（材料加工工程专业论文）碳锰钢再结晶行为研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 “ 摘要 热轧钢铁生产过程中，轧件在变形道次间的停留过程中会发生静态再结晶，导致钢的 晶粒大小、内部畸变等发生变化，直接或间接影响其以后每一道次的轧制过程中的动态再 结晶和静态再结晶等。这种具有遗传性的影响会对最终的组织性能产生重要的影响，而且 道次间停留过程中再结晶分数随时间不同而不同，最终组织和性能的差异会很大。这种影 响不可忽略，是在制定轧制工艺规程中必须考虑的。因此，为了制定出合理的工艺，对于 静态再结晶的研究就显得比较重要。 本文结合实际生产线上精轧机组的工艺条件，以某公司热连轧生产的q 2 3 5 b 钢为研究 对象，在g l e e b l e l 5 0 0 热模拟机上做双道次压缩试验，研究不同温度、不同道次停留时间 对q 2 3 5 b 钢的静态再结晶行为的影响。然后利用试验数据回归得到静态再结晶模型。 由于研究静态再结晶的模型有很多，每种模型所考虑的变形参数都有所不同，本文选 择三种常见的静态再结晶模型，与实验拟合得到的静态再结晶模型进行对比分析其误差。 研究结果发现，对于给定的研究钢种，实验拟合得到的模型要比其他模型精度要高，因此 选择自己拟合的模型作为某公司热连轧q 2 3 5 b 钢组织演变和性能预报软件的计算模型。 关键词：静态再结晶；动力学模型；q 2 3 5 b ；热轧 a b s t r a c t i nt h eh o tr o l l i n gp r o c e s s ，t h ep h e n o m e n o no fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r sw h i l et h es l a b w a i t si nt h et i m es l o tb e t w e e nt w op a s s e s ，t h u st h eg r a i ns i z ea n dt h ei n n e rd i s t o r t i o ne n e r g yo f t h em e t a lw i l lb ec h a n g e d ，t h e nt h ec o m i n gd y n a m i cr e e r y s t a l l i z a t i o na n ds t a t i cr e e r y s t a l l i z a t i o n o fl a t e rp a s s e sw o u l db ea f f e c t e dd i r e c t l yo ri n d i r e c t l y t h i sk i n do fi n h e r i t a b l ei n f l u e n c ec o u l d c a u s eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f t h ep r o d u c t ，a n dc o n s i d e r 1 h er a t i od i f f e r e n c e so fs t a t i cr e e r y s t a l l i z a t i o ni nd i f f e r e n tt i m es l o t s ，t h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t yo ft h ep r o d u c tc o u l db eq u i t ed i f f e r e n t c o n s e q u e n t l y , t h i si m p a c t c a n n o tb ei g n o r e da n d h a v ct ob et a k e ni n t oa c c o u n tw h i l ed e t e r m i n i n gt h et e c h n o l o g ys c h e d u l e t h e r e f o r e ，f o r e s t a b l i s h i n gar e a s o n a b l es c h e d u l e ，t h es t u d i e so n s t a t i cr e e r y s t a l l i z a t i o na p p e a re s s e n t i a l c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n i nf i n i s h i n gm i l lo f n o 2h o tr o l l i n gp l a n ti ns o m ep l a n t ， d o u b l ep a s s e sc o m p r e s s i o nt e s t so fq 2 35 bs t e e lw e r ec o n d u c t e do ng l e e b l e - 1 5 0 0h o ts i m u l a t o r t os t u d