轧制技术控轧控冷与热模拟（第三部分）.ppt

控轧控冷与热模拟衣海龙轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学),1.钢材的强韧性能1.1强韧性能的概念1.2强韧性能的定量关系式1.3影响强韧性能的主要因素2.钢材的控制轧制与控制冷却2.1控制轧制的概要2.2钢材热轧过程中的组织性能变化2.3控制轧制的类型2.4轧制工艺参数的控制3.控制轧制技术的进展,1/47,1.钢材的强韧性能,轧制过程是指金属在外力的作用下产生塑性变形的过程，它不仅可使金属获得所必需的尺寸和形状，而且也使之获得所必须的组织和性能。,形状：泛指板面的平直度（板形），浪形、瓢曲、旁弯、表面缺陷的有无等尺寸：泛指宽度、长度和厚度；横向厚度偏差和纵向同条差是控制的关键组织：铁素体晶粒度，珠光体百分含量，带状级别，魏氏组织，夹杂物数量、大小、形状及分布状态等性能：力学性能（屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等）；工艺性能（冷弯、冲压、焊接性能等）；理化性能（耐蚀、耐火、电磁性能等）结构钢的三要素：强度、韧性和焊接性能,2/47,1.1强韧性能的概念,低碳钢拉伸时的应力应变曲线,比例极限P应力、应变能保持比例关系时的最大应力弹性极限e完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力屈服强度S有明显上、下屈服点时，用下屈服点对应的应力表示，无明显屈服点时，以试样残余应变达到0.2时的应力表示，标为0.2抗拉强度b试样在拉断前所承受的最大应力,强韧性是指金属材料的强度和韧性而言。强度指标有屈服强度、抗拉强度等；韧性指标有冲击韧性和脆性转变温度等,3/47,断面收缩率拉伸前后试样横截面的相对减缩量延伸率拉伸前后试样的相对伸长量。因集中变形受试样形状和尺寸的制约，国标规定拉伸试样的尺寸比例应为L0/D0=5或10，所以对应长短试样分别标为5或10,此外，通过拉伸试验还可测定Z值、塑性应变比R、应变硬化指数n值和屈强比s/b值等用以评价板带产品的冷成型性能,1.1强韧性能的概念,4/47,冲击韧性,冲击试验原理,将规定形状和尺寸的试样置于固定支架上，然后释放具有一定位能的重锤，把一次冲断试样所作的功AKV或AKU除于试样的原始面积F0所得的值定义为冲击韧性，以aKV或aKU表示。,夏比V型缺口试样,1.1强韧性能的概念,5/47,测定不同温度下的AK值，可得到温度与AK值的关系曲线，曲线上冲击值显著的温度称为韧脆转变温度，也叫脆性转变温度韧脆性转变温度的测定方法：（1）能量法：取曲线上韧脆状态下冲击韧性平均值所对应的温度（2）取断口结晶区面积为总面积50时所对应的温度，以50FATT表示（3）塑变量法：取试样相对收缩变形为1时所对应的温度,韧脆转变温度,1.1强韧性能的概念,冲击功-温度曲线,塑变量法确定脆性转变温度,6/47,根据位错塞积理论导出著名的HallPetch关系式如下：晶内变形阻力：晶界性质影响的阻力系数；d晶粒直径大小。,K1晶粒尺寸系数，为曲线的斜率；m固溶强化作用的增长量；t沉淀强化作用的增长量；v位错强化作用的增长量。,或表示为：,1.2强韧性能的定量关系式,7/47,式中：G材料剪切模量；R表面能；K常数。,式中：A、m材料剪切模量,铁素体晶粒尺寸与韧性断裂强度的关系如下：,铁素体晶粒尺寸与韧-脆转变温度的关系如下：,由以上公式可以看出：钢材的屈服强度，断裂强度与铁素体晶粒尺寸成正比，即晶粒尺寸越细，屈服强度和断裂强度越高；铁素体晶粒越细，韧-脆转变温度越低，低温韧性就越好。,重要提示：在所有的钢材强化方法中，唯有晶粒细化可同时提高钢材的强度指标和塑、韧性指标。,1.3影响强韧性能的主要因素,一、晶粒的大小,8/47,二、珠光体的数量、大小及分布,珠光体为渗碳体与铁素体所组成的混合物。通常的情况下，珠光体的体积百分率增大时，使钢材硬化，从而导致钢的韧性变坏。对于铁素体珠光体钢，珠光体量和晶粒大小与脆性转变温度的定量关系如下：,式中脆性转变温度；晶粒直径。,式中铁素体体积分数；珠光体体积分数；完全铁素体的内摩擦应力；完全珠光体的内摩擦应力。