（材料加工工程专业论文）500mpa级细晶粒热轧盘圆钢的开发.pdf

， 、一 厂 密级 位论 f iifilllllijji f l l l l l l lillli llilllflllvmu y 18 4 4 5 9 7 文 晶粒热轧盘圆钢的开发 指导教师：割相堡教授 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室( 东北大学) 赵箜塞教授 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室( 东北大学) 申请学位级别：蝗学科类别：王兰 学科专业名称：挞料加工工程 论文提交日期：2 q q 墨生旦2 q 旦论文答辩日期：2 q q 墨生q 鱼旦至窆旦 学位授予日期：，答辩委员会席：温景林教授 评阅人： 东北大学 2 0 0 8 年0 6 月 杉 - 。+ ， l ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n g e n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n to f5 0 0 m p ag r a d eh o t r o l l e d rt w i r er o do ff i n eg r a i n s b y x i ey i n a i i e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l i ux i a n g h u a p r o f e s s o rz h a od e w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 、 独创性声明 论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本 的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 并表示谢意。 学位论文作者签名：渌英藩、 日 期：如口扩秒7 护7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年0 学位论文作者签名：谛荚壬。 签字日期：2 种口7 口7 导师签名：驯 签字日期如8 哥7 碉护臼 5 0 0 m p a 级细晶粒热轧盘圆钢的开发 摘要 本文结合国家高技术研究发展计划( 十五8 6 3 ) 课题“5 0 0 m p a 碳素钢先进工业 化制造技术”和国家自然科学基金项目“成形功率泛函积分线性化及在金属加工 中应用研究 ，对普通c m n 成分开发h r b f 5 0 0 盘圆钢在控轧控冷工艺过程中组 织演变规律和力学性能的变化进行了研究，并据此进行了工业试验。论文的主要 内容包括： ( 1 ) 盘圆钢轧后各冷却区温度演变及返红现象的研究 以盘圆钢的实际轧后冷却过程为计算条件，考虑了辐射、强制对流、自然对 流等热损失过程，利用a n y s y s 软件建立了盘圆钢断面的瞬态温度场模型，研究 了从精轧机组出口到斯太尔摩强制风冷区的整个控冷区盘圆钢横断面温度、返红 现象随时间的变化规律，为定性分析轧后控制冷却过程的显微组织演变及力学性 能的变化奠定基础。 ( 2 ) 精轧机组轧件的变形及温升研究 为了计算高速线材精轧过程的非均匀变形，分析了等效矩形法的基本原理， 据此提出了一种不需要进行等效矩形转换而直接求解椭圆一圆孔型系统等效应变 的新方法，称其为相交面积法( o v e r l a p p i n ga r e am e t h o d ) ，简称o a 法。 根据相交面积和孔型入口面积的比值，确定了高速线材精轧机组椭圆一圆孔 型系统的宽展类型、等效应变的范围；为检验o a 的有效性，利用o a 法求解了 精轧机组的温升。计算温升与实测结果符合较好，相对误差小于1 0 。利用温升 计算结果分析了精轧入口温度、出口速度对整个机组累积总温升的影响，结果表 明：总温升随出口速度降低而降低，但当降速1 0 轧制时，这种降低效果并不显 著；总温升随入口温度降低而近似线性地升高。 ( 3 ) 试验钢室温拉伸性能及变形特性 对于几种试验钢单轴拉伸下的变形特性进行了对比和分析。结果表明，在均 匀变形阶段，不同屈服形式试验钢具有相似的加工硬化特性；而在低应变区，不 同屈服形式试验钢的加工硬化性质差异很显著。从屈服现象的物理本质出发，对 于试验钢出现无明显屈服同时变形特性与双相钢相类似的现象，综合运用多晶增 殖模型、位错增殖理论、残余应力理论等给出了较全面地解释。根据理论分析结 i叫舅 奎! 垒叁兰量茎堡垒圭垫羹 果，提出了消除试验钢无明显屈服点现象的措旋。 ( 4 ) h r b f 5 0 0 试验钢的工艺模拟与设备校核 以普通c m n 为研究对象，采用单道次压缩实验辅以显微组织观察，模拟分 析了轧后冷却工艺过程，研究了m n 含量和冷却速度对相变过程、组织形貌等的 影响。利用成形功率泛函线性化方法对控温轧制时粗轧机组的设备能力进行了校 核。结果表明，3 # 粗轧机轧辊强度及电机负荷均处于安全范围内。 ( 5 ) 开发h r b f 5 0 0 盘圆钢的工业试验 基于热模拟实验和温度场的模拟结果，通过对化学成分、轧制温度、冷却参 数等的调整，确定了t m c p 工艺中各参数的范围。对2 0 m n s i 成分采取提c 降 m n 调整后，生产出满足国标要求的h r b f 5 0 0 盘圆钢。 关键词：c m n 钢，细晶粒，屈服强度，温度场，返红现象，温升，变形特性 。，工。 d e v e l o p m e n to f50 0 m p a g r a d e h o tr o l l e d w i r er o do ff i n eg r a i n s a bs t r a c t t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nw a sc a r r i e do u ti n t e g r a t i n gw i t ht h e8 6 3p r o j e c to f t h ea d v a n c e di n d u s t r i a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo f5 0 0 m p ac a r b o ns t e e l a n dt h e r e s e a r c ho nf u n c t i o n a ll i n e a r i z a t i o no fd e f o r m a t i o np o w e ra n di t sa p p l i c a t i o ni n m e t a lf o r m i n g w h i c hs p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp l a i nc m nt e s t e ds t e e l d u r i n gc o n t r o l l e dr o l l i n g a n dc o n t r o l l e dc o o l i n gw e r ei n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ， i n d u s t r i a lt r i a l st od e v e l o ph r b f 5 0 0w i r er o dw e r ec a r r i e do u t t h em a i nw o r k sa r e s h o w na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t e m p e r a t u r ee v o l u t i o na n dr e h e a t i n gb e h a v i o ro fh o tr o l l e dw i r er o di nt h e c o n t r o l l e dc o o l i n gz o n e s t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fh o tr o l l e dw i r er o dw a sd e v e l o p e db y a n sy ss o f t w a r et oc a l c u l a t et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h ew o r k p i e c ef r o me x i t o ft h ef i n i s h i n gm i l lt os t e l m o rf a n sc o o l i n gz o n e t h ee f f e c t st a k e ni n t oa c c o u n tw e r e r a d i a t i o n ，f o r c e dc o n v e c t i o na n dn a t u r a lc o o l i n g t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dr e h e a t i n g b e h a v i o ro ft h ew o r k p i e c ew i t ht i m ed u r i n gc o n t r o l l e dc o o l i n gw e r ea n a l y z e d ，w h i c h p r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h eq u a l i t a t i v ep r e d i c t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，( 2 ) d e f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ej u m po f t h ew o r k p i e c ei nt h ef i n i s h i n gm i l l i no r d e rt