yi t ss t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ri nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n ds l o tt i m e t h e n , u s e e x p e r i m e n td a t a t oa n a l y z et h es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nm o d e l b e c a u s es t a t i cr e e r y s t a l l i z a t i o nm o d e l sa l ed i v e r s e ，a n de a c hm o d e lh a ss o m ed i f f e r e n c e s0 1 1 c h o o s i n gp a r a m e t e r s ，h e r ew ec h o o s et h r e ef a m i l i a rd i f f e r e n tm o d e lt oc o m p a r e w i t ht h em o d e l t h a te s t a b l i s h e db yt h ee x p e r i m e n td a t aa n da n a l y z et h e i rc a l c u l a t i o ne r r o r 8 t h er e s u l t ss h o w t h e m o d e lt h a te s t a b l i s h e db ye x p e r i m e n th a sah i g h e l p r e c i s i o n ，t h u st h ee s t a b l i s h e dm o d e li sc h o s e n 鹊t h ec a l c u l a t i o nm o d e lu s e di nt h em i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o na n dp r o p e r t yp r e d i c t i o ns o f t w a r e k e yw o r d s ：s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nm o d e l ；q 2 3 5 b ；h o tr o l l i n g 武汉科技大学硕上学位论文 第1 页 1 1 课题来源与研究意义 第一章绪论 要在日益激烈的钢铁市场竞争中取得优势，就应该进一步降低生产成本和提高产品性 能，这对企业的发展有着长远而重要的意义。轧制技术的快速发展和用户对产品质量越来 越高的要求，促使生产企业要更好地理解和控制轧制产品生产的整个过程和轧钢系统的行 为，因此掌握生产中轧件的变形过程及组织变化过程就成为实现这一目标所需要解决的首 要问题。 钢材在热轧时由于温度、压力加工和冶金现象之间复杂的相互作用使其显微组织发生 的一系列变化，而这些因素决定了钢材的最终组织和力学性能。用试凑法建立工艺来生产 满足尺寸公差和力学性能要求的产品，已经有数十年的实践经验n 1 。由于计算机的发展和 精确的传感器的发展推动了过程控制的发展，使得如今可以对轧制过程中的热力学过程进 行控制以控制产品的机械性能和微观结构。但是，过程控制模型仍然处于发展阶段，正在 从建立累积数据基础上的全经验模型向建立在传输现象、连续介质力学和物理冶金基础原 理上的知识密集型模型发展。这种转变对工业生产很重要，因为建立在基本原理上的模型 提供了实现过程控制和使得产品达到要求的形状、尺寸和力学性能的更为科学的框架。因 此通过建立数学模型来模拟热轧中钢材的显微组织演变，是预报钢材力学性能的有效方 法，其研究成果正在为计算机控制钢材性能、自动设计新工艺和新钢种提供理论依据，对 生产起到了有益的指导作用幢3 1 。 某公司热连轧机组是世界上最先进的第四代热轧带钢轧机，原设计配备的组织性能预 测软件是西门子在世界范围内第一套应用于现场的在线预测和控制的实验性软件，其模型 本身就具有一些不完善的地方，由于目前数据通讯的问题，加上模型没有及时更新，外方 提供的软件不能运行，因此起不到对二热轧钢材组织性能进行监测和优化的作用。此外外 方提供的软件为“黑匣子”，模型的更新及开发都依赖于外方，不利于某公司自己掌握其 核心技术，对进一步扩大软件的应用范围和提高应用效果起到了限制作用。因此针对该机 组组织性能预测存在的问题，本研究拟在对二热轧生产的量大规格全的普碳钢组织性能预 测技术所涉及到的核心组织演变过程模型进行系统实验，完善预报功能。 采用计算机组织性能模拟能够及时根据要轧制钢种的化学成分、制作工艺预测出该批 次带钢的力学性能，在成分和工艺波动的情况下，及时提醒操作人员钢种性能的变化情况， 并做出相应的工艺调整，以便生产出性能合格的产品和提高产品质量性能，减少产品性能 检测所需的时间和成本。同时还可在新产品、高强钢的开发及试制过程中发挥重要作用。 在一些钢铁工业发达的国家已经实现了计算机预测和控制，并取得了巨大的经济效益。 