材料加工组织性能控制第三章新课件

3.热形变过程中钢的组织变化,3.1控制轧制基本知识3.1.1控制轧制概念,(低碳、低合金钢),控制轧制(Controlledrolling)：热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。TMCP(ThermoMomechanicalControlledProcessing)：,图3-l各种轧制程序的模式图CR-控制轧制；AcC一控制冷却,3.1.2铁素体晶粒尺寸的控制3.1.2.1铁素体晶粒尺寸的计算式,奥氏体相变过程示意图,3.1.2.2变形奥氏体对铁素体晶粒的细化作用,结论：由加工硬化（变形）奥氏体相变得到的铁素体晶粒比相同尺寸的未变形奥氏体或再结晶奥氏体相变后得到的铁素体晶粒要细得多。,原因：（1）变形使奥氏体的晶界上形成了许多台阶,（2）变形奥氏体除了在晶界上生成铁素体晶核以外，原来奥氏体中的退火孪晶边界以及由于变形而形成的变形带，也是铁素体的形核基地。,3.1.2.3冷却速度对铁素体晶粒尺寸的影响,（1）细化相变前的奥氏体晶粒；（2）在细化奥氏体晶粒的前提下，进一步使奥氏体处于加工硬化状态；（3）在相变温度区间加速冷却。,3.1.2.4合金元素的作用（微合金元素作用时再讲）,3.1.3控制轧制的类型,控制轧制方式示意图(a)奥氏体再结晶区控轧；(b)奥氏体未再结晶区控轧；(c)(+)两相区控轧,（1）奥氏体再结晶区控制轧制(又称I型控制轧制)条件：950以上再结晶区域变形。主要目的：对加热时粗化的初始晶粒轧制再结晶细化相变后细小的晶粒。相变前的晶粒越细，相变后的晶粒也变得越细。,（2）奥氏体未再结晶区控制轧制(又称为型控制轧制)条件：950CAr3之间进行变形。目的：晶粒沿轧制方向伸长，晶粒内部产生形变带。晶界面积，的形核密度，进一步促进了晶粒的细化。,(3)(+)两相区轧制条件：Ar3点以下轧制。目的：1）未相变晶粒更加伸长，在晶内形成形变带，相变形成微细的多边形晶粒；2）已相变后的晶粒变形，于晶粒内形成亚结构，因回复变成内部含有亚晶粒的晶粒。组织：大倾角晶粒和亚晶粒的混合组织。影响：强度升高，脆性转变温度（亚晶的出现）。,控制轧制三阶段示意图和各阶段的组织变化,再结晶与未再结晶型控轧示意图,3.1.4控制轧制工艺特点,(1)控制加热温度：加热温度决定轧制前奥氏体晶粒的大小，温度越低晶粒越细。,低温加热优点：（1）避免奥氏体晶粒变粗大。（2）缩短延迟冷却时间，粗轧和精轧几乎可连续进行。缺点：（1）要减小板坯的厚度。（2）含铌钢中铌未固溶，达不到预期的析出强化效果。,(2)控制轧制温度奥氏体区轧制：要求最后几道次的轧制温度要低。原因：,一般低碳结构钢终轧温度：830C或者更低些。轧制含Nb钢：控制在750C左右。,I型控制轧制原则：1)连续轧制，不要间歇，尤其在的高温侧(动态再结晶区)，原因：2)道次变形量应大于临界变形量，使全部晶粒能进行再结晶，避免混晶产生。原因：,(+)两相区轧制：压下率的增加会使位错密度增大，亚晶发达和产生织构等，使钢材的强度升高，低温韧性得到改善。,II型控制轧制：要有足够的总变形量，可以不过分强调道次变形量。原因：,(3)控制变形程度,（4）控制轧制后冷却速度,(1)尽可能降低加热温度，目的：(2)在中间温度区通过反复再结晶使奥氏体晶粒微细化。(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。,3.1.5控制轧制的实质,图3-3多道次轧制时轧制温度的影响(实验室数据)0.18C-1.36Mn钢，各道次压下率20，9个道次轧制到20mm轧制温度变化范围(开始一结束)为200C,图3-4轧制温度对铁素体晶粒直径、屈服点及断口转变温度的影响(0.14C-1.3Mn-0.03Nb系钢),加热温度,终轧温度,(1)使钢材的强度和低温韧性有较大幅度的改善。