oc a l c u l a t et h ei n h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o no fh o tr o l l e dw i r er o d ，a n e wa n a l y t i cm e t h o dc a l l e do a ( o v e r l a p p i n ga r e a ) m e t h o dt os o l v et h ee f f e c t i v e s t r a i nw i t h o u tu s i n gr e c t a n g u l a rs e c t i o n sc o n v e r s i o ni st h e r e f o r ep r o p o s e do nb a s i so f t h ep r i n c i p l eo ft h ee q u i v a l e n tr e c t a n g u l a ra p p r o x i m a t i o nm e t h o d t h es p r e a dt y p e s a n dt h er a n g eo fe f f e c t i v es t r a i ni no v a l - r o u n dp a s s e sw e r ed e t e r m i n e db yap a r a m e t e r w h i c hi st h er a t i oo fo v e r l a p p i n ga r e at ot h ee n t r ya r e af o rag i v e np a s s t 0v a l i d a t e t h eo am e t h o d ，i tw a su s e dt oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ej u m pd u r i n gf i n i s hr o l l i n go f 痧6 5 m mw i r e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec a l c u l a t e dv a l u e so fa c c u m u l a t i v e t e m p e r a t u r ej u m pi s i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e do n e sa st h em a x i m u m - r 争i 一 r e l a t i v ee l t o ri sn om o r et h a n10 t h ee f f e c to ft h ee n t r yt e m p e r a t u r e0 a n df i n i s h i n g e x i ts p e e d1 ，o nt h et o t a lt e m p e r a t u r ej u m pa 0w a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta 0 s l i g h t l yd e c r e a s e sw i t hl o w e r i n gt h es p e e db y10 ，b u ti ta l m o s ti n c r e a s e sl i n e a r l y w i t hd e c r e a s i n g0 ( 3 ) r o o mt e n s i l ep r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o u ro ft e s t e ds t e e l t h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fs e v e r a lt e s t e ds t e e l s i nu n i a x i a lt e n s i o nw e r e c o m p a r e di n c l u d i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w o r k h a r d e n i n g c o e f f i c i e n t ， w o r k - h a r d e n i n gi n d e x ，w o r k - h a r d e n i n gr a t ea n dt r u es t r a i n t h er e s u l t sr e v e a lt h a ti n u n i f o r md e f o r m a t i o ns t a g et h ed i f f e r e n ty i e l ds t y l et e s t e ds t e e l sp o s s e s st h es i m i l a r s t r a i nh a r