材料加工组织性能控制(第七、八章)

1、2021/2/61 7 7 中高碳钢控制轧制特点中高碳钢控制轧制特点 中高碳钢特点:（1）冷却后的组织发生变化: 铁素体和珠光体;全部为珠光体;珠光体和渗碳 体组织。 （2）决定钢材性能的因素发生变化:铁素体和 珠光体的比例、铁素体晶粒的大小、珠光体片层 粗细和球团大小以及渗碳体的形貌。 2021/2/62 7.1 中高碳钢奥氏体的再结晶行为 (1) 铌对中高碳钢奥氏体再结晶临界变形量的影响 在中碳钢中添加铌同样可以延迟奥氏体再结晶。 图7-1 0.43C,1.4Mn钢, 晶 粒再结晶行为 (1200C加热后轧 制1道次,原始晶粒度为1级) 图7-2 0.40%C,1.38Mn,0.023 N

2、b钢的晶粒再结晶行为 2021/2/63 图7-4 C量对Nb钢与不加Nb钢 临界压下率的影响 （2）碳对中高碳钢奥氏体再结晶临界变形量的 影响 不含铌钢: 加铌钢:随碳含量 临界压下量。 26. 2)/6770(lgTCNb 碳量的多少决定了Nb的固 溶量,碳量Nb的固溶量, 轧制时析出量,阻止再 结晶作用小。 2021/2/64 图7-5 轧制前加热温度对 0.4%C,1.38Mn,0.023Nb 钢临界压下率的影响效果 原因:固溶量增加 阻止奥氏体再结 晶作用加强。 2021/2/65 （2）铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶晶粒度的影响 图7-6 压下率、轧制温度对中碳钢（加Nb与不加Nb）

3、轧制后 再结晶晶粒度的影响 图中得到:1)压下率愈大、所得再结晶奥氏体晶粒愈细;2)轧 制温度对奥氏体晶粒尺寸的影响较小;3)在同一变形条件下, 加入铌的中碳钢比不加铌的中碳钢的再结晶晶粒细;4）碳含 量对再结晶晶粒度影响较小。 2021/2/66 图7-7 压下率对含Nb和不含Nb中高碳钢 轧制后再结晶晶粒度的影响 2021/2/67 7.2中高碳钢控制轧制钢材的组织状态 （1）常温组织以铁素体为主的钢材(Mn1.0%) 成分:0.42C,0.55Mn、0.032Ni 加热温度:1200C 普通轧制 :第一阶段压下率:50%,第二阶段压下率: 35,终轧温度:再结晶区下限（1050C1000

4、C) 2021/2/68 所得常温组织: 铁素体和珠光 体;所占面积:各 50%;铁素体晶 粒:8级。 图7-7-1 0.42%C-0.55%Mn- 0.023%Nb钢的常规轧制组织 （200） 2021/2/69 控制轧制工艺 : 第一阶段:压下率:50%,最后 一道温度:再结晶区下限（10501100C）; 第二阶段轧制:终轧温度:870C,压下率分别 为: 1)35%:铁素体晶粒比普通轧制时的铁素体晶粒 细小,珠光体变得粗大。原因: 2021/2/610 2)压下率为50%:部分再结晶区轧制,铁素体和 珠光体基本上都得到均匀细化。 3)压下率为75%:铁素体晶粒组织更细化、均 匀,晶粒度

5、达到1213级。 2021/2/611 中碳钢,如Mn1%,钢的主体为铁素体时,仍是 铁素体细化机理在起作用。控制轧制铁素体和 珠光体充分细化。 图7-7-2 0.42%C-0.55%Mn-0.023%Nb钢的控制轧制组织 (a)35%;(b)50%;(c)75% 2021/2/612 （2）常温组织以珠光体为主的钢材 0.43%C,1.40Mn钢: 普通热轧:所得到的组织:铁素体在即将转变的 奥氏体晶界上生成网状组织。 控制轧制(再结晶区中轧制):奥氏体再结晶晶粒 细化铁素体及珠光体组织都得到细化。随着变 形量的增加,细化程度增加。 2021/2/613 0.43%C,1.38%Mn、0.0

