《控轧控冷讲座》word版.doc

绪论控制轧制是在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，以获得细小品粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。控制冷却。是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。加热制度：加热温度，加热速度变形制度：各道次压下分配，变形间隔时间，变形速度等温度制度：开轧温度，各道次变形温度，终轧温度，快冷温度，快冷速度，卷取温度。提高性能的主要手段：细化晶粒。快冷作用：改善组织结构，抑制晶粒长大。1 钢的奥氏体形变与再结晶重点：1) 热变形过程中各阶段的特征2) 变形量与热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为特征的关系难点：细化动态再结晶晶粒尺寸与促使动态再结晶进行的矛盾1.1. 热变形过程中的奥氏体再结晶行为（动态再结晶）1.1.1. 热变形各阶段的特征热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、再结晶软化过程的矛盾统一，如果钢在常温附近变形(冷加工)，随着变形量的增加钢的变形抗力增大。从微观的观点看，随着变形量的增加位错密度增大。这时异号位错合并以及由于位借的再排列引起的加工软化数量很少，因此变形应力不断增大。在高温奥氏体区变形的钢，随着变形量的增大加工硬化过程和高温动态软化过程(动态回复和动态再结晶)同时进行，根据这两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。图1-1表示了奥氏体热加工时的真应力真应变曲线及其组织结构变化示意图，该真应力真应变曲线由几个子阶段组成：图 11 奥氏体热加工真应力-真应变曲线与材料结构变化示意图阶段应力变化动态再结晶情况位错变化宏观效果组织1不断增加但增加速率变小发生动态回复，未发生动态再结晶密度不断增加，但增加速度变小，位错发生交滑移和攀移，动态多边形化加工硬化晶粒不断拉长2先增到直到最大值发生部分动态再结晶位错大量消失，但增加的速度仍大于消失的速度加工硬化速度大于加工软化大部分晶粒被拉长，开始产生细小的再结晶晶粒3减小发生部分动态再结晶位错大量消失，且消失速度大于增加速度加工硬化速度小于软化速度小部分晶粒被拉长，大量细小的再结晶晶粒产生4近似不变发生连续的完全动态再结晶位错大量消失，消失速度等于增加速度加工硬化与软化速度相等所有晶粒最终都变成细小的再结晶晶粒增加与减少交替，波浪式发生间断的完全动态再结晶位错大量消失，在一个周期内消失速度等于增加速度在一个周期内加工硬化与软化速度相等所有晶粒最终都变成细小的再结晶晶粒表格 11热变形各阶段的特征值得注意的是第三阶段。当第一轮动态再结晶完成以后，在真应力奥应变曲线上将出现两种情况：一种情况是应力达到稳定值，变形虽然不断增加而应力基本不变，呈稳态变形。这种情况称为连续动态再结晶；另一种情况是应力出现波浪式变化，呈非稳态变形。这种情况称为间断动态再结晶。图 12 发生动态再结晶的两种真应力真应变曲线1.1.2. 动态再结晶发生的条件动态再结晶只能在一定条件下才能发生。我们用Z因子来讨论其发生的条件。当z一定，随着加工程度的增大，材料组织发生由动态回复部分动态再结晶完全动态再结晶的变化。反之，当加工程度一定时，随着Z的变大，材料组织发生由完全动态再结晶一部分动态再结晶一动态回复的变化。也就是说一定时在某一Z值以上将得不到动态再结晶组织，这个Z值就为Z的上临界值ZC。应该指出，ZC值是随加工程度而变的，愈大ZC愈大，即在较大的ZC值下也能产生动态再结晶。