本研究最终的组织性能预测软件将成为轧钢工程师应用计算机分析轧制工艺的辅助 工具，可用于优化普碳钢的热轧和冷却工艺，提高产品合格率；识别新钢种的热轧和冷却 工艺，减少开发新品种时所需进行的工业实验次数。此技术的开发对提高热带产品质量、 第2 页 武汉科技大学硕士学位论文 缩短新产品研发周期等具有重要的作用，对提高自主集成技术和自主研发水平也具有重要 的意义4 j 。 1 2 课题研究内容 本课题研究的主要内容是低碳钢q 2 3 5 b 的静态再结晶动力学模型。q 2 3 5 b 是一种常用 钢材，低温性能、冷冲压性能，焊接性能和可切削性能好，广泛应用于车辆、桥梁、建筑、 船舶、压力容器等。q 代表的是这种材质的屈服，后面的2 3 5 ，就是指这种材质的屈服值 在2 3 5 m p a 左右。该钢种分a 、b 、c 和d 四种，q 2 3 5 b 级是指要求2 0 度常温冲击性能指标。 本课题的研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 以q 2 3 5 b 钢种为研究对象，结合现场生产条件，在热模拟机上进行模拟现场条 件的双道次压缩试验，得到相关实验数据，根据静态再结晶动力学理论，求出不同时间对 应的再结晶体积分数。利用已知的a v r a m i 公式，计算出t 。的数学公式，并由此回归出适 合本钢种的静态再结晶体积分数的数学模型。 ( 2 ) 将本文模型与常用的三种静态再结晶体积分数模型进行比较，分析其误差大小， 为某热连轧机组组织和性能计算机控制软件的开发提供基础模型。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 国外带钢热轧组织性能预测与控制技术的应用与发展 自2 0 世纪5 0 年代i r v i n e 和p i c k e r i n g 提出利用数学模型来预测钢材组织性能的想 法以来，世界各国的冶金学者展开了大量的研究工作以揭示钢在热轧过程中的显微组织的 演变规律，并且把钢的物理冶金学作为基础，以研究温度条件和变形条件对热轧过程中的 显微组织的演变和析出的影响。目前，已经研发出了的模型有：奥氏体动态再结晶模型、 奥氏体静态再结晶模型、晶粒长大模型和轧后冷却过程的相变模型。并在这个基础上，一 些工业发达国家成功的研发了钢材组织性能预测和控制的计算机系统，并运用于热连轧带 钢生产的在线控制和控制嵋6 8 巩m 1 。尽管研究者处理问题的方法有所不同，但都有相同的 基本思想，即都是用物理冶金半理论模型对轧制工艺和与之相关的微观组织结构变化进行 描述，而不采用应用范围有限的全经验模型。在处理组织和性能的对应关系的时候，一般 有两种方法：一是采用先进的数学理论分析方法，并根据实验数据来研究机理尚不清楚的 对象，例如b p 算法和模式识别；二是以纯机理及半经验的物理冶金学模型作为基础，用 统计法确定模型的系数等。这两种方法的计算精度的差异并不大。 ( 1 ) 西门子公司开发的微观组织监控系统 德国西门子公司、d r e s d e n 大学和h o e s c hh o h e n l i m b u r g 钢厂共同研发出的微观组织 监控系统，适用于其抗拉强度为3 0 0 ，- - 8 5 0 m p a 的低c m n 钢及含t i 或者n i 的微合金钢。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 该系统利用物理冶金模型描述热轧带钢的组织演变过程，并用神经网络的方法计算最终的 力学性能。该系统可在线应用，也可离线应用。在在线条件下，数据从设备的自动化系统 中可以直接得到。在离线的条件下，数据即可以由在线自动生成的数据文件读入，也可以 由离线工艺模型通过计算而得到。该系统可以动态的调整在s l $ j 过程中的卷取温度以更好 的达到其目标力学性能，也可以对带钢长度方向上的任意点的力学性能进行预测。该系统 已在h o e s c hh o h e n li m b u r g 钢厂的中宽带轧机、s a l z g i t t e r 和s t a h l w e r k eb r e m e n 宽带轧 机上应用，并取得了良好的业绩。 ( 2 ) 英钢联开发的m e t m o d e l 模型 英钢联以h o d g s o n 和s e l l a r s 的模型为基础，通过大量的实验和现场数据，开发出适 应英钢联实际生产需要的m e t m o d e l 模型。该模型模拟热轧生产工艺，即可用于离线的研 究，又可用于在线组织性能预报和控制，可描述奥氏体在多道次轧制变形过程中微观组织 演化和再结晶行为，还可计算冷却后的组织和力学性能。 m e t m o d e l 模型的优点是可以根据英钢联的生产需要校正和调整工艺参数来研发新钢 种。模型还具有参数敏感性分析功能，可找出模型中对组织性能影响最大的参数，以最少 的成本进行生产工艺优化，以生产出用户所需的产品1 。 ( 3 ) 北美洲的组织性能预报和控制系统 已通过北美洲1 4 个钢厂测试的、英国c o l u m b i a 大学开发的由美国钢铁学会( a i s i ) 资助的传统热轧数学模型，可对8 个钢种的控轧过程、微观组织以及最终力学性能进行预 报，同时还适用于其它配置的轧机。 