控制轧制与控制冷却

控制轧制与控制冷却,铁碳平衡相图与钢的组织结构控制轧制与控制冷却的发展及特点微合金化,产品质量控制技术,钢在加热和冷却时发生相转变的温度叫临界点或临界温度。通常把加热时的临界点用字母“Ac”表示，把冷却时的临界点用字母“Ar”表示。,A1在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体共存的温度，也就是一般所说的下临界点。在铁碳合金状态图上为PSK共析转变线。A3亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，也就是一般所说的上临界点。在铁碳合金状态图上为GS线。Accm过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体共存的最高温度，也就是共析钢的上临界点，在铁碳合金状态图上为ES线Ac1钢加热时所有珠光体都转变为奥氏体的温度.Ac3亚共析钢在平衡状态下,所有铁素体都转变为奥氏体的温度.Acm过共析钢加热时,所有渗碳体都溶于奥氏体的温度。Ar1高温奥氏体化的钢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。Ar3高温奥氏体化的亚共析钢冷却时铁素体开始析出的温度。Arcm高温奥氏体化的过共析钢冷却时，渗碳体开始析出的温度。,一、钢的金相组织与转变,奥氏体（A）：碳在面心立方晶格铁中的固溶体叫奥氏体。铁素体（）：碳在体心立方晶格铁中的固溶体叫铁素体。渗碳体（Fe3C）：渗碳体是铁和碳的化合物，它的晶格形式为密排六方。珠光体（Z）：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得名。贝氏体（B）：贝氏体是由铁素体和碳化物结合而成的奥氏体的分解产物。,奥氏体晶粒的大小对钢材的力学性能有显著的影响。一般用晶粒度表示晶粒的大小。因此，测定奥氏体的晶粒度通常作为鉴定钢材质量的指标之一。,铁碳平衡相图,二、钢的控制轧制,控制轧制是以钢的化学成分调整或添加微合金元素Nb、V、Ti为基础，在热轧过程中对钢坯加热温度、开轧温度、变形量、终轧温度等工艺参数实行合理控制，以细化奥氏体和铁素体晶粒，并通过沉淀强化、位错亚结构强化充分发掘钢材内部潜力，提高钢材力学性能和使用性能。,钢的控制冷却,控制冷却是对轧后钢材的冷却工艺参数(开冷温度、终冷温度、冷却速度)合理控制，为钢材相变做好准备，并通过控制相变过程的冷却速度，以达到控制钢材组织状态、各种组织的组成比以及碳氮化物析出等，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牺牲韧性，并且大幅度节约能耗。,控制轧制三个阶段理论,再结晶区轧制:通过再结晶过程的反复进行,达到细化奥氏体晶粒的目的.未再结晶区轧制:温度范围为950-Ar3;在形变奥氏体中,形成变形带、位错及孪晶,铁素体就在这些位置上形核,晶粒得到细化.(+)两相区轧制:奥氏体变形得到继续,在晶内形成变形带;相变后的铁素体在受压时,在晶粒内部形成亚结构,获得亚晶强化机制.前者相变成多边形晶粒,后者因回复变成内部有亚晶粒的铁素体组织.,控制轧制三个阶段理论,控制轧制过程中显微组织变化,钢的轧后控制冷却,一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素体(Ar3)或Fe3C(Arcm)开始转变的温度范围内控制其冷却参数(开始快冷温度,冷却速度和快冷终止温度).二次冷却是指从相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制.目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的温度.其终冷温度一般是控制到相变结束,c-Mn钢和含Nb钢冷却终了温度控制在600左右.轧后一次冷却和二次冷却对一些钢种可以连续进行.对于微合金化低碳钢轧后快速冷却,终止温度可以达到珠光体相变结束.