,当钢中的含C量（亦即珠光体量）增加时，钢的屈服极限增加，也就是使HallPetch关系式中的增大，减小。在铁素体珠光体钢中，此现象亦可从下式中明确地看出：,1.3影响强韧性能的主要因素,9/47,铌、钒、钛等合金元素与钢中的碳、氮溶质原子具有极强的亲合力，能够形成极为稳定的碳、氮化合物，在轧制过程中起到延迟再结晶和阻碍再结晶晶粒长大的作用，几种微合金化元素对0.07C、1.40Mn碳锰钢再结晶温度的影响规律如下：,三、铌、钒、钛等合金元素的作用,1.3影响强韧性能的主要因素,10/47,在钢材轧制过程中，如能有效控制这些碳、氮化合物的析出行为（数量、大小、形状和分布状态等），则可以充分发挥微合金化元素对钢材施行细晶强化和析出强化的双重作用。铌、钒、钛三种微合金元素对铁素体/珠光体钢晶粒细化、沉淀强化的影响规律如下图所示。,三、铌、钒、钛合金元素的作用,1.3影响强韧性能的主要因素,11/47,三、铌、钒、钛合金元素的作用,铌、钒、钛对铁素体/珠光体钢脆性转变温度的影响,1.3影响强韧性能的主要因素,12/47,所谓控制轧制,就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了控制轧制工艺的雏形。五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了控制轧制工艺技术的日趋成熟。控制轧制技术可以说是20世纪最伟大的科技进步成果之一，目前控制轧制技术已成为国内外钢材生产的主导工艺；随着超细晶粒钢等的研究开发，新一代控制轧制工艺技术已经出现。,2.1控制轧制的概要,2.钢材的控制轧制与控制冷却,13/47,变形前的奥氏体晶粒,低温变形后晶粒被拉长,铁素体形核,相变完成,控制冷却,反复轧制反复再结晶,2.2钢材热轧过程中的组织性能变化,14/47,2.2钢材热轧过程中的组织性能变化,（1）变形速率不变时，同一应变条件下，变形温度越高，所对应的真应力越低（2）变形温度不变时，同一应变条件下，变形速率越低，所对应的真应力也越低，且真应力的峰值向真应力变小的方向移动（3）相同变形温度、速度条件下，随应变的增加，曲线呈现由高变低并逐渐趋于稳定的形态,0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在0.6Tm以上温度变形时的应力应变曲线,钢材热变形时的应力应变曲线规律,15/47,阶段：动态回复变形的开始阶段加工硬化速率较大，随应变继续增加，软化速率增大，部分位错消失、亚晶形成，曲线趋于平缓阶段：动态再结晶随变形量增加金属内部畸变能增加，达到一定程度时驱动形变奥氏体产生动态再结晶阶段：动态再结晶稳定阶段动态再结晶全部完成后，继续变形时，应力基本不变或呈规律的稳定状态,典型应力应变曲线的三个阶段,2.2钢材热轧过程中的组织性能变化,钢材热变形时的应力应变曲线规律,16/47,2.2钢材热轧过程中的组织性能变化,动态再结晶的类型,根据动态再结晶形核所需的变形量c和动态再结晶核心形成到奥氏体全部动态再结晶完成时所需的变形量r不同分为以下两种类型：（1）连续动态再结晶形成条件：rc（2）间断动态再结晶形成条件：cr,动态再结晶的临界变形程度对应于应力-应变曲线上，应力峰值处变形程度的0.83倍。其数值的大小取决于钢材的奥氏体形态和变形条件。变形温度越高、变形速率越低，其值越小，动态再结晶越容易发生。,动态再结晶的临界变形程度,17/47,热加工过程中所形成的不稳定组织，在热加工的间隙时间内或加工后的缓冷过程中将继续发生静态软化。以右图所示0.68C钢，780对应不同应变值变形后保温不同时间的软化规律如下：(a)当变形量远小于静态再结晶的临界变形量时，加工硬化组织不能完全消除的软化过程为：静态回复(b)当变形量大于静态而小于动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复静态再结晶(c)当变形量刚超过动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复亚动态再结晶静态再结晶(d)当变形量达到动态再结晶稳定阶段的变形量时，软化过程为：静态回复亚动态再结晶,2.1钢材热轧过程中的组织性能变化,热变形后的静态软化,18/47,0.68%C钢不同变形量时的软化行为,热变形后的静态软化,2.1钢材热轧过程中的组织性能变化,何谓亚动态再结晶,热变形过程中已经形成、但尚未长大的动态再结晶晶核，当变形停止、且变形温度足够高时，这些晶核不需要孕育期而继续长大，此过程称为亚动态再结晶。