d e n i n gc h a r a c t e r is t i c s ，a n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sh a v ea no b v i o u sd i f f e r e n c e i ns m a l ls t r a i ns t a g e f r o mp h y s i c a le s s e n c eo fy i e l dp h e n o m e n o n ，t h er e a s o no fn o y i e l dp o i n tw i t ha b n o r m a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss i m i l a rt od u a lp h a s es t e e lf o rt e s t e d s t e e lw a sa n a l y z e dw i t ht h ee o l l i g a t i o no fs e v e r a lt h e o r i e si n c l u d i n gd i s l o c a t i o n m u l t i p l y i n g ，r e s i d u a ls t r e s st h e o r y ，t h em u l t i p l i c a t i o ny i e l dm o d e lo fp o l y c r y s t a l l i n e m e t a l ，a n ds oo n t h e n ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d ( 4 ) p r o c e s ss i m u l a t i o na n dc a p a c i t yo fr o l l i n gm i l lc h e c k t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nf o rp l a i nc - m ns t e e li nc o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s s w a si n v e s t i g a t e du s i n gs i n g l ep a s sc o m p r e s s i o nt e s ta n dm e t a l l o g r a p h i ea n a l y s i s m o r e o v e re f f e c tr u l eo fc o o l i n gr a t ea n dm nc o n t e n to nm i c r o s t r u c t u r ew a so b t a i n e d t h ec a p a c i t yo fr o u g h i n gm i l lw a sc h e c k e dd u r i n gc o n t r o l l e dr o l l i n gb yt h ef u n c t i o n a l l i n e a r i z a t i o no fd e f o r m a t i o np o w e rm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h er o l ls t r e n g t ha n d e l e c t r i ce n g i n el o a do fn o 3r o u g h i n gm i l la r ew i t h i nt h ep e r m i s s i v er a n g e ( 5 ) i n d u s t r i a lt r i a l st od e v e l o pt h eh r b f 5 0 0w i r er o d i n d u s t r i a lt r i a l sw e r ec a r r i e do u to nh i g hs p e e dw i r em i l lb a s e do nt h er e s u l t so f t h e r m a l - m e c h a n i c a ls i m u l a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s t h ep r o c e s sr o u t i n e w a sd e t e r m i n e db ya d j u s t i n gc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，r o l l i n gt e m p e r a t u r ea n dc o o l i n g p a r a m e t e ri no r d e rt oi m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a