6、23%Nb钢:相同条件进行控 轧,存在的问题: 总结: 中碳钢（尤其加铌钢）低温轧制不利。最好 在奥氏体再结晶区进行充分的轧制尽量细化奥氏 体晶粒。 2021/2/614 （3）共析钢 共析钢控制轧制目的:珠光体团得到细化。 珠光体球团尺寸取决于晶粒尺寸,随着晶粒尺 寸,珠光体球团直径。 过共析钢控制轧制目的:珠光体球团变小,同时 亦使析出的网状碳化物变薄。要在奥氏体再结晶 区轧制,使奥氏体晶粒细小。 2021/2/615 7.3 中高碳钢的组织与力学性能的关系 (1) 中高碳钢组织对性能的影响 1)对强度的影响 重要因素:珠光体的片层间距。 式中0为纯铁素体强度,S、0.2为材料的 屈服强度

7、,I0为珠光体的片层间距,Ky为系数。 21 00 )41. 1/( IK ys 2021/2/616 各种强化因素对抗拉强度的影响: SiSfdNfMPa FFb 3 . 623. 07 .46)1 (18. 12 .7416150)( 2 1 0 312131 2021/2/617 2)对塑性的影响: 图7-10球状珠光体直径(dy)和断面收缩率关系 珠光体球直径愈细,断面收缩率愈大,珠光 体片层间距愈小延性愈好。 2021/2/618 碳化物体积和球化处理对的T影响 1-球化处理（粒状渗碳体）;2-正火 （片状渗碳体） 含碳量和球化处理对u的影响 1-球化处理（粒状渗碳体）;2-正火 （

8、片状渗碳体） 2021/2/619 3)对韧性的影响: 各强化因素对冲击值转变温度ITT的影响: )1043. 33 .133356 . 5)(1 ()5 .1146()( 6 2 1 2 1 0 2 1 0 tpSfdfCITT FF %)/(8 . 0CfD p 3 2 6 0 )12. 0.107 . 6 DS（ 最佳 珠光体碳分冲淡系数: 2021/2/620 （2）控制轧制中组织性能的变化 强度变化: 图7-12 碳含量对控制轧制材(CR) 与普通轧制材(HR)强度的影响 碳量0.2%0.3%: 含0.4%C以上: 含0.8%C以上的钢: 2021/2/621 强度降低原因: 1）珠

9、光体的片层间距及珠光体(领域)的大小与 奥氏体晶粒尺寸毫无关系。 图8-13 560C（833K）及600C（873K）铅浴淬火的珠 光体领域直径和层间距与晶粒度的关系 (a)珠光体领域直径和 晶粒度的关系;(b)珠光体片层间距与 晶粒度的关系 2021/2/622 2）温度愈低、 晶粒愈细,珠光体成核点愈 多。珠光体开始转变线和终了转变线发生变化。 珠光体相变曲线随化温度的 移动状况 珠光体生成温度和层间距的关系 2021/2/623 塑性、韧性的变化: 图7-12-1 碳含量对控制轧制材(CR) 与普通轧制材(HR)塑性、韧性的影响 碳量在0.2%0.8%范 围内,控制轧制的脆性 转化温度

10、低。断面收缩 率在0.20.8%C范围内, 控制轧制材高,延伸率 两者相差不大。对 0.4%C钢,控轧材略低, 对0.8C钢,控轧材略 高。 塑性决定于珠光体球团、片层间距两个因素的迭加。 2021/2/624 总结: 1)铁素体为主的钢,细化铁素体晶粒来提高强度 和韧性; 2)珠光体为主的钢,控制轧制使强度降低,韧性 提高。对此类钢必须采用再结晶型控轧。 3)对中高碳钢,轧后控制冷却,使珠光体在低温 度下产生,得到细片层珠光体,可提高强度和韧 性。 2021/2/625 8 8 控制轧制中的变形抗力控制轧制中的变形抗力 图8-1-1 影响变形抗力的各种参数之间的内在关系 2021/2/626

11、 8.1影响变形抗力的金属学因素 8.1.1合金元素的影响 图8-1 0.10C-0.25%Si-1.1.%Mn钢中微量合金元 素对其热变形强度的影响 2021/2/627 图8-2 微量合金对热变形强度的影响 微量元素Nb使变 形抗力明显增大。 这些元素是通过 抑制多道次轧制 时的道次间的软 化过程,来对变形 抗力产生强烈的 影响。 2021/2/628 2021/2/629 图8-3 1.10%Mn钢中碳含量对热强 度的影响 碳的影响: 氮的影响:不会引起热变 形抗力显著改变,但形成 的氮化铝或氮化钛等氮化 物的可引起 晶粒细化。 2021/2/630 图8.4 试样显示出最大 拉伸负荷时