原理：细化晶粒。常规轧制工艺：铁素体晶粒78级；控制轧制工艺：铁素体晶粒可达12级，直径可为5m。(2)可节省能源和使生产工艺简化。途径：1）降低钢坯的加热温度；2）取消轧后的常化处理或淬火回火处理。(3)可以充分发挥微量合金元素的作用（后面讲）。,3.1.6控制轧制的效应,表3-136CrSi钢用控轧工艺和用常规工艺后的机械性能,冷加工与高温变形：,3.2钢的奥氏体形变与再结晶（I型控制轧制）3.2.1热变形过程中的奥氏体再结晶行为3.2.1.1动态再结晶,真应力-应变曲线由三阶段组成：,第一阶段（OA段）：高温小变形时奥氏体结构发生两个方面的变化：加工硬化及材料的软化。特点：,O,A,第二阶段：发生动态再结晶。(AB段),A,B,曲线的最大应力值p(或s)、T之间可用Zener-Hollomon因子Z表示：,温度补偿变形速率因子,变形活化能,气体常数,绝对温度,常数,应力指数,为什么金属的变形应力高于原始状态的变形应力？,第三阶段，两种情况：1）连续动态再结晶条件：cr,图3-3Q235钢变形条件对真应力-真应变曲线的影响(a)变形温度的影响，变形速度；(b)变形速度的影响，变形温度T=1000C,3.2.1.2动态再结晶的控制（1）动态再结晶发生条件动态再结晶难发生的原因：发生动态再结晶的条件：c影响动态再结晶临界变形量的因素：1）变形温度和变形速度；2）钢的化学成分，如奥氏体型Fe-Ni-Cr合金的c比纯的-Fe大得多；3）材料的初始晶粒尺寸的影响。,18-8不锈钢起始晶粒尺寸（D0）对高温形变组织和加工因子（Z、）关系的影响,（2）动态再结晶的组织动态再结晶是一个混晶组织，平均晶粒尺寸只由加工条件（变形温度、变形速率）决定。变形温度低、变形速率大，则愈小。动态再结晶是存在一定加工硬化程度的组织。,3.2.2热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为,静态再结晶：形变停止后发生的再结晶过程。静态回复：,作用？,亚动态再结晶：,(1)应力应变曲线,图11000，5s-1时不同道次间隔时间的双道次应力-应变曲线,（2）静态再结晶动力学曲线,X静态再结晶率，%；m第一道次卸载时对应的应力值，MPa；0第一道次塑性变形时的屈服应力值，MPa；r第二道次热压缩时的屈服应力值，MPa。,图2静态再结晶率各应力值的确定,讨论：在形变温度、形变速度、形变后停留时的温度不变，改变变形量的条件下，两次形变间隔时间里奥氏体组织结构发生怎样的变化？,3.2.3静态再结晶的控制（1）静态再结晶的临界变形量影响临界变形量的因素：1)变形温度、原始奥氏体晶粒度、微合金元素。,图3-8初始晶粒直径和轧制温度对再结晶所必需的临界压下率的影响,2）变形后的停留时间变形后停留时间长，再结晶所需要的临界变形量就小。,图3-91050C加热，在不同温度下轧制，轧后停留时间不同对奥氏体再结晶临界变形量的影响1-再结晶开始曲线，轧后停留2s；2-再结晶开始曲线，轧后停留20s；3-再结晶终了曲线，轧后停留2s；4-再结晶终了曲线，轧后停留20s,(2)静态再结晶速度,1）热加工工艺的影响：变形量、变形速度、变形后的停留温度回复和再结晶速度；2）微量元素将强烈地阻止再结晶的发生。,影响因素：,图3-100.2%C钢与Nb钢等温再结晶的动力学曲线（实线为碳钢；虚线为铌钢）,(3)静态再结晶数量,图3-11轧制温度、轧后空延时间对奥氏体再结晶百分数的影响1.1000C轧制，停留15S；2.1000C轧制，停留2S；3.850C轧制，停留15S；4.850C轧制，停留2S；,奥氏体再结晶百分数随变形量与变形温度的增加而增加。