此模型对于h s l a 带钢温度预报值与轧机高温计实际值的吻合非常好，误差在2 0 以内。金相组织观察的结果也验证了奥氏体晶粒尺寸的计算与实测值为同一数量级n 副。 ( 4 ) 共同研发的s t r i p c a m 模型 德国蒂森公司和比利时c r m 公司研发的s t r i p c a m 模型，其考虑的物理冶金现象与西 门子公司相似，都是确定加热过程中初始奥氏体的晶粒度及析出物的状态；粗轧、精轧的 过程中考虑再结晶和奥氏体的晶粒细化及一些元素的析出；冷却阶段计算铁素体晶粒尺寸 和析出相的状态及其珠光体、铁素体和贝氏体的组织体积分数，同时对固溶体中的元素进 行考虑。 s t r i p c a m 程序运用f o r t r a n 语言编写，界面的输入和输出运用v i s u a lb a s i c 编写。 这套系统运用在m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下的p c 机上，输出结果则采用m i c r o s o f te x c e l 表格形式，根据用户的不同选择，计算的时间在2 0 s 到l o m i n 之间n 3 1 。 ( 5 ) 浦项公司的力学性能预测系统 浦项公司针对热轧带钢的力学性能预测系统包括离线模型和在线模型，两者具有相同 的计算模块，但是具有不同的数据输入和输出。在建立轧制过程的温度模型时，此预报系 统采用的方法是有限差分。浦项公司工程技术中心研发了一种不同于传统的a v r a m i 方程、 应用于在线连续冷却条件的奥氏体向铁素体转变的相变动力学模型。对于力学性能模型则 采用了回归的算法。 第4 页 武汉科技大学硕l ：学位论文 ( 6 ) 奥钢联开发的v a i qs t r i p 控制系统 v a i - qs t r i p 控制系统是各种文献报告中功能最完善、预测控制效果最好的控制系统 之一。该系统通过用物理冶金模型代替统计方法对轧制工艺和与之相关的微观组织结构变 化来进行描述。并对沉淀物在再加热的过程中的溶解及带钢冷却过程中的析出进行了描 述。采用v a i - os t r i p 控制系统可在轧制后立即得到预测结果，预测的方位涵盖了整个带 钢长度，并且预测结果比单一检测头尾具有更高的精度。而且该系统的模拟功能很强，从 而在很大程度上减少了在实物设备上的试验次数，运用该模型还可以在很大程度上优化结 构钢的化学成分，降低锰含量，从而大大的降低了成本u 4 1 。 1 3 2 国内带钢热轧组织性能预测与控制技术的应用与发展 在我国，东北大学、北京科技大学、钢铁研究总院等单位在带钢热轧过程组织性能预 测技术的开发方面也做了很多工作。中国科学院金属研究所与鞍山钢铁集团合作，通过三 年努力开发了具有自主知识产权的热轧过程模拟软件r o l l a n n 5 1 。该软件目前可对鞍钢 1 7 8 0 m m 成产线c - m n 钢热轧过程进行离线组织模拟及力学性能预测，利用程序中的热一力耦 合模拟和物理冶金模型，可预测热轧过程中每一环节的冶金变量分布，如轧制过程每道次 的晶粒度、再结晶分数、残余应变及冷却卷取过程中的晶粒度、相变分数和室温条件下的 力学性能等。而且该软件对c - b i n 钢性能离线预测结果和现场取样检验的结果吻合非常好， 误差不大于1 5 m p a ，而可实现带钢全长方向的多点预测，这是实际取样检测所不能做到的。 1 4 某热连轧机组的带钢生产技术 某公司热连轧厂主要采用热装和直接热装轧制工艺，比例设计为7 5 。配备3 级计算 机系统和质量监控与分析系统。该厂的带钢表面在线检查系统首次在国内热连轧生产线上 使用。其工艺技术水平为当今世界先进水平。全厂设计有一条热轧线、一条横切线、一条 平整线，热轧平整线的机械和电气设备以及相关控制模型由德国s i e b i e n s 公司引进，而平 整线的机械和电气设备以及相关控制模型从意大利米洛公司引进。 该公司第一套热轧带钢的技术设备是上世纪七十年代由日本引进的，到现在为止，每 年可产带钢3 1 0 吨，其全部生产流程都采用计算机控制，以其大型化、高速化、连续化、 自动化的生产装备及规格齐全、品质优越的钢铁产品而闻名。到目前为止，该热轧机组已 累计为国家的经济建设提供1 亿多吨优质板材，产品总长度可绕地球5 8 圈，是全国最大 的板材基地之一。第一套机组在投产时的8 个品种的基础上，大胆创新研发出2 0 余系列、 1 0 0 多个品种的产品，其中耐候钢、瓶钢、集装箱用钢、汽车用钢、2 c 、高强度石油管线 钢、3 c 船板等十大品种填补国内生产空白。热轧厂不仅为我国重要的板材生产基地，也是 一个精英聚集的基地。该公司第二套热轧机组于1 9 9 4 年开始筹建，其生产能力和规模均 在国际上属于领先水平。第二套机组针对国家的大工程项目及国内空白产品品种，积极开 展新产品的研制，成功研发了杭桥钢、炮管用钢、高强度耐侯钢、汽车专用钢、x 8 0 钢、 武汉科技大学硕十学位论文 第5 页 高强度x 7 0 等新产品。其主要生产工艺流程：原料板坯经过加热、除鳞、粗轧、精轧、剪 切、冷却卷取，再按其用途分送至冷轧厂、硅钢片厂和钢卷库：入库的钢卷再经精整作业 线剪切、矫直、平整包装成品。为了节约投资，充分利用了国内的技术力量。