12、的变形抗力 图8.5 变形率10%时钢中含碳量 对变形抗力的影响 加热温度:1150C;变形温 度:900C;应变速率:78 /s 2021/2/631 8.1.2 晶粒尺寸的影响 图8.6 0.09%C-0.22%Si-1.45%Mn 钢的原始晶粒尺寸对其热变形强度 的影响 加热温度:1150C;变形温度:900C; 应变速率:78 /s 图8.7 晶粒尺寸对变形应力 的影响 2021/2/632 图8.8 1150C加热,钢的 应力-应变曲线 图8.9 950C加热,钢的应 力-应变曲线 2021/2/633 8.1.3 变形条件的影响 (1)变形程度的影响 (8-1) n k 图8.10

13、 加热到1150C钢的屈 服应力和应变动力法则的关系 图8.11 加热到950C钢的屈 服应力和应变动力 2021/2/634 (2)变形温度的影响 变形抗力与变形温度的关系可用下式表示: （8-2） 式中 T:变形温度;A、 :常数 )/exp(TAk 2021/2/635 图8-12 碳钢的变形抗力-温度曲线 -0.15%钢,=20%;-0.25%钢;- 0.55%钢,=20% 2021/2/636 （3）变形速度的影响 变形抗力随变形速度的变化（变形速率较小）: (8-3) Km-平均变形抗力; 为平均变形速度, 、 为常数。 变形速度较大时（ ） (8-4) KKk pm lg m a

14、k p K K 184 1010 s 2021/2/637 （4）变形程度、变形温度和变形速度的综 合影响 Tk B mn eAk 2021/2/638 （5）变形抗力与Z的关系 随着Z值的增加,变形抗 力增加。同一Z值下,变 形程度增大,变形抗力也 随着增大。 2021/2/639 8.2 形变热对变形抗力的影响 升温量在绝热条件下: 式中 Km一变形抗力; 一相对变形量; j一热工当量; c一比热; 一钢材密度。 变形抗力越大、压下率越大,温度上升就越高。 加工升温的结果就可能使组织发生变化。 jcK m / 2021/2/640 8.3 轧制道次间变形抗力的变化 图8-22 0.08%C

15、-0.22%Si-1.54%Mn-0.03%Nb钢在多道 次压缩试验中的应力-应变曲线（原始晶粒直径53m） 2021/2/641 图8-23 Si-Mn钢进行三段变 形实验时的待温时间、变形 温度对软化度的影响 图8-24 含0.03%Nb钢的待温 时间、变形温度对软化度的影 响 2021/2/642 图8-25 Si-Mn钢和含0.03%Nb钢预应变 对软化度的影响 不含Nb钢: 含Nb钢: 2021/2/643 8.4 考虑变形累积效果时的变形抗力计算 这个方法的基本思路是:利用以变形量、变 形速度和变形温度为函数的变形抗力公式为基 础,用考虑了累积残留变形的有效变形项代替原 变形抗力公

16、式中的变形量项,求出考虑变形累积 效果时的变形抗力。 2021/2/644 以厚板轧机上控制轧制所产生的累积效果为例。 当i道次上的压下变形为i时,至i道次时的残留累积变 形为i,i道的有效变形i则为: （8-5） 其残余变形系数i则为: (8-6) 值应在01间变化,是成分和轧制条件的函数 。当 =1在道次之间就完全没有回复( )。当=0时就 完全软化( )。i道次上的有效变形的一般表达式可 用下式表示: iii )/(/ 111 iiiiii 0 i 1 ii )()()()( 321432121iiiiiiiii 2021/2/645 图8-27 变形温度、变形间隔时间对残 留变形系数的影响 压缩变形间隙时 间:1s到20s。结果 表明:铌钢在 1000以上变形 几乎为零,750变 形几乎等于1。实 际厚板精轧机上的 轧制间隙时间是 613s的范围。 在这个范围内对 轧制间隙时间的依 赖关系是