f t e rd e c r e a s i n gm nc o n t e n t a n di n c r e a s i n gcc o n t e n t ，h r b f 5 0 0w i r er o dw a ss u c c e s s f u l l yp r o d u c e d k e yw o r d s ： c - m ns t e e l ，f i n eg r a i n ，y i e l ds t r e n g t h ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，r e h e a t i n g b e h a v i o r , t e m p e r a t u r ej u m p ，d e f o r m a t i o nb e h a v i o r v 。了 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 弓f 言1 1 2 国内外研究的现状2 1 2 i 钢筋成分与生产工艺2 1 2 2 超细晶粒钢的发展概况3 1 2 3 晶粒细化方法4 1 2 4 目前晶粒细化存在的问题7 1 3 盘圆钢的控制轧制与控制冷却技术8 1 3 1 控制轧制和控制冷却技术8 1 3 2 盘圆钢的控温轧制1 0 1 3 3 控温轧制与组织细化11 1 3 4 盘圆钢的控制冷却1 3 1 4 细晶粒钢筋的性能及特点1 5 1 4 1 细晶粒钢筋的概念1 5 1 4 2 细晶粒钢筋的性能指标1 5 1 4 3h r b f 5 0 0 钢筋开发存在的问题1 6 1 5 研究的目的及内容1 7 第2 章盘圆钢轧后温度场的模拟1 9 2 1 传热机理分析及传热系数的确定2 0 2 1 1 空冷2 0 2 1 2 快速水冷2 1 2 1 3 恢复区j 2 3 2 1 4 喷雾冷却2 3 2 1 5 强制风冷2 3 2 1 6 热物性参数的确定2 4 2 2 温度场数学模型的建立2 5 j ，：f!：1 壅! 叁耋蕉堂丝丝圭 垦垂 2 2 1 水冷区初始条件和边界条件2 5 2 2 2 风冷线初始条件和边界条件2 6 2 3 盘圆钢轧后温度场的计算一2 6 2 3 1 工艺条件2 6 2 3 2 温度场模拟结果2 8 2 4 返红现象规律的研究与分析3 3 2 4 1 返红现象产生的原因：3 3 2 4 2 返红现象的影响因素3 4 2 4 3 各冷却段的返红现象3 8 2 5 小结4 3 第3 章精轧机组轧件的变形及温升4 4 3 1 相交面积法的提出4 5 3 1 1 线材精轧的变形特点4 5 3 1 2 等效矩形法的实质：4 6 3 1 3o a 法的原理。4 7 3 1 4o a 法与宽展的类型4 8 3 2o a 法数学模型的建立：一5 0 3 2 1 轧件表面形状及断面面积。5 0 3 2 2 确定相交面积51 3 2 3o a 法与其它解析法的比较5 2 3 3o a 法在精轧温升的应用5 3 3 3 1 等效应变的计算5 4 3 3 2 等效应变速率的计算5 4 3 3 3 温升计算5 5 3 3 4 精轧温升的影响因素5 6 3 4 小结5 8 第4 章试验钢单轴拉伸下的变形特性：5 9 4 1 加工硬化。6 0 4 1 1 加工硬化指数6 0 4 1 2 加工硬化系数一6 3 4 1 3 加工硬化率6 6 壅! 叁耋缍堂丝坌塞旦垂 4 2 试验钢的连续过渡屈服6 7 4 2 1 产生原因。6 7 4 2 2 连续过渡屈服钢筋的使用性能7 0 4 2 3 连续过渡屈服现象的消除7 l 4 3 小结7 2 第5 章试验钢的工艺模拟与设备校核。7 4 5 1 试验钢的成分设计7 4 5 1 1 强韧化机制j ：7 4 。 5 1 2 成分设计7 7j 5 2 工艺模拟：7 8 5 2 1 实验材料7 8 5 2 2 相交温度7 9 5 2 3 实验方案一8 0 5 2 4 实验结果与讨论8 1 5 3 粗轧设备能力校核8 5 5 3 1 塑性功率泛函的线性化与轧制力矩8 6 5 3 2 设备校核。8 9 5 4 小结：9 3 第6 章h r b f 5 0 0 盘圆钢的工业试验9 4 6 1 工业试验条件9 4 6 2 设备能力及工艺参数的初步检验9 5 6 2 1 试验钢的化学成分与工艺9 5 。 6 2 2 力学性能检验结果9 6 6 2 3 试验钢的显微组织9 7 6 2 4 试验分析与总结10 0 r 6 3 工艺参数的调整与优化1 0 1 6 3 、化学成分调整1 0 1 6 3 2 工艺参数调整1 0 1 6 3 3 力学性能检验结果1 0 2 6 3 4 显微组织分析1 0 4 6 3 5 试验分析与总结一1 0 6 6 4h r b f s 0 0 盘圆钢的工业轧制_ 1 0 7 6 4 1 工艺措施及试验结果1 0 7 6 4 2 试验分析与总结1 0 9 6 5 小结10 9 第7 章结论1 10 参考文献1 1 2 致谢1 2 0 攻读学位期间发表的论文。1 2 1 作者简介12 2 一 ，11 - 抑 1 1 引言 第1 章绪论 作为钢筋混凝土建筑结构的主要增强材料一热轧带肋钢筋，它广泛应用于从 民用建筑到长江三峡等各类工程建设【l 】。