外商设计和 技术总负责范围主要包括： ( 1 ) 从主轧线粗除鳞机入口的辊道开始至卷曲出口的卸卷小车为止，以及与此有关 的液压润滑、仪表、电气控制系统、计算机、轧机除尘等。 ( 2 ) 厚板横切机组入口运输设备开始到出口钢板打包运输辊道为止，以及相关的液 压润滑、应用软件、电气传动等。而板坯库、磨辊问、加热炉、水处理系统、钢卷运输体 统、成品库以及公辅设施等的设计均由国内承担。引进设备的主体是液压元件、检测仪表、 小型机电一体化设备、自动化硬件系统等。 热轧生产线由2 座步进式加热炉、7 机架精轧机组、l 台定宽压力机和可逆式粗轧机、 2 台卷取机构成，一期设计能力3 5 0 万吨年，二期设计能力4 5 0 万吨年。产品厚度 1 2 - 2 5 4 m m ，宽度7 0 0 - 2 1 3 0 m m ，最大卷重3 8 吨，产品规格与第一套机组产品规格相比有 大幅度拓宽。品种方面，成品最大抗拉强度8 0 0 m p a ，屈服强度m a x 4 9 0 m p a ，具备轧制x 8 0 的能力。 热轧生产线的主要设备配置示意图见图1 1 ，生产线精轧机的工艺参数见表1 1 ，主 要轧制产品钢材牌号和标准见表1 2 。 图1 1 轧线的主要设备配置示意图 ：嘎 ： 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 表1 1 精轧机的工艺参数 表1 2 主要轧制的商品材钢号、标准 产品名称代表钢号执行标准 碳素结构钢q 1 9 5q 21 50 2 3 5b 7 0 0 8 8 优质碳钢 0 8 a l1 0 # 2 0 # b 6 9 6 - 8 8 船板a ( 2 c ) b ( 2 c ) 焊接气瓶钢h p 2 9 5h p 3 2 5b 6 6 5 3 9 4 石油管线钢x60x 6 5g b t 1 4 6 4 9 8 ( a p i ) 自行车用钢 z 0 6 a lz 0 9 a lb 3 6 4 5 8 9 集装箱用钢 j 4 9 0q w ( r e ) 1 7 9 2 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 2 1 再结晶研究意义 第二章再结晶理论 在早期，再结晶作为导致变形合金和金属加热时微观组织的形成过程引起冶金学家的 兴趣。因此，主要的注意力放在金属在变形和加热时的晶粒尺寸上n 引。冶金学家和从事塑 性变形的专家对再结晶感兴趣的原因主要是把它当做变形金属软化和易于进一步变形的 程。 由于在多晶体合金和金属所制成的构建中的力学和物理性能的有向性具有实际的重 要意义，所以关于再结晶结构的著作研究越来越多。曾进行过大量工作以探求在金属中形 成所需要类型织构的方法并特别以微量加入物分析合金化对织构类型的影响。在这个领域 中成功的一个明显的例子就是为形成高斯织构而对变压器硅钢进行的变形和再结晶退火 的科学研究。对织构形成机理的研究具有重要的实际意义，它促进了应用局部结构分析的 精细方法。这方面的工作大大有助于理解再结晶一般机制，如再结晶核心形成的机制和晶 粒长大的驱动力。 在再结晶理论中尚未解决的问题之所以有很大差异是由多种原因做成的。首先，变形 金属位错结构的细节或再结晶起始条件的本质，正如不同形式的晶界结构仍然不清楚。再 次，再结晶过程看似简单，实际却及其复杂，原因是再结晶是一个由于系统的不平衡状态 而发生的过程。再结晶过程取决于很多因素，如变形和加热的条件、组成物的分布和扩散 转移率、界面能、变形状态的结构和预先回复和多边形化的程度。第三，再结晶核心仅在 晶格畸变方面不同于变形基体，而具有相同的品格类型及其间距、相同的化学成分，不同 于相变的情况。 鉴于这些困难，研究再结晶的试验方法是多种多样的。在现实中，一切经冷加工或热 加工后再进行加热处理的金属材料内部都会出现再结晶过程，再此过程中都包含着晶粒长 大的过程。而再结晶和晶粒长大过程都会对金属材料物理、化学、力学等性能有很大的影 响作用。因此，再结晶与晶粒长大过程的原理在金属材料生产，如变形热处理、再结晶退 火、合金回火、热加工、粉末冶金和合金的脱溶等各种工艺过程中都得到了较广的应用。 由于再结晶与晶粒长大对于工业材料性能的有着重要作用，在该领域内世界各国的科研工 作十分活跃，新的研究成果不断被取得。并且，这些成果快速的转化为生产力，应用在各 种金属材料的生产加工中。例如，新一代冲压及超深冲钢板、优质硅钢板、电容器铝箔、 超塑性合金、钛合金、半导体薄膜等产品的出现和日趋成熟就是建立在这些科研成果基础 之上。 第8 页 武汉科技大学硕十学位论文 2 2 金属再结晶的过程及其规律 识。 要想更深刻的了解再结晶，就必须对再结晶的概念、过程、基本规律有一个清晰的认 2 2 1 再结晶的概念 金属在热加工后，由于形变使晶粒内部存在着形变储存能，使系统处于不稳定的高能 状态，因此在变形随后的等温保持过程中，以变形储存能为驱动力并通过热活化过程再结 晶成核和长大而再生成新的晶粒组织，使系统由高能状态转变为较稳定的低能状态，这个 自发的过程就是静态再结晶。再结晶的驱动力是回复后没有释放那部分储存能，所以其驱 动力主要和亚晶界中的位错相联系n 饥。与金属的固态相变相似，再结晶也有转变孕育期， 不同的是再结晶前后无金属点阵类型的变化。 2 2 2 再结晶晶核的形成与长大 金属的再结晶是通过成核和长大过程完成的。