性变形时 一定会有弹性变形存在 也就是说金属的塑性变形 只有当金属已有弹性变形后才能发生 35 四 连轧理论 连轧条件必须保证金属秒流量相等原则 36 第四节轧制过程基本概念 轧制过程 是轧件由旋转的轧辊与轧件接触面之间的摩擦力拉进辊缝 受到压缩进行塑性变形的过程 并使之获得一定的尺寸 形状和性能 1 变形区主要参数 宽展 变形的金属向横向流动称为宽展 分为自由宽展 限制宽展和强制宽展 压下 厚度方向上尺寸的变化 延伸 变形的金属向纵向流动称为延伸 37 38 1 轧制时的绝对变形量 绝对压下量 h H h 绝对宽展量 b b B 绝对延伸量 l l L2 轧制时的相对变形量 相对压下量 相对宽展量 相对延伸量3 总延伸系数与道次延伸系数关系 轧制中总的延伸系数等于各道次延伸系数的乘积 39 第五节轧辊实现咬入的条件 咬入角及摩擦系数是影响轧辊咬入的两个因素 实现咬入的必要条件是咬入角小于摩擦系数 影响咬入的因素有 1 轧辊直径及压下量 压下一定时 辊径越大 易咬入 2 轧辊表面状态 粗糙面易咬入 3 后推力 有后推力 易咬入 4 轧制速度 速度高不利咬入 5 轧件前端形状 楔形易咬入 因此 改善轧制咬入条件的措施有增大轧辊直径 粗糙轧辊表面 降低轧制速度 40 第六节轧钢生产工艺过程 棒线厂一高 主机 550 3 450 3 400 8 285 4 230 5 160 5共28架 全线高速无扭单线轧制 生产能力 60万吨 年 轧制速度及道次 成品终轧速度范围20 120m s 最多轧制道次为28道次 最少轧制道次为20道次 品种规格 5 5 16mm热轧圆盘条 6 0 16mm热轧光圆钢筋 热轧带肋钢筋盘条 41 棒线厂一高 主机 550 3 450 3 400 8 285 4 230 5 160 5共28架 全线高速无扭单线轧制 生产能力 60万吨 年 轧制速度及道次 成品终轧速度范围20 120m s 最多轧制道次为28道次 最少轧制道次为20道次 品种规格 5 5 16mm热轧圆盘条 6 0 16mm热轧光圆钢筋 热轧带肋钢筋盘条 42 中板厂 轧制线拥有三座推钢式加热炉 两套九十年代先进水平的2800mm四辊可逆式轧机和一套引进德国的中厚板精整线以及改造后的第二精整线 这套中厚板精整线有国内唯一的步进式冷床 可逆式翻板机 国内矫直量最大的厚板矫直机 先进的数控双边剪和定尺剪 配有两台在线超声波探伤装置 双机架轧机年生产能力100 150万吨 按钢种分类 普通碳素结构钢 低合金高强度结构钢 船体结构用钢 锅炉和压力容器用钢板 优质碳素钢 桥梁用钢等 产品规格 成品厚度 5 40mm 厚度范围上限可根据实际坯料和工艺情况提高 成品宽度 1400 2600mm成品长度 4000 15000mm 43 轧钢生产工艺过程一般由坯料的准备 加热 轧制 精整和检验等基本工序组成 轧制工艺制度主要包括变形制度 速度制度和温度制度 一 坯料的准备包括表面缺陷的清理 表面氧化铁皮的去除和坯料的预先热处理等 坯料 连铸坯 方坯 矩形坯 坯料的主要缺陷 裂纹 结疤 重皮 皮下气泡等连铸坯表面如存在不允许或有超出允许规定的缺陷 应进行清除 清除宽度不得小于深度的6倍 长度不得小于深度的10倍 清除处应圆滑无棱角按脱氧程度分为沸腾钢 镇静钢 半镇静钢和特殊镇静钢 44 二 加热是热轧生产工艺过程中的重要工序 加热制度一般包括加热时间 加热速度 加热温度和温度制度要素 加热炉 推钢式加热炉 步进梁式加热炉 45 加热主要缺陷 过热就是当加热温度超过Ac3继续加热达到一定的温度时 钢的晶粒过度长大 从而在引起晶粒间的结合力减弱 钢材的力学性能恶化的现象 可通过退火挽救 过烧就是当钢在高温下 在强烈氧化介质中加热时 氧渗透到钢内杂质集中的晶粒边界 使晶界开始氧化和部分熔化 形成脆壳 严重破坏晶粒间的连结的现象 无法挽救 只能报废 脱碳是在加热过程中钢的表层金属有含碳量减少 甚至完全不含碳的现象 一次氧化铁皮 钢表面与高温炉气接触发生反应 黑色 二次氧化铁皮在粗轧过程短时间的钢表面与水和空气接触发生反应形成 红色 三次氧化铁皮 在除鳞之后 进入精轧机之前形成 红色氧化铁皮 仅发生在硅含量高等特定的钢种上 钢坯加热过程中形成 氧化铁皮 由外向里依次为三层Fe2O3 Fe3O4 FeO 加热不均 阴阳面 钢料上下温度不均 46 三 轧制是整个轧钢生产工艺过程的核心 坯料通过轧制完成变形的过程 对产品质量起着决定性的作用 