近年来，钢筋的生产与消费量增长很快。 从1 9 9 9 年到2 0 0 7 年的9 年间，钢筋的生产与消费量增加了三倍多，据粗略统计， 2 0 0 7 年我国钢筋实际产量已达1 亿t 左右，约占我国钢材总产量2 0 。其中，利 用高速线材轧机生产的直径小于1 2 m m 的小规格盘圆螺纹钢筋，约占钢筋使用量 2 0 一- 2 5 ，主要用作板、墙类构件的受力钢筋及梁、柱构件中的箍筋，也大量 用作架立筋、分布筋、构造筋。从目前至2 0 2 0 年，我国城镇化将进入全面加速发 展阶段，城镇化需要钢筋作为重要的支撑之一，而住宅成为建筑市场的主体之后， 细钢筋的用量还将大幅度上升【2 】。 随着我国经济持续高速发展和城镇化水平不断提高，能源与经济社会发展的 矛盾日趋明显，要实现可持续发展，必须提高能源利用效率，走节约型发展道路。 在国家发改委于2 0 0 5 年公布的钢铁产业政策中，要求钢铁工业加快产品结构调 整、提高钢材使用效率、树立节约使用钢材意识，把提高钢材强度、减少钢材使 用量、钢材资源综合利用放在重要位置，并明确提出大力推广4 0 0 m p a 及以上的 热轧钢筋。 目前，国内工程中普遍使用的主力钢筋是h r b 3 3 5 ，辅助钢筋大多为h r b 2 3 5 。 而世界主要工业国家已淘汰了强度级别相当于我国h r b 3 3 5 水平的钢筋，多使用 的是4 0 0 m p a 及5 0 0 m p a ，还有向更高发展的趋势，如美国多采用屈服强度级别在 4 0 0 m p a 以上的钢筋，而欧盟各国基本上采用5 0 0 m p a 钢筋，并在研制6 0 0 m p a 微 合金化钢筋。与发达国家相比，我国建筑行业所用钢筋普遍低一两个等级。 推广应用4 0 0 m p a 以上的高强钢筋，可以节约钢材用量，降低工程成本，获 得巨大的直接或间接经济收益。据测算，在计算强度配筋的混凝土结构中，主力 钢筋采用h r b 4 0 0 ，则可节约1 0 左右钢筋；而采用h r b 5 0 0 钢筋可以节约钢筋 2 8 以上。按平均每年钢筋混凝土带肋钢筋消耗量约占钢材消耗总量的2 0 估算， 2 0 1 0 年我国钢筋消耗总量将达到1 8 3 亿t ，若采用h r b 5 0 0 高强钢筋，可节约钢 材1 0 0 0 万t 。比照我国2 0 0 7 年国内钢筋的平均价格约3 6 0 0 元t 计算，2 0 1 0 年可 对于一个新强度级别的钢种开发而言，关键在于按其服役或者变形加工条件 所确立的强韧性指标以求得相适应的组织结构和化学成分。而实际生产工艺的确 立必须立足于现有的工艺装备水平，以钢的化学成分、组织结构及强韧性之间的 变化规律为理论依据，通过成分调整、控制轧制、控制冷却等技术手段的合理运 壅! 叁堂蓬兰丝垒圭篁! 童丝垒 用，以达到所需要的强韧性指标。除此之外，生产工艺也常受到经济效益、工艺 的稳定性、难易程度等影响。 在国内外的标准中对于不同级别热轧带肋钢筋的化学成分、生产工艺一般不 作出明确规定，这是由于钢筋最终主要考核的是力学性能、工艺性能、焊接性能 等，生产者可根据自身的资源和生产工艺条件，通过添加微合金元素、适当调整 化学成分等技术手段而达到标准要求。 国内外钢筋一般均采用普通低碳钢或低合金钢生产，按可焊接与否可大致将 化学成分体系分为两种：一种只规定硫、磷含量，对其他成分没有要求，如国际 标准中的“非焊接 的1 0 种牌号，美国a s t m a 6 1 5 中所有牌号；另一种规定碳、 硅、锰、硫、磷和碳当量，该种成分一般用于要求较高的用途，多为可焊接的。 与国外标准相比，我国标准的碳含量及碳当量均处于中等水平，硫、磷含量要求 较严。 依据抗震要求的高低，国内外钢筋的生产工艺分为两大体系：欧洲体系和中、 美、日体系。由于欧洲不处于地震多发区，因而对抗震性无要求，钢筋的强度级 别更趋于向高强度发展，生产工艺一般为控制冷却后淬火余热处理，其生产成本 较低。而中、美、日等国处于地震多发地区，均存在某种程度上的抗震要求，如： a s t m a 7 0 6 及我国标准中均规定强屈比大于1 2 5 ；而强度级低、中、高兼顾，生 产工艺一般为常规热轧以及细晶粒钢筋的控轧控冷工艺。 近年来，由于资源的制约与制造成本的压力，以工艺强化为主的技术研究取 得了许多新进展，如以低碳钢进行控常t j s l n 和控制冷却的细晶粒高强度钢在国外 已经批量生产。而我国细晶粒钢筋的应用在国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 计划) 一新一代钢铁材料的重大基础研究【1 7 】的带动下也有了实质性的进展。 1 2 2 超细晶粒钢的发展概况 细晶化技术的研究最早可追溯2 0 世纪6 0 年代初，美国是较早开展研究国家 之一。美国钢铁公司、i n c o 公司等企业、研究所和大学在美国材料研究中心等 的支持下，系统地对钢铁材料组织极限微细化问题进行了研究，材料涉及到低合 金钢、高强度热处理钢、双相不锈钢等；研究者通过各种组织控制法最终得到了 1g m 左右的超细晶粒。之后，日本、澳大利亚等国的许多科学家们也相继开展了 此项研究，他们采用再结晶结合相变的方法，在加工变形过程中来进一步细化晶 粒。 