三次冷却即空冷,在快冷中来不及析出的碳化物,在空冷中随着温度的降低,在铁素体中析出.,控轧控冷的物理冶金基础,影响再结晶过程的因素:形变温度:形变温度越高越有利于再结晶过程的加速进行.形变量:实验表明,形变量的增大能明显提高再结晶的形核和长大速率.,控轧控冷的物理冶金基础,综合考虑以上两个因素,轧制过程中,若形变温度足够高和形变量足够大,则会发生动态再结晶,故通常的中厚板生产中,由于每道次的压下量有限,难以发生动态再结晶,而主要是静态再结晶过程,但应注意混晶现象.,控轧控冷的物理冶金基础,形变速率:提高形变速率将不利于动态再结晶的发生,但也有研究表明,提高形变速率将缩短动态再结晶时间。原始晶粒尺寸(D0):D0愈小愈有利于动态再结晶:D0减小,静态再结晶时间亦越短。,控轧控冷的物理冶金基础,钢中溶质原子及第二相粒子:在钢中适当添加Nb、Ti等微合金元素,细化奥氏体晶粒.这种利用高温形变再结晶与微合金元素溶解-析出的相互作用使晶粒充分细化的机制便是控轧中控制奥氏体晶粒尺寸的主要的物理冶金基础.,控轧控冷的物理冶金基础,高温形变再结晶诸参数对再结晶晶粒尺寸的影响:对静态再结晶来讲，Drex主要与及D0有关，并有如下经验公式：Drex=CD00.57-1(C-Mn钢)Drex=CD00.57-0.57(Nb钢)式中C和C值大致分别为0.5和0.9(对于0.04%Nb)。,控轧控冷的物理冶金基础,铁素体晶粒的细化:铁素体晶粒的形核速率愈大，长大速率愈小，则晶粒愈细。,图1.4铁素体形核速率与过冷度的关系,控轧控冷的物理冶金基础,实验证明，在相变温度范围内，形变温度愈低愈有利于铁素体晶粒的细化，因此，要尽可能降低相变开始温度Ar3。影响相变晶粒细化的主要因素:相变前奥氏体晶粒尺寸、形变量、轧后冷却速率和合金元素等。他们通过对铁素体形核和长大速率及Ar3的作用而影响铁素体晶粒的细化。,控轧控冷的物理冶金基础,奥氏体晶粒尺寸的影响表现为两方面:奥氏体晶粒的细化将增加其单位体积的有效界面积，从而能明显提高晶界形核位置的体积分数。随着奥氏体晶粒的细化，相变开始温度有所提高，不利于铁素体晶粒的细化。因此，工业生产中，应将奥氏体晶粒控制在适当的尺寸范围。,控轧控冷的物理冶金基础,相变前形变量的影响表现在三个方面:通过变形使奥氏体晶粒拉长，并在晶粒内产生形变带。相变前的形变使奥氏体晶粒形变储能增加，从而使铁素体临界形核功降低，使形核率明显提高。相变前的形变能明显提高相变开始温度，这将不利于铁素体晶粒的细化。但足够大的形变量可使相变晶粒细化效应成倍增加。,控轧控冷的物理冶金基础,轧后冷却速率对相变及其细化晶粒的影响:研究表明,提高轧后冷却速度能明显降低Ar3，可抵消奥氏体晶粒细化及相变前形变给晶粒细化带来的不利影响，有力地增加了相变细化晶粒作用。这要求在控轧实践中对冷却制度进行控制。,控轧控冷的物理冶金基础,(+)两相区控轧及其强化效应分析:如果在相变过程中继续进行轧制，则一方面通过热变形在铁素体晶内引入大量位错及其亚结构。另一方面利用应变诱导使微合金元素碳氮化物在铁素体中弥散析出，从而能够提高钢中位错亚结构及析出强化作用。利用上述原理建立了包括（+）两相区控轧的三阶段控制轧制技术，并在西欧和日本得到了广泛应用。,微合金化,传统的合金元素通过改变铁的结构来影响钢的性能。有些合金元素不改变铁的结构，而是与其中的碳和氮有很强的相互作用。常用的微合金化元素：Nb、V、Ti、B、Al、Zr、Ta等;能生成碳氮化物并有析出强化作用的只有Ti、Nb、V等。微合金化元素使钢强化的主要机理是晶粒细化和析出强化,微合金化,研究者最终明确了Nb的作用是由于固溶在钢中的Nb可以抑制奥氏体再结晶和晶粒长大，有助于产生微细的铁素体晶粒，并且Nb元素与C、N有极强的亲和力，容易形成细小弥散Nb（C、N），可以阻止晶界迁移，提高晶粒长大温度，从而达到细化效果。添加Nb后有利于钢中诱导相变的发生。,微合金化,Ti由于会发生强烈的沉淀强化，因而会提高热轧产品的强度，但是，晶粒细化却是中等的。和强度等级相同的Nb钢相比，Ti钢的热轧产品的抗脆性断裂性能较低。Ti对于控制硫化物形状是有利的。高强度Ti钢的冷成型性能特别好，而且在纵向、横向和厚度方向上的性能均匀，故加入Ti是十