亚动态再结晶的驱动力是形变奥氏体晶粒内不均匀的位错密度。,19/47,Q345钢不同温度不同变形量时的奥氏体组织,从图可以看出，随着变形温度的降低，奥氏体发生再结晶的临界变形量增大：高温区轧制，1020%的变形量足以使再结晶充分进行；部分再结晶区轧制时，临界变形量在30%以上，否则道次间隙时间内静态再结晶来不及发生,1100,1000,950,900,10%,20%,30%,40%,热变形后的静态软化过程,20/47,再结晶奥氏体的长大过程,Q345钢不同停隔时间的奥氏体组织,奥氏体晶粒的长大过程,2.2钢材热轧过程中的组织性能变化,a,b,c,d,e,f,21/47,变形温度和变形量对含铌钢再结晶行为和再结晶晶粒直径的影响,热变形后的再结晶行为因变形量和轧制温度的变化可分为再结晶区、部分再结晶区和回复区等三个区域。采用再结晶区轧制时，整个体积发生再结晶，形成均匀的细晶粒组织在部分再结晶区轧制时，形成部分再结晶和未再结晶的混合组织在回复区域轧制时，多数晶粒产生回复，部分晶粒生成粗大晶粒,变形条件对再结晶行为的影响,2.2钢材热轧过程中的组织性能变化,22/47,2.1钢材热轧过程中的组织性能变化,静态再结晶的临界变形量,为了使再结晶能够充分进行，则所给予的压下率必须大于对应条件下静态再结晶的临界变形量。该值随钢种和变形条件的不同彼此相差很大。普碳钢的临界变形量很小，且与温度的关系很弱，即普碳钢在较小的变形量、较宽的温度范围内均容易产生再结晶。而含铌钢的临界变形量却较大，在950以下的温度区域内要使含铌钢完成再结晶是很困难的。,23/47,Q345钢道次间静态再结晶软化曲线,再结晶软化曲线示例,24/47,再结晶软化曲线示例,Q235钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系,含铌Q345钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系,25/47,轧制后奥氏体晶粒,铁素体形核,相变后,控冷后,形变硬化的铁素体,变形区,晶粒边界,位错,亚晶边界,长大,水淬,2.1钢材热轧过程中的组织性能变化,奥氏体/铁素体相变行为,26/47,（1）奥氏体再结晶区变形阶段t950对加热时粗化的奥氏体晶粒反复进行轧制并反复再结晶后使之得到细化（2）奥氏体未再结晶区变形阶段t950-Ar3奥氏体晶粒沿轧制方向伸长、压扁，晶内产生形变带，这种加工硬化状态的奥氏体具有促进铁素体相变形核作用（3）奥氏体铁素体两相区变形阶段tAr3相变后为大角度晶粒和亚晶粒的混合组织,控制轧制的三阶段及其组织变化,2.2控制轧制的类型,27/47,（1）加热温度的控制当钢材加热温度超过1000以后，随加热温度的升高奥氏体晶粒呈显著的增大趋势。因此，对普碳钢加热温度宜控制在1050或更低些；对含铌或含钛的微合金化钢，考虑到合金元素的充分固溶，可将加热温度控制在1150左右。,加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响,2.3轧制工艺参数的控制,28/47,（2）轧制温度的控制轧制温度主要是强调对精轧温度区间的控制，精轧区温度越高，奥氏体晶粒越粗大，相变后易出现魏氏组织，一般要求最后几道次的轧制温度要低，终轧温度尽可能地接近奥氏体开始转变的温度，对低碳结构钢约为830或更低些，对含铌钢可控制在730左右。,2.3轧制工艺参数的控制,轧制温度对Al、V、Nb钢奥氏体晶粒度的影响,29/47,（3）变形量的控制：通常要求在低温区保证足够的变形量，在再结晶区轧制时，要求道次变形必须大于临界变形量，并采用不间隔的连续轧制。由于普碳钢的未再结晶区间很窄，为实现完全再结晶、避免混晶组织出现，必须充分重视道次变形量的设定，而含铌钢在720950的较宽温度区间内应变均可以累积，因此更重视总变形量的设定。