1 轧钢机的一般由轧辊 机架 轧辊调整装置 轧辊平衡装置 轧辊轴承等构成 轧辊由辊身 进行轧制的工作部分 辊颈 在轴承中的支撑部分 和轴头 用来传送扭矩 组成 导卫装置包括导卫板 导板盒 固定横梁 导管 扭转导板 扭转辊等 型钢轧机以轧辊名义直径表示 钢板轧机以轧辊辊身长度来命名 如中板2800mm四辊可逆式轧机 47 2 辊缝 在型钢轧机上 同一孔型上的两个轧辊辊环之间的距离 在钢板轧机上 上下工作轧辊之间的距离 辊缝的作用 第一是使辊环或上下辊相互间不摩擦 第二是调整孔型 以免因轧辊跳动及孔型磨损而造成产品断面尺寸超差 钢板轧机的辊缝若沿辊身不均时 则造成钢板断面厚度不均 厚的一侧延伸小 薄的一侧延伸大 形成镰刀弯 48 板形是板 带材平直度的简称 常见的板形有浪形 瓢曲和镰刀弯 双边波浪 轧制时的辊缝不良 两边的延伸大于中部 中间波浪 轧制时的辊缝不良 如果中部延伸大于边部 单边波浪 两边的压下不当 使一边的延伸大于另一边 3 孔型 由上下轧辊的两个轧槽所组成的环形孔 根据用途不同可将孔型分为 延伸孔 预轧孔 精轧前孔 精轧孔四种 49 四 精整是轧制生产工艺过程中的最后的一个工序 对产品质量起着最终的保证作用 包括钢材的切断或卷取 轧后冷却 矫直 成品热处理 成品表面清理和各种涂色等工序 冷却方式有自然冷却 空冷 和强制冷却 通风 水冷 钢材的冷却可抑制表面产生氧化铁皮 改善钢材质量 提高机械物理性能 使下道工序易于操作 矫直的目的 长度方向上平直 断面整形 疏松氧化铁皮 五 检验 50 金属学基本知识与轧钢基础理论习题一 判断题1 钢在再结晶温度以下的轧制称为冷轧 答案 2 钢在再结晶温度以上的轧制称为热轧 答案 3 过热是加热温度过高或在高温状态下原料在炉内停留时间过长 金属晶粒除增大外 还使偏析夹杂富集的晶粒边界发生氧化熔化 答案 4 过烧是加热温度过高或在高温状态下原料在炉内停留时间过长 金属晶粒除增大外 还使偏析夹杂富集的晶粒边界发生氧化熔化 答案 5 钢按冶炼方法分沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 答案 6 钢料上下温度不均 称为阴阳面 答案 7 氧化铁皮由三层组成 答案 51 8 热轧后轧件表面会生成氧化铁皮 其最外层是Fe2O3 答案 9 加热易造成的缺陷是气泡和麻点 答案 10 型钢轧机过钢时两轧辊辊环之间的缝隙称为辊缝 答案 11 在钢板轧机上 上下工作轧辊之间的距离叫做辊缝 答案 12 在 200 钢几乎没有塑性 答案 13 200 400 为蓝脆区 钢的强度高而塑性低 答案 14 800 950 为相变温度区 又称 热脆区 常是一个相塑性好 而另一个相塑性较差 15 1000 1250 塑性最好 是热加工的最有利温度 终轧温度一般不低于900 答案 52 16 按照一定的制度 将钢材加热到一定的温度 在此温度下保持一定的时间 再以一定的速度和方式进行冷却 以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变 或者消除钢中的内应力 从而获得人们所需求的机械力学性能 这一过程就称为钢材的热处理 答案 17 淬火是将钢材加热至723 相变温度 以上某一温度 并保持一定时间后 迅速置于水中或机油中冷却 这个过程称钢材的淬火处理 答案 18 退火是指将钢材加热至723 以上某一温度 保持相当时间后 在退火炉中缓慢冷却 答案 19 正火是将钢材加热到723 以上某一温度 并保持相当长时间 然后在空气中缓慢冷却 则可得到均匀细小的显微组织 答案 20 退火能消除钢材中的内应力 细化晶粒 均匀组织 使钢材硬度降低 塑性和韧性提高 答案 53 21 回火可消除钢材淬火时产生的内应力 使其硬度降低 恢复塑性和韧性 答案 22 若钢材淬火后随即进行高温回火处理 则称调质处理 其目的是使钢材的强度 塑性 韧性等性能均得以改善 答案 23 轧制时 压下量一定时 辊径越大 越易咬入 答案 24 粗糙的轧辊表面比光滑的轧辊表面难咬入 答案 25 轧制速度高时不利于咬入 答案 54 二 选择题1 带钢的中部延伸大于两边 则会出现 A 中间浪B 单边浪C 双边浪答案 A2 带钢的两边的延伸大于中部 则会出现 A 中间浪B 单边浪C 双边浪答案 C3 不属于板形缺陷 A 镰刀弯B 浪形C 辊印答案 C4 中厚板生产的成品中常见的板形缺陷是 A 结疤B 折