,微合金元素对静态再结晶数量的影响：1)抑制奥氏体再结晶。2)和不含微合元素的钢相比，在同样变形条件下，再结晶数量减少，奥氏体平均晶粒尺寸增大。,(4)再结晶区域图作用：划分：三个区域，即再结晶区、部分再结晶区和未再结晶区。,图3-12压下温度和压下率对再结晶行为和再结晶晶粒直径产生影响的再结晶区域图,试验用试样：,由该阶梯试样可获得一次轧制后不同变形程度（10%80%，辊缝：7.2mm）下的再结晶组织。,试验钢再结晶规律研究试验工艺,试验结果与分析：1）变形量对奥氏体再结晶百分数的影响,图3.2试验用X70W管线钢在T=1100时的再结晶金相照片110%；220%；330%；440%；,2）变形温度对奥氏体再结晶百分数的影响,（）,图3.3X70W管线钢变形温度对再结晶百分数的影响,图3.4试验用X70W管线钢在T=850时的再结晶金相照片110%；220%；330%；440%；,图3.4试验用X70W管线钢在T=850时的再结晶金相照片550%；660%；770%；880%,X70W钢再结晶区域图,图2静态再结晶率各应力值的确定,X静态再结晶率，%；m第一道次卸载时对应的应力值，MPa；0第一道次塑性变形时的屈服应力值，MPa；r第二道次热压缩时的屈服应力值，MPa。,热加工奥氏体状态综合图示,3.3未再结晶区奥氏体的变形3.3.1再结晶的延迟,晶粒细化有极限。,图3-1热轧态及热态普碳钢中，相变瞬间前的晶粒尺寸与、相变率（晶粒尺寸与晶粒尺寸的比值）之间的关系(1)0.10%C-0.25Si%-1.4%Mn钢；(2)0.05%.C-0.25%Si-1.20%Mn钢,转换比（AF）：转变前的奥氏体晶粒直径与转变后的铁素体晶粒直径之比，与化学成分有关。,控制轧制过程的三个阶段及各阶段微观组织随变形而变化的示意图,特点：晶粒伸长，晶内产生形变带，此形变带可起到晶核生成晶界面的作用。,总结：由未再结晶变形的转变比由已再结晶的无变形转变所生成的晶粒要细得多，得到变形非常重要。可以通过变形后抑制或延迟再结晶的进行来实现。延迟回复和再结晶的因素有两个：（放第4章讲）1)合金元素；2)温度。,3.3.2变形带的形成和作用,图3-8(a)具有变形带的拉长晶粒，其中变形带是非再结晶区变形所产生的；(b)部分转变的晶粒组织中形成的先共析,变形带的作用：提供铁素体形核点，使晶粒细化。,影响变形带的因素：1)变形量：变形30时，迅速增加。2)变形温度：变形带密度几乎不受非再结晶区变形温度的影响（超过1000C时，迅速减少）。,图3-9含0.03%Nb的钢中，晶界面积(a)和变形带密度(b)同非再结晶区压下率的关系,常规热轧和控制轧制在组织转变上的区别：前者的晶粒全部在晶界处成核，后者则在晶粒内部和晶界成核。对成核率而言，变形带等价于晶界，意味着一个晶粒可以被变形带分割成几个小的部分。,图3-10热轧态及热处理态钢中晶粒成核地点及所生成的晶粒组织,图3-12表明，非再结晶区轧制变形30的工具钢中，珠光体相变的成核地点不同：a)相变初期，珠光体优先于晶界成核；b)随着变形的进行，珠光体在退火孪晶界和晶界处均发生成核；c)珠光体于变形带上成核；d)珠光体于晶粒内部成核。,3.4变形后奥氏体向铁素体的转变（1）从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒特点：铁素体晶粒在奥氏体晶界上生成，在晶内不成核。生成的铁素体魏氏组织的形成取决于：钢的化学成分（C含量在0.150.5%之间易形成魏氏组织）；奥氏体晶粒的大小（奥氏体晶粒小于5级）和冷却速度（快）。加快冷却速度可以细化铁素体晶粒，改善材料的力学性能，条件：不产生魏氏组织。