因此动态再结晶能否发生，是由Z和来决定。总结如下：1） 应变大小的影响： Z 一定，则，再结晶。2） Z值的影响：一定，则 Z ，再结晶。3） 化学成分：合金元素阻止再结晶的发生。4） 原始晶粒大小： D0 ,则再结晶。 需要注意的是这个几个因素其实都可以总结为凡有助于增加畸变能的因素将促进再结晶的发生，这是因为再结晶的动力来源就是畸变能。讲解课本图 2-7 ，2-81.1.3. 影响动态再结晶晶粒大小的因素及组织特点动态再结晶是一个混晶组织。其平均晶粒尺寸D只由加工条件Z来决定，Z和D之间关系符合， 其中Z为Zener-Hollomon因子：其中A，m为常数，因此动态再结晶晶粒大小的影响因素为 Z，与， 与D0 无关。因而动态再结晶晶粒细化的唯一条件是提高Z值。然而动态再结晶的发生又必须使Z值小于Zc值，那么要得到细小的晶粒就必须尽可能提高Zc，而Zc是与、Do有关的。变大Zc变大，Do变小Zc变大。因而、Do变化，在同一变形温度、变形速度下(即Z值不变)所得到的D是相同的，但是、Do的变化可使发生动态再结晶的上临界值Zc上升，因而有可能采用大的Z值仍能发生动态再结晶，并得到小的D值。要使 D ，须使 Z ，同时要满足Z ZC。因此细化动态再结晶的途径为：， D0 。 动态再结晶的组织特点：1） 具有一定的加工硬化，比静态再结晶晶粒的强度大；312） 位错密度大，转变后有助于提高韧性1.1.4. 实际生产中可考虑的途径1） 在设备允许的前提下降低加热温度，可以使初始晶粒减小；2） 在设备允许的前提下增大压下。1.2. 热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为发生的冶金学行为有：1） 静态回复2） 静态再结晶3） 亚动态再结晶（动态再结晶晶粒的生长）1.2.1. 热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为特征范围静态回复亚动态再结晶静态再结晶最终组织特点(a)发生，不需要潜伏期，软化30%， 无无产生加工硬化，仍具有较大的位错密度发生，不需要潜伏期，软化45%无发生，需潜伏期，软化100%加工硬化被完全消除，具有小的位错密度发生，不需要潜伏期，软化45%发生，不需潜伏期发生，需潜伏期，加工硬化被完全消除，具有小的位错密度 0.8p： 当=0.1 eff=0 X1273=3.87E32 当T1273=400 000 当TNbV，当存在AL时影响效果。3.2.2. 抑制奥氏体再结晶影响参量：临界变形量，再结晶温度，再结晶速度及再结晶的晶粒大小。影响机理（奥氏体中合金元素的存在形式及贡献）：1) 加热时未溶解的大颗粒Nb(CN)：对阻止再结晶无贡献2) 固溶在奥氏体中的Nb：在高温阶段（1000），主要靠固溶的Nb阻止再结晶，但其效果较析出物较小。3) 溶解后在变形过程中又析出的Nb(CN)：在低温阶段对再结晶的抑制作用相当明显。3.2.2.1. 对动态再结晶临界变形量的影响机理：微合金元素原子固溶阻塞及拖拽；碳氮化物的钉扎作用。效果：阻碍动态再结晶的发生，增大临界变形量。3.2.2.2. 对再结晶数量的影响减小再结晶数量3.2.2.3. 对再结晶速度的影响在高温时：合金元素对再结晶影响不显著，原因是此时合金元素未析出或析出很少；在低温时：合金元素显著阻止或推迟再结晶，原因是合金元素大量析出。3.2.2.4. 对静态再结晶临界变形量的影响使静态开始和全部完成所需的变形量增大（在一定的时间内）。3.2.2.5. 对再结晶晶粒大小的影响在与普通钢相同的工艺条件下，合金钢的奥氏体晶粒要小。3.2.3. 细化铁素体晶粒合金元素细化铁素体晶粒的原理：1) 阻止奥氏体晶粒长大，相变后的铁素体晶粒也变小；2) 阻止奥氏体晶粒再结晶，提高累积残余应变，增加有效晶界面积，提高相变形核率，细化铁素体晶粒。