再结晶的成核机理不断的为各种研究和 观察所验证。 ( 1 ) 再结晶的形核 再结晶的核心是通过原来晶界或亚境界的突然迁移形成的，在高层错能金属中，变形 形成的位错在恢复过程中亚晶粒逐渐长大，位向差小的亚晶粒合并，形成了内部位错密度 低、四周有大角度晶界的区域。这种大角度的晶界具有大迁移能力，向周围的高位错密度 区迁移，形成了再结晶的核心。 再结晶形核的必须满足的事实为： ( 1 ) 再结晶核心优先地在局部形变度高的区域形成，而这些区域是形变带、夹杂附 近、晶界、孪晶交界处以及自由表面附近等。 ( 2 ) 当形变量高于某一临界值以后，形核率随着变形量的增加而急剧增加。 ( 3 ) 在一般情况下，核心的晶体学位向与它形成所在形变区域的晶体学位向有一定 的统计关系。 ( 4 ) 再结晶核心不能长入和它的位向差别不大的区域中。有效核心的晶体学位向必 须与它要长入的应变基体的晶体学位有着显著差异n 引。 关于金属的再结晶形核的机制问题，下面为人们普遍接受的观点： ( 1 ) 应变诱发晶界迁动形核。由于形变的不均匀性，在原来大角度界面两侧的局部 储存能可能不同，即其位错密度不同。位错密度低的区域长入其相邻的位错密度高的晶粒 中形成“舌状物 。凸进高位位错密度晶粒的“舌状物 是几乎无应变硬化的。这个鼓胀 的亚晶就是再结晶核心。图2 1 为这种模型的示意图。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 图2 1 应变诱发晶界迁动的示意图 ( a ) 牵动前的结构；( b ) 迁动时的结构 ( 2 ) 亚晶长大形核。在回复的时候亚晶以各种方式长大。当亚晶聚合粗化到一定尺 寸，它与周围环境的位向差达到1 2 。或者更大的时候，此亚晶的晶界已基本编程大角度晶 界，它以较大的速度迁动，从而成为一个有效的核心n 9 1 。图2 2 为这种模型的示意图。 秭 图2 2亚晶形核长大示意图 ( 3 ) 再结晶核心的长大 再结晶核心长大本质上是大角度界面迁移，迁移驱动力为形变的储存能。再结晶退火 过程时，由于再结晶的同时形变不断回复，使得长大驱动力不断减小，晶核的长大速度逐 渐变慢。 形核之后，无畸变核心与周围的畸变旧晶粒之间的应变能差是核心长大的驱动力，当 各个新的晶粒彼此接触，原来的变形旧晶粒全部消失时，再结晶过程即结束。图2 3 为再 结晶过程示意图。 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 2 3 再结晶的基本规律 图2 3 再结晶过程示意图 通过大量的实验总结出再结晶的基本规律为啪1 ： ( 1 ) 需要超过某个最小的形变量才可以发生再结晶，这个最小的形变量称为临界形 变程度( c r i t i c a ld e f o r m a t i o nd e g r e e ) ( 2 ) 再结晶的温度随着变形量的增加而降低，但是当形变量增大到一定程度后，再 结晶的温度便趋于某一稳定值。 ( 3 ) 再结晶刚完成的时候的晶粒尺寸与退火温度关系不大而主要取决于形变量。变 形量越大，再结晶刚完成时的晶粒的尺寸越小。在相同变形量下，若退火时间一定，则晶 粒尺寸随退火温度的增加而增加，这是再结晶后晶粒长大的结果。 ( 4 ) 原始晶粒尺寸越小，获得相同再结晶温度的变形量就越小。 ( 5 ) 形变的温度越高，要获得相同程度的应变硬化所需要的形变量越大。这也就是 说，在一定的形变量下，形变的温度越高，使以后再结晶的温度越高，再结晶后的晶粒的 尺寸也就越大。 ( 6 ) 新的晶粒不会长入取向相同或者略有差异的形变晶粒中。 ( 7 ) 再结晶完成后如果继续加热，那么晶粒的尺寸将会增大。 2 3 再结晶温度及其影响因素 再结晶温度随着条件的不同，可以在一个较宽的温度范围内变化。再结晶温度通常定 义为：经过7 0 以上大变形的金属，在均匀温度中保持一个小时能够完成再结晶的最低温 度。为了便于比较使用，生产上规定的再结晶温度，是指经过较大冷变形( 变形量 7 0 9 6 ) 的金属，在一个小时内能过完成再结晶( 或着再结晶体积分数 0 9 5 ) 的最低温度。对于 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 工业纯金属，在较大的冷变形条件下，其再结晶的开始温度t k 与熔点t 存在以下的经验关 系1 ： t 。( 0 3 5 - , , 0 4 0 ) t - ( 2 1 ) 若按照以上公式确定再结晶退火温度时，则： t 再= t x + 1 0 0 2 0 0 ( 2 2 ) 因为再结晶是一个复杂的过程，再结晶温度也不是一个物理常数，它随很多因素的变 化而变化，所以影响再结晶的因素很多，主要有加热的温度、保温的时间、变形的程度、 原始晶粒度以及金属的化学成分等。 ( 1 ) 变形程度的影响 随着变形程度的增加，其储能就越多，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度就越 低，同时在等温退火时再结晶的速度也就越快。但是当变形量增大到一定程度后，再结晶 温度则趋于一个稳定值。图2 4 为再结晶温度与形变量的关系。 图2 4 再结晶温度与形变量的关系 ( 2 ) 原始晶粒尺寸 金属的原始晶粒越粗大，其变形抗力就越小，冷变形后储存的能量越低，变形后的畸 变能越大，所需的再结晶温度就越高。 ( 3 ) 微量溶质原子 微量溶质原子对于金属的再结晶影响很大。微量溶质原子显著提高再结晶温度，其原 因可能是溶质原子与位错及晶界之间有一定的交互作用，使得溶质原子利于在位错及晶界 处偏聚，对位错的攀移、滑移和晶界的迁移起着一定阻碍作用，不利于再结晶的形核和再 结晶形核的长大，从而阻碍再结晶过程。 ( 4 ) 第二相粒子 第二相粒子既可能会阻碍基体金属的再结晶，也可能促进其再结晶。 s v 黼赡 第1 2 页 武汉科技大学司j ：学位论文 1 ) 可能增加其形变储存能而增加再结晶的驱动力。这主要是因为它使得形变后的结 构变复杂，使得位错的密度增加的缘故。 2 ) 粒子附近可能成为再结晶的形核位置。大而硬并且有着宽间距的第二相粒子由于 形变时粒子附近出现的更多不均匀形变区，特别是这些区域有很大的显微取向差，这些都 促进形核过程的发生。相反，如果粒子很小的话，形变时它使位错均匀和稳定的分布，亚 晶问的平均取向差则很小，从而不利于形核过程，甚至完全的抑制形核。所以粒子尺寸要 超过某个临界尺寸才可以加速形核，而这个临界尺寸因变形量的不同而不同。变形量减小， 则临界尺寸增加。一般认为，当粒子的间距小于形变集体中亚晶的平均直径的2 倍时，形 核就开始困难。 3 ) 稠密和弥散分布的第二项粒子钉扎境界，阻碍它的运动，故阻碍再结晶。 ( 5 ) 再结晶退火工艺参数 加热温度、加热速度与保温时间等退火工艺参数，对于变形金属的再结晶有不同程度 的影响。 1 ) 当热速度过于缓慢时，再结晶温度上升。 2 ) 当形程度和退火保温时间一定时，退火温度愈高，再结晶速度愈快。 3 ) 保温时间越长，则原子的扩散移动进行的越充分，所以再结晶温度就越低。 如图2 5 为温度对再结晶的影响。可见加热温度越高，再结晶速度越快。 骧 蕾 蒌 嚎 甥 碡 囊h o 穸 图2 5 温度对再结晶的影响 2 4 再结晶后的晶粒大小及影响因素 因为晶粒大小对于材料的性能有着重要的影响。因此，调整再结晶的退火参数，控制 再结晶的晶粒尺寸，在生产中有着重要的实际意义。一般都希望可以得到细晶粒的组织。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 2 4 1 晶粒大小的表示方法 晶粒大小的理想表示方法是晶粒的平均直径、平均体积或单位体积所包含的晶粒数， 要测定上述数据却极其困难的。目前世界各国评定钢铁产品的晶粒尺寸大小，大都统一采 用与标准金相图片( 晶粒大小标准图) 相比较，以确定晶粒度的级别。通常情况下把晶粒 度分为8 级，各级晶粒度的晶粒大小如图2 6 所示。晶粒度级数n 和放大1 0 0 倍时平均每 6 4 5 c m 2 内所含晶粒数目n 有以下关系： = 2 ”1 ( 2 3 ) 如8 级晶粒度，即每6 4 5 c m 2 面积内所含晶粒数为1 2 8 。由式可知，晶粒度级数愈大， 晶粒愈细。通常1 - - 4 级为粗晶粒；5 - - 8 级为细晶粒。 ： 2 4 2 奥氏体晶粒度的概念 n t - q 图2 6 钢的晶粒度级别图，x 1 0 0 在研究钢中奥氏体晶粒度的变化时，应分清以下三种不同的概念： ( 1 ) 本质晶粒度：指将钢加热到9 3 0 1 0 奥氏体化并保温充分长的时间以后所获得 的奥氏体晶粒度。本质晶粒度表示钢的奥氏体晶粒在规定温度下的长大倾向，为制定钢的 热处理规范的重要参考数据。 ( 2 ) 实际晶粒度：指钢件在最后一次热处理( 退火、正火、淬火) 过程中，加热奥 氏体化并保温后所实际得到的晶粒度；如为热轧材时，则指热轧终了时，其中奥氏体的晶 粒度。实际晶粒度对钢的性能有着密切的影响。 ( 3 ) 起始晶粒度：是钢加热奥氏体化过程中，最初形成的奥氏体晶粒的晶粒度。一 般情况下奥氏体的起始晶粒是比较细小的。 一漕一一哺一 第1 4 页武汉科技大学硕十学位论文 2 4 3 晶粒大小的影响因素 再结晶后晶粒尺寸的影响因素很多，主要有变形程度、退火温度和原始晶粒大小等心羽。 ( 1 ) 变形度的影响 冷变形程度对再结晶后晶粒大小的影响如图2 7 所示。当变形程度很小时，晶粒尺寸 不变，即为原始晶粒的尺寸。这是因为变形量太小，产生的储存能不足以驱动再结晶，所 以晶粒尺寸没有发生变化。当变形程度增大到一定得数值后，此时的畸变能已足以引起再 结晶，但由于变形程度不大，n c 的比值很小，因此得到特别粗大的晶粒。所以，通常把 对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度， 当变形量大于临界变形量之后，随着变形量的增加，晶粒愈细化。 图2 7变形量与再结晶尺寸的关系 ( 2 ) 退火温度的影响 退火温度对刚完成再结晶时的晶粒尺寸的影响比较弱。随着退火温度的提高可以使得 再结晶速度显著加快，临界变形度数值变小。如图2 8 为低碳钢应变度及退火温度对再结 晶后晶粒大小的影响。 _ 瞄氅l o 。2 图2 8 低碳钢应变度及退火温度对再结晶后晶粒大小的影响 堪爨t 麓爨蠢参钕菇帑够智囊鬈mk羹 武汉科技大学硕上学位论文 第1 5 页 ( 3 ) 原始晶粒尺寸 变形度一定得时候，原始的晶粒越细小，再结晶后的晶粒也就越细。