,2.3轧制工艺参数的控制,压下率和轧制温度对再结晶奥氏体晶粒直径的影响,30/47,不同压下道次缩孔愈合模拟图,从有限元模拟不同压下道次缩孔的焊合状态图可以看出，缩孔在轧制压力作用下，随压下量的增加，逐渐地由球形变成椭球形，并沿椭球的长轴方向延伸，直到最后被焊合。当轧后钢板的厚度同为130mm时，采用大压下、正常压下和轻压下时，缩孔的焊合情况截然不同。采用大压下时缩孔在第4道次被焊合，而采用轻压下时缩孔在第7道次被焊合，可见适当加大高温区的压下量有利于内部缺陷的焊合。,31/47,（4）冷却制度的控制水是“钢的最有效合金化添加剂”高度概括了加速冷却在钢材生产中的作用：加速冷却可提高相变驱动力、降低Ar3温度、使铁素体细化；促使强韧的低碳贝氏体形成并呈小岛状弥散分布，提高钢材强度；铁素体细化的同时珠光体也得到细化，珠光体片层间距减小，带状组织基本消失；在不降低强度的前提下，可减少钢中碳当量，有利于改善焊接性能。,2.3轧制工艺参数的控制,冷却速度对钢材力学性能的影响,32/47,冷却制度的控制主要包括冷却开始温度、冷却速度和冷却终了温度的合理控制：当奥氏体的有效晶界面积较大，即终轧温度较高，奥氏体晶粒比较粗大时，冷却速度过快，会使钢中的贝氏体含量显著增大，虽然强度指标会明显提高，但塑、韧性会相对降低。因此，应针对具体钢种和具体的力学性能要求将冷却速度控制在合理的范围；对微合金化的热轧钢板冷却终了温度的控制，应结合具体钢种，在充分把握不同终冷温度下，沉淀相的数量、大小和分布状态等对相关力学性能的影响规律后，精确控制终冷温度。,（4）冷却制度的控制,冷却速度对0.01C-1.5Mn-0.04Nb-0.09V钢组织的影响Sv奥氏体的有效晶界面积,2.3轧制工艺参数的控制,33/47,各种机械热处理工艺与传统工艺的对比TMR热机械轧制；LL处理（中间淬火）；R热轧；AC加速冷却CR控制轧制；N正火；DQ直接淬火；RQ再加热淬火；T回火,3.控制轧制技术的进展,34/47,3.控制轧制技术的进展,35/47,奥氏体状态：蓄积能量,奥氏体晶粒尺寸的大小；奥氏体内蓄积能量的高低；奥氏体内部缺陷的多少。,奥氏体状态控制：,奥氏体相变条件的控制：,通过控制开始冷却温度、冷却速度、冷却终止温度、冷却路径等，最终实现相变类型、相变产物形态的控制。,铁素体、珠光体相变,贝氏体相变,马氏体相变,铁素体、贝氏体相变,相变方向,3.控制轧制技术的进展,36/47,依据现代轧制过程特点（连续大变形、高应变速率、短间歇时间、低变形温度）和冷却过程特点（变形后短时间内立即进入冷却区，高冷却速率），从温度轴和时间轴两方面考虑，提出低碳超细晶粒钢的强化机制：利用轧制过程得到形变硬化的奥氏体，再通过快速冷却过程对形变奥氏体的相变进行有效控制，实现细晶强化和相变强化，可以得到综合性能满足工业应用的超细晶粒钢。,3.1高性能钢板的研究开发,超细晶粒钢,37/47,双相钢（DP钢）,双相钢的显微组织是软相铁素体和（体积分数依赖于强度）的硬相（通常是马氏体）组成；软的铁素体相通常是连续的，赋予该钢优良的塑性。当它变形时，变形是集中在低强度的铁素体相，因而这种钢显示出很高的加工硬化率。,JSTP，1038，F4,DP钢与HSLA钢的力学性能比较,3.1高性能钢板的研究开发,38/47,连续的铁素体基体；分散的硬质第二相：马氏体和（或）贝氏体该钢还含有残余奥氏体，体积分数大于5；典型：50铁素体，35贝氏体，15奥氏体。化学成分：C：0.10.4%,Mn：1.02.0%，Si：1.02.0%，Cr,Nb,Mo,.微量,JSTP，1038，F4,相变诱发塑性效应：是指钢中稳定存在的残余奥氏体在变形过程中向马氏体转变时发生了相变强化，同时使塑性提高。,相变诱发塑性钢（TRIP钢）,3.1高性能钢板的研究开发,39/47,TRIP钢板与其它高强钢板的力学性能比较,3.1高性能钢板的研究开发,DP钢变形时，分散在软相中的硬相会引起高的加工硬化速率；TRIP钢变形时残余奥氏体发生马氏体相变，进一步提高了高应变时的硬化速率。TRIP在低变形量时，其硬化速率低于DP钢，但是这种硬化速率将持续到高应变阶段，而DP钢的硬化速率在高应变阶段变化不显著。,40/47,UFC系统的设置与冷却制度,3.2超快速冷却技术的工业应用,41/47,蒂森克虏伯热带轧机的超快速冷却,3.2超快速冷却技术的工