3) 随合金元素含量的增大，细化铁素体晶粒的作用也增大，但有饱和值。3.2.4. 影响钢的强韧性能影响钢的强韧性能的因素：1) 晶粒大小：有助于提高强度和塑性；2) 沉淀：使强度提高，塑性变小（沉淀破坏了晶体的连续性）；3) 位错密度：使强度提高，塑性变小（晶体变形的协调性变差）。讲解图4-22Nb：细化晶粒显著，沉淀强化中等，具有较好的强韧化效果；Ti：细化晶粒中等，沉淀强化显著，有助于提高强度，但塑性比Nb的效果差；V：细化晶粒弱，沉淀强化中等，常与Nb搭配使用。各种合金元素之间的综合作用：图4-24。4. 钢的强化和韧化4.1. 钢的强化机制强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下所能承受的应力来表示。最重要的指标就是屈服强度。理想晶体的强度是很大的，实际晶体的强度是随着缺陷的增加而增强。通过金属学和塑加金属学的学习，屈服过程实际上是金属晶体的滑移过程，而滑移是通过位错的运动进行，因此我们研究钢的强化机制主要从位错的数量、组态及跟其它缺陷的相互作用这几个方面进行解释。讲解图1-3金属学方面可应用的强化机制可有以下几种：点状缺陷：固溶原子和空位（固溶强化）线缺陷：位错以线状障碍物形式起作用（加工硬化）面缺陷：晶粒界作为面状的障碍物形式起作用（晶粒细化）；体缺陷：空间障碍物形式起作用。(沉淀强化)4.1.1. 固溶强化定义：采用添加溶质元素使液体强度提高的现象称为固溶强化。强化机理：运动的位错与异质原子之间相互作用的结果。强化规律：1) 溶质原子溶解量增加，强度增加；2) 溶质元素的饱和溶解度越小强化效果越好；3) 形成间隙固溶体的溶质元素（C、N、B）强化作用大于形成置换式固溶体的溶质元素(Mn、Si、P)；4) 溶质与基体的原子差别越大，强化效果越明显。表1-1：C的强化效果最好，当C过饱和时其效果更明显，这是因为生成了Fe3C强化相。4.1.2. 位错强化定义：由于变形使位错增加从而产生的强化叫位错强化。机理：位错的增加使得位错相互作用加强，出现交截等现象，变形时位错的积塞更加严重，这都使得使晶体产生滑移所需要的外力增加，从宏观上来看，也就是钢材的强度增加了。位错的增加值与强度的增加有如下关系：其中为强度增加值，B是一个数量级为1的无量纲数；b是柏氏矢量；G是抗剪模数；是位错密度。4.1.3. 沉淀强化定义：合金元素在轧制或冷却时以C、N化物的形式析出造成的强化叫沉淀强化。机理：位错与析出物颗粒之间的相互作用：绕过和剪切。强化规律：1) 强化效果与质点的平均直径近似成反比，与体积百分数的平方根成正比，质点间距最佳值20-50个原子间距，体积数的最佳值在2%左右；2) 沉淀颗粒分布在整个基体上比晶界沉淀的效果好（变形可以产生变形带和亚晶，有利于在晶粒内部产生沉淀）；3) 球状颗粒比片状颗粒效果要好；4.1.4. 晶界强化实际钢材都为多晶体，多晶体的塑性变形跟单晶的不同，前者要克服的阻力还有晶界的阻力。这是最主要的强化方式，也是控制轧制中要追求的。优点：提高强度的同时，提高了塑性。晶粒的减小除了可以增加强度，对塑性的提高也是很显著的。这是因为多晶体的滑移需要多个晶体进行协调，晶粒小使得位错的滑移更易于扩展到附近的晶粒，变形的传递更加容易，从而避免部分晶粒承受过大的应力而产生裂纹。Hall-Petch公式其中，是常数，相当于单晶体的屈服强度。K1为常数，对于铁素体不同的研究者测得的数据有所差别，在20N/mm2左右。4.1.5. 亚晶强化定义：低温加工的材料因动态、静态回复形成亚晶，从而使材料强化叫做亚晶强化。机理：亚晶位错密度大，位向差大易阻止位错运动。规律：亚晶尺寸小，数量多时对强化有显著作用。