,块状(等轴的),先共析铁素体(魏氏组织铁素体),图3-1热轧条件与所得到的魏氏组织级别关系,（2）从部分再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒部分再结晶奥氏体晶粒由两部分组成：再结晶晶粒：特点：未再结晶晶粒：特点：存在问题：铁素体不均匀，对强度、韧性的影响：解决方法：多道次轧制，产生形变带，转变后也可得到细小的铁素体晶粒。,奥氏体向铁素体转变可分成以下类型：IA型：热轧后奥氏体发生再结晶，转变前粗化，转变时易形成魏氏组织铁素体和珠光体。IB型：热轧后奥氏体发生再结晶，转变前晶粒度6级，铁素体晶核在奥氏体晶界上形成，获得具有等轴铁素体与珠光体的均匀组织。再结晶型的控制轧制。型：热轧温度低，热轧后变形的奥氏体晶粒不发生再结晶，铁素体在刚轧完后就在变形带边界处和晶界处成核，形成细小的等轴晶粒。随后在奥氏体晶内也形成多边形的铁素体晶粒和珠光体。型转变中不形成魏氏组织和上贝氏体。未再结晶型的控制轧制。铁素体细化的程度：型IB型过渡IA型，型最细。,图3-5非合金低碳钢和含Nb或V的低碳钢变形75%时的轧制温度与转变类型之间的关系,3.5变形条件对奥氏体向铁素体转变温度Ar3的影响3.5.1变形条件对Ar3温度的影响两种情况：1）在奥氏体再结晶区变形造成奥氏体晶粒的细化，影响Ar3温度；2）在奥氏体未再结晶区变形造成变形带的产生和畸变能的增加，影响Ar3温度。形变诱导相变：,（1）加热温度的影响：原始奥氏体晶粒愈粗大，Ar3温度愈低。,图3-6初始奥氏体晶粒度(加热温度)和变形量对Ar3温度的影响(轧制温度900C),(2)轧制温度的影响,图3-7变形温度对Ar3的影响,（3）变形量的影响高温变形时：低温变形时：低温大变形，形变诱导相变的结果。,图3-8含铌16Mn钢的道次变形量与Ar3的关系(加热温度1180C，20min),Nb钢在再结晶温度以下变形对C曲线的影响，加热温度为1250C880C，30%变形；-无变形,（4）冷却速度的影响冷却速度，Ar3。有无变形，规律相同。在同样的冷却速度下，变形使Ar3，其影响是随冷却速度的提高而增大。,图3-9冷却速度对Ar3的影响（加热温度1200，没有形变试样的相变温度）；-870轧制形变30%试样的相变温度,图3-11珠光体随加工温度的变化,贝氏体转变以扩散型与共格型转变的混合机构发展的。,变形使连续转变时的贝氏体转变开始温度上升，缩短了孕育期。,转变结束的温度曲线向右下方移动，表明变形使贝氏体转变结束阶段变慢。,变形使珠光体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。,3.5.2变形条件对奥氏体向珠光体、贝氏体转变的影响,3.6两相区控制轧制3.6.1铁素体的变形与再结晶,3.6.1.1铁素体热加工中的组织变化,铁素体为体心立方结构，层错能较高，容易进行位错的攀移和交滑移过程。因此在热加工过程中易于发生动态回复，而且动态回复可以完全和应变硬化相平衡，从而使应变能难以达到使铁素体发生动态再结晶的水平，因而在热加工过程中一般是不易发生动态再结晶的。,3.6.1.2在变形间隙时间里铁素体发生的组织变化,铁素体在变形的间隙时间里也将发生静态回复和再结晶软化过程。产生静态再结晶:s（s：静态再结晶临界变形量）,形变量对铁素体静态再结晶50%所需时间的影响,当流变应力达到稳定值后，形变量对再结晶晶粒尺寸的作用逐渐减弱，直到最后不发生作用。,铁素体再结晶晶粒大小：,3.6.2（+）两相区的变形行为,1)变形体积百分数一定时，性能与变形程度的关系,图3-2拉伸强度和冲击功同（+）区变形程度的关系(a)普碳钢；(b)含铌钢,b,s,脆性转变温度,图3-3含铌钢微观组织与（+）区压下率的变化关系(a)和(b)压下率为0%；(c)和(d)压下率为30%,区变形：仅产生由低位错密度等轴晶粒组成的微观织；两相区变形：生成一种混合晶粒组织：变形转变成多边晶粒及变形依赖回复转变成胞状组织和亚晶粒。