如下图2 9 为黄 铜的再结晶晶粒与变形度及原始晶粒大小的关系 l g ( 蔗始蠡褴大夺神 图2 9 黄铜的再结晶晶粒与变形度及原始晶粒大小的关系 因此在计算晶粒尺寸的过程中，主要考虑原始晶粒尺寸、应变和应变速率。 再结晶晶粒尺寸与施加的应变量有直接的关系，而应变速率的影响非常小。而在某一 道次之前的晶粒尺寸被认为是“初始晶粒尺寸( d o ) ，对于不完全再结晶的情况，下一道 次的初始晶粒尺寸可采用公式( 2 4 ) 来计算2 4 2 5 1 ： d o f + l = 屹牛f 门+ 纵1 一五) 2 ( 2 4 ) 式中：以，一此道次间的软化比； d o i 、d o m 一此道次与下道次的初始晶粒尺寸； 口删一此道次完全再结晶后的晶粒尺寸； 此道次完全再结晶的晶粒尺寸d r e x 可表示为： d 。= m 事d o 宰s ”枣z 一 ( 2 5 ) 式中：z _ 为z e n e r - h o l l o m o n 参数。 因为在热轧的各道次的间隙中，奥氏体可能存在没有1 0 0 的静态再结晶，所以将有一 定程度的残余应变存在，这部分残余应变将会保留到下一道次，因此在计算下一道次的应 变时，应该加上道次的残余应变汹删： 占= 毛+ 占 ( 2 6 ) a s = o 7 5 岛一l 事( 1 一k ) 当置接近1 时，下道次的初始晶粒尺寸为k ，但是如果置很小，则m 接近原始尺 第1 6 页 武汉科技大学硕上学位论文 寸( d o i ) ，在这种情况下，晶粒只会因施加的应变而改变形状。 静态再结晶后晶粒将发生长大现象，晶粒长大模型采用c m s e l l a r s 和h y a d a 等人 的晶粒长大方程，即： d ”= 锣急+ 么木t 木e x p ( 一q ( r 宰r ) ) ( 2 7 ) 2 5 再结晶动力学模型 再结晶是形核和长大的一个过程，它的动力学与相变动力学相似，再结晶的等温动力 学曲线也具有明显的s 型特征，如图2 1 0 所示。再结晶退火开始的时候存在一段孕育期， 然后再结晶速度逐渐增加，开始时速率很小，然后逐渐加快，当再结晶体积分数达到约0 5 时，速度达到某一恒定的最大值，最后速度又逐渐下降。而且存在着温度越高，转变速度 越快的规律。 图2 1 0冷轧6 0 的含s i 3 2 5 钢的等温再结晶 静态回复和再结晶是金属热加工过程中发生的重要的冶金现象，对被加工金属的组织 演变和最终性能有重要的影响意义，因此国内外冶金学者对金属奥氏体区加工时的静态回 复和再结晶做了很多研究，比较著名的工作有加拿大m c g i l l 大学的j j j o n a s 教授课题 组和英国s h e f f i e l d 大学的c m s e l l e r 教授课题组以及西班牙国家冶金研究中心的 s f m e d i n a 教授课题组。国内的一些研究人员也对奥氏体区热加工时金属的静态回复和再 结晶进行过研究。进过多年的研究，目前普遍采用的奥氏体区静态再结晶动力学方程为 a v r a m i 方程乜吼3 ，即： x s = 1 一e x p ( 一c 宰( t t o 5 ) 4 ) ( 2 8 ) 式中：以一静态再结晶体积分数，； 壅圣翌垫查堂堡圭兰堡堡奎第17 页 f 静态再结晶时间，s 。 c 为常数，c = - l n o 5o n 一与变形过程有关的参数。 完成5 0 再结晶所需要的时间o j 与变形温度、变形速度、变形程度、和金属的化学成 分等有关系，采用c m s e l l a r s 和j j j o n a s 的公式口2 1 即： t o 5 = a 宰占口c 幸e x p q , , c ( r 宰r ) 】 ( 2 9 ) 式中：乇，一静态再结晶率达到5 0 的时间； 瓯一静态再结晶激活能，k j m o l ； g 一分别为应变程度； “一应变速率； l 卜为气体常数，8 3 1 4 4 7 2 j m o l 。1 k ； t 一变形温度，为热力学温度( k ) ； a 、b 、c - 均为常数。 2 6 本章小结 本章介绍了再结晶的概念及其研究意义、再结晶的过程、影响再结晶的因素、再结晶 的形核及长大及静态再结晶动力学模型，为以后章节q 2 3 5 b 的静态动力学模型的得到打下 理论基础。 第1 8 页 武汉科技大学硕- l 学位论文 第三章双道次压缩模拟实验方案与结果 为了获得q 2 3 5 b 钢在热轧过程中的静态再结晶规律及晶粒尺寸变化规律，首先通过双 道次压缩变形的热模拟实验，获得不同条件下的软化率实测数据，在此基础上建立q 2 3 5 b 钢的再结晶动力学模型。 3 1 双道次压缩热模拟实验 3 1 i 实验材料及实验设备 实验材料为某公司热连轧生产线上经粗轧的q 2 3 5 b 板坯，化学成分如表3 1 所示。将 板坯加工成两段带有凹槽的f d 8 m m 1 2 r a m 的圆柱试样，如图3 1 所示。 l | 厂 ， 火 图3 1 试样尺寸图 表3 iq 2 3 5 b 的化学成分 美国d s i ( d y n a m i cs y s t e m si n c ) 科技联合体所研制生产的g l e e b l e 系列热力模拟试 验机是采用电阻法加热试样的物理模拟装置的典型代表，亦是目前世界上功能比较齐全、 技术先进的模拟试验装置之一。图3 2 为近2 0 年来为人们所广泛应用的6 1 e e b l e 系列热力 模拟试验机照片。 武汉科技大学硕i