壅a 垦叁耋壁耋丝垒塞篓! 童丝垒 2 0 世纪9 0 年代以来，对于细化晶粒的途径及相关理论问题研究者们作了更 进一步的探索。美国的d s i 公司通过低温大变形等手段在热模拟实验机上将铁素 体平均晶粒尺寸细化到2 1 x m 以下。h o d g s o n 等 1 8 】研究了低合金钢的晶粒细化工艺 和机理，而日本和韩国在超细晶钢的制备工艺和性能特征方面进行了重点研究， 并相继于19 9 7 年和19 9 8 年启动了面向2 1 世纪的结构材料研究计划【1 9 抛】，其目 标就是在成分基本不变的前提下将现有钢材的使用强度和结构寿命提高一倍。日 本采用低温大变形和多轴压下技术，在实验室将铁素体晶粒尺寸细化到0 5 1 9 m 2 3 】。韩国采用形变诱导动态相变技术，在实验室轧机上将碳锰钢和微合金钢 的晶粒尺寸分别细化到4 - - 一5 1 x m 和2 9 m t 2 4 j 。 我国于1 9 9 8 年启动了9 7 3 计划一“新一代钢铁材料的重大基础研究项目”， 提出了开发新一代钢铁材料的思想，其含义是在充分考虑经济性的条件下，钢材 具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征，强度比常用钢材提高一倍。该项目 的最终目标是将占我国钢产量6 0 以上的碳素钢、低合金钢和合金结构钢等钢材 的强度提高一倍。通过企业、高校及研究院所的共同努力，我国已研究形成了一 套自己的细晶粒钢形成理论和控制技术，于2 0 0 0 年在工业化大生产条件下生产出 铁素体晶粒为3 - 5 1 x m 左右，屈服强度达到4 0 0 m p a 的超级钢带材1 2 5 ，2 6 1 ，并实现 了在汽车、建筑、交通运输等行业的应用。2 0 0 1 年，我国科学技术部又启动了“8 6 3 计划项目一5 0 0 m p a 碳素钢先进工业化制造技术，重点进行细晶粒钢的推广应用。 截止2 0 0 5 年，我国共生产各类超级钢3 4 5 万t ，由节能降耗、节省合金元素等产 生的直接效益超过3 亿元。 1 2 3 晶粒细化方法 关于超细晶尺寸范围的认定也有一个发展过程，在2 0 世纪6 0 年代，尺寸小 于1 0 i - t m 的细晶被认为是超细晶组织，而目前认为尺寸小于4 p m 的细晶才是超细 晶组织【2 7 1 。因此现有晶粒细化技术的理论和方法对于所谓的细晶、微米、亚微米 与纳米超细晶粒钢等研究开发都是大有裨益的。 在钢中获得超细晶粒的原理可归纳为三个基本方面： ( 1 ) 增加相交的形核位置； ( 2 ) 增加相变的驱动力，使临界形核尺寸减小和形核速度增加； ( 3 ) 抑制晶粒的成长与粗化。 目前获得超细晶粒的方法已有多种，其中有：大压下后快冷、形变诱导相变、 叁! 叁耋缍耋堡垒妻篷! 童堡垒 强烈塑性变形技术以及施加强电磁场等方法。 ( 1 ) 低温大压下后急冷 在介稳定丫区或丫低温区进行大变形后急冷，可以使不同成分的钢获得从0 5 2 “m 的细小晶粒【2 8 3 们。对于( a + 丫) 两相区进行大变形后急冷，其细化晶粒的原 因涵盖了上述的三个方面细化机理：一方面随着压下量的增大，奥氏体被压扁变 薄，晶界面积增大，同时在晶内的变形带增多，使得铁素体从单一的晶界处形核 转变成晶界和晶内皆可形核；另一方面快冷和大变形极大地提高了相变过冷度和 形核驱动力，冷却速度越快，所提供的形核驱动力越大，形核率越大；另外低温 和快冷对晶粒的粗化起抑制作用，故铁素体晶粒越细小。 ( 2 ) 强烈塑性变形 大的压下量轧制是获得细小铁素体晶粒的普遍方法，但由于生产条件下坯料 的厚度等诸多因素使得获得较常规轧制更大的压下量比较困难，而强烈塑性变形 方法则是针对性解决这一难题而产生的，具体包括有多向变形加工【3 1 。3 3 1 、等径角 挤压e c a p 技术【3 4 - 36 1 、高压旋挤3 7 1 、累积叠轧焊a r b 3 8 4 0 1 等。除了多向轧制呈 现出一定的工业应用潜力以外，其它方法受尺寸、可操作性等限制离实际应用尚 有很大的距离。 ( 3 ) 形变诱导相变 形变诱导相变是c m n 钢在形变过程中所发生的组织变化。最早在8 0 年代中 期，y a d a 等人研究晶粒细化工作时就发现，将低碳锰钢加热到稍高于奥氏体相变 a c 3 温度以上并施加连续大变形后急冷，在变形过程中就会有铁素体析出，最终 在实验室模拟轧机上将铁素体晶粒细化至2 3 1 a m 。此后的研究者们【1 8 , 2 1 , 4 1 , 4 2 】，针 对普碳钢、s i m n 钢等不同钢种分别采用热模拟实验、热扭转等方法，通过a r a 温度附近大变形的措施，利用形变诱导相变机制得到了接近1 2 p m 的超细铁素 体晶粒。“变形诱导铁素体相变 ( d e f o r m a t i o ni n d u c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ，d i f t ) 这一概念，在2 0 0 0 年韩国召开的“2 1 世纪高性能结构材料 ( h i p e r 2 1 ) 会议上 被正式提出【4 3 1 。 “变形诱导相变过程”是由于形变和过冷共同作用的结果，形变和过冷所提 供的双重驱动力大大促进了