类似于Hall-Petch的公式：，其中D为没有亚晶的等轴铁素体晶粒尺寸；d是铁素体亚晶的尺寸；是等轴铁素体的分数。4.1.6. 相变强化4.2. 材料的韧性4.2.1. 材料韧性定义及其表示定义：韧性是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现。影响韧性的因素：1) 负荷的方式；2) 加载速度；3) 温度；4) 应力集中程度。4.2.2. 提高钢材韧性的途径4.2.3. 强化机制对韧性的影响5. 钢材控制冷却理论基础重点：1) 控制冷却各阶段的目的和冷却方式的选择2) 轧后快冷的强韧化机制5.1. 钢材水冷过程中的物理现象5.1.1. 水冷时的沸腾换热现象大容器沸腾：高温物体浸在具有自由表面的液体中发生的沸腾称为大容器沸腾。饱和沸腾：被冷却物的表面温度高于液体的饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。过热度：T=Tw-Ts，Tw为被冷却物表面温度，Ts为液体温度。随过热度的增大，饱和沸腾换热规律：区域现象换热规律自然对流： T4。核态沸腾：开始产生气泡，气泡合并成气块和气柱，气泡扰动剧烈， 换热系数和热流密度急剧增大，温压小，换热强过度沸腾气泡会聚在热表面上蒸汽排除困难热流密度减小，换热能力弱稳定膜态沸腾：形成稳定蒸汽膜层，蒸汽有规律的排离热表面热流密度再次增大，换热能力强5.1.2. 相变热释放现象相变热的释放将可能使钢的温度上升，同时给温降模拟增加困难。5.2. 对流换热系数及其确定方法对流换热包含流体分子微观导热作用，又具有流体宏观位移的热对流作用，通常用下列牛顿冷却公式表示：其中：为对流换热系数（W/m2），表征单位面积上温差为1时交换的热量；A为换热表面积，t为被冷却物表面与流体的温度差。5.3. 控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择冷却阶段温度范围要求目的一次冷却终轧温度到Ar3开始温度应尽可能接近终轧温度，冷却速度要大。组织奥氏体晶粒长大，阻止碳化物析出，固定位错，降低相变温度。二次冷却相变开始温度到相变结束温度根据不同的转变产物要求不同的冷却速度，一般要求大的冷却速度控制冷却速度和终冷温度，以得到预定的相变产物和组织三次冷却相变后到室温范围内快速冷却有意义阻止铁素体晶粒长大；阻止碳化物析出，固溶强化。表 3控制冷却各阶段的要求和目的冷却方法：冷却方法水流方式和冷却能力应用场合喷水冷却水流连续，呈紊流状态，穿透性好，喷溅严重。=501000kal/m2.h.中厚板轧后冷却，钢板淬火喷射冷却需施加大压力，流速快，成液滴群，冷却调节范围窄，=10010000kal/m2.h.各种用途的喷嘴雾化冷却雾化水和高压气体同时喷出。系统复杂，噪音大，车间雾气大，但冷却调节能力宽为了提高冷却能力加速水滴；控制冷却能力，使水滴雾化，不给予太大的动能层流冷却出口速度低，形成平滑的喷射喷流，冷却能力强，主要用在钢板生产中浸水冷却直接浸入水中冷却能力难以控制，冷却不均匀，从而引起组织不均匀管内流水冷却水在管内和平行板间流动，钢材在其间通过进行冷却冷却均匀，用于线材，棒材冷却中5.4. 轧后快速冷却的强韧化机制轧后冷却控制的金属学参数：1) 相变后产物2) 铁素体晶粒大小3) 析出物的大小，数量，析出部位轧后冷却的强韧化就是通过影响这些参数进行的。5.4.1. 轧后快速冷却对钢材强度的影响影响因素：铁素体晶粒细化；珠光体片层间距见效；贝氏体量的大小；碳氮化物的析出。5.4.1.1. 轧后冷却速度的影响5.4.1.2. Nb,Ti含量的影响5.4.2. 轧后快速冷却对钢材韧性的影响5.4.2.1. 轧后冷却速度的影响5.4.2.2.