,图3-4普碳钢、含钒钢和含铌钢中，在-区进行压下率为50%轧制时，变形体积百分数与拉伸性能的关系,2)一定变形程度下，性能随变形体积分数的变化关系,每一种钢的屈服和拉伸强度均随变形体积百分数变化而成线性地增加，但普碳钢比含铌钢或含钒钢的增加幅度要小些。,总结：变形引起的强化主要来自于胞状组织和亚晶硬化。变形温度较高：发生动态回复和随后的静态回复及静态再结晶，强化主要来自于晶粒的细化。变形温度较低：回复和再结晶受到延迟，强化主要来自于胞状组织和(或)亚晶粒。,两相区变形引起的强化取决于回复和再结晶程度，而回复和再结晶程度又依赖于变形温度、变形量、变形后冷却速率和微合金元素的添加量。,3.6.3两相区轧制时组织和性能的变化3.6.3.1两相区控制轧制(1)温度的影响,（2）压下量的影响,不论轧制类型和钢种如何，TS、YS均随压下率增加而单调增加。,3.6.3.2（+）两相区控制轧制时强韧化的定量关系强度关系式：式中i-内摩擦应力；d-大角度晶粒直径；fs-亚晶占的体积分数；ky-仅由大角度晶浪构成时y跟晶粒直径相关的系数；ks-全部组织由亚晶粒构成时y跟亚晶粒直径相关的系数；ds-亚晶粒直径。韧性关系式：式中T-由化学成分决定的值；A、B、C-常数；-由亚晶界存在位错引起的硬化量；de-亚晶粒集团尺寸（有效晶粒直径），并ddeds；p-沉淀强化；d-位错强化。,3.6.4（+）两相区轧制时显微组织的变化,（1）微观组织未相变的晶粒更加拉长，在晶内形成形变带。相变后的晶粒在受压缩时在晶粒内形成亚结构。在轧后冷却过程中，前者发生相变成为微细的多边形晶粒，后者成为内部包含亚晶粒的晶粒。,采用I型轧制法，在700C和600C，50%压下轧制前后Si-Mn钢的显微组织(a)轧制前于700C冰盐水淬火，(b)于700C轧制后立即水淬火；(c)于700C轧制后空冷；(d)于600C轧制后空冷,（1）晶粒的形状基本不变，产生较均匀的位错；（2）晶粒伸长，晶粒内的位错密度仍然很高；（3）伸长的晶粒进行回复，并开始形成亚晶，晶粒内的位错密度下降；（4）形成清晰的亚晶粒，在亚晶粒内位错密度非常低；（5）加工引起再结晶。,（2）铁素体晶粒尺寸,（+）两相区轧制，轧制温度740C时压下率对平均直径的影响,变形程度增加，晶粒变细。,轧制温度变化引起晶粒大小的变化。,3.7.4（+）两相区轧材的织构和分层3.7.4.1（+）两相区轧材的织构和各向异性,图3-25（+）两相区轧制的Nb钢三维织构图,图3-27各理想取向的屈服强度各向异性（计算值）,3.7.4.2分层,两相区轧材，即使极低硫化，在以脆性断口温度为中心相当广泛的试验温度范围内也有平行于轧制面的分层。原因：带状层由100和111织构组成，两种织构变形难易程度不同。,表3-2控制轧制三个阶段的物理性能变化,3.8铁素体区控制轧制3.8.1概述为什么提出铁素体轧制？铁素体区热轧的两个关键：（1）在铁素体区精轧及终轧；（2）良好的热轧润滑条件。铁素体区轧制特点：粗轧在奥氏体区进行，粗轧后完成奥氏体向铁素体的转变，精轧在铁素体区进行。,图3-12ELC和ULC-Ti钢的变形抗力,图3-13碳含量对铁素体区轧制后(终轧温度：800750C，卷曲温度：700650C)的断面屈服强度和韧性的影响,3.8.2铁素体轧制适宜的参数（1）铁素体轧制适应的产品（2）铁素体轧制工艺要求,1）直接应用的热轧薄带钢，可以替代常规冷轧退火薄板；2）一般用冷轧用钢；3）深冲、超深冲冷轧用钢；4）铁素体区域热轧后直接退火的钢板。,粗轧在尽可能低的温度下使奥氏