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东北大学硕士学位论文摘要 低碳钢形变诱导铁素体相变的研究 摘要 本文结合国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目“新代钢铁材料的重大基 础研究一轧制过程中实现晶粒细化的基础研究”对普通低碳钢轧制过程中应变诱 导铁素体相变的各种影响因素进行了较系统的研究，取得如下研究成果： 1 确定了形变诱导铁索体相变的上限温度及变形量、变形速率对其的影响规 律。以不同成分的低碳钢为研究对象，在g l e e b l e1 5 0 0 热模拟实验机上进行 不同参数的单道次压缩实验，发现在变形的过程中存在形变诱导铁素体相变 这- 现象，且形变诱导铁素体相变的发生存在上限温度，其中应变速率和应 变量是影响应变诱导相变上限温度a d 3 的主要因素。应变速率减小，a a 3 升高， 逐渐趋近a 。3 ：应变量增大，a d 3 也升高。 2 实验发现在不同的温度变形，形变诱导铁素体相变存在临界的应变量和临界 的应变速率。变形温度越高，所需临界变形量越大：变形温度降低，所需临 界变形速率增高。 3 合金元素碳、锰均对形变诱导铁索体相变的上限温度有影响。m n 含量增加 可以明显地降低形变诱导相变的上限温度a 曲而碳对形变诱导铁素体相变 的上限温度a 的影响很小随着碳含量的增加，a d 3 温度稍有下降。 4 变形量、变形温度影响形变诱导铁索体的转变量。随着变形量的增加，形变 诱导铁素体量增加，但总量不会超过该温度下的平衡量；变形温度降低，形 变诱导铁索体量增加。 关键词：低碳钢，超级钢，应变诱导铁素体，变形，变形量，变形速率 查i ! 垄主：l 主主竺笙圭 垒量i ：坠： r e s e a r c ho fs t r a i ni n d u c e df e r r i t e t r a n s f o r m a t i o ni nl o wc a r b o ns t e e l a b s t r a c t t h ew o r k so ft h i sp a p e rw e r ec a r r i e do u ti n t e g r a t i n gw i t ht h e9 7 3p r o j e c to f 孤p m a j o rb a s i cr e s e a r c h f o rn e wg e n e r a t i o ns t e e lm a t e r i a l s t h es t r a i ni n d u c e d f e r r i t et r a n s f o r m a t i o no fl o wc a r b o ns t e e ld u r i n gd e f o r m a t i o nw a si n v e s t i g a t e d t h e f o l l o w i n ga r et h em a i n r e s u l t so b t a i n e d 1 t h eu p p e rl i m i tt e m p e r a t u r e so fs t r a i 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 na d 3w e r e i n v e s t i g a t e dt h r o u g hs i n g l ep a s sc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s w i ld i f f e r e n t d e f o r m a t i o np a r a m e t e r su s i n gg l e e b l e15 0 0 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r a i n i n d u c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o nw i l lo c c u rd u r i n gd e f o r m a t i o n t h eu p p e rl i m i t t e m p e r a t u r e so f s t r a i 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 na d 3w e r em a i n l ya f f e c t e db y s t r a i nv a l u ea n ds t r a i nr a t e ，a n dt h et e m p e r a t u r ea d 3i n c r e a s e sa st h es t r a i nv a l u e i n c r e a s e sa n dt h es t r a i nr a t ed e c r e a s e s 2 t h ee r i t i c a ls t r a i nv a l u ea n dt h ec r i t i c a ls t r a i nr a t eo ft h es t r a i ni n d u c e df e r r i t e t r a n s f o r m a t i o nw e r e c h a n g e db y v a r i a t ed e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e a s t h e d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e st h ec r i t i c a ls t r a i nv a l u ei n c r e a s e s t h el o w e r t h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e rt h ec r i t i c a ls t r a i nr a t e 3 t h eu p p e rl i m i t t e m p e r a t u r ea d 3o fs t r a i n i n d u c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o nw a s h i g h l ya f f e c t e db ym n a st h ec o n t e n to fm ni n c r e a s e s ，t h ea d 3w i l l d e c r e a s e a p p a r e n t l y ，b u t t h ea d 3d e c r e a s e sal i t t l ea st h ec o n t e n to fc a r b o ni n c r e a s e s 4 t h et r a n s f o r m a t i o na m o u n to fs t r a i n - i n d u c e df e r r i t e ( s i f ) d u r i n gd e f o r m a t i o nw a s i n f l u e n c e db yt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h es t r a i nv a l u e a st h es t r a i n v a l u ei n c r e a s e s ，t h ea m o u n to fs i ff o r m e dd u r i n gd e f o r m a t i o ni n c r e a s e s ，b u tt h e m a x i m u ma m o u n tw i l ln o tb eo v e rt h ec o u n t e r b a l a n c e a tt h es a m et i m e ，w h e n t h ed e f o n n a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s t h ea m o u n to fs i fw i l li n c r e a s e k e yw o r d s ：l o wc a r b o ns t e e l ，s u p e r s t e e l ，s t r a i n i n d u c e df e r r i t e ，d e f o m a a t i o n ，s t r a i n v a l u e ，s t r a i nr a t e i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名 j 叶 日期：2 0 0 3 1 2 ，- b i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 钢铁产量是衡量一个国家综合经济实力的重要指标之。它对国民经济的 发展起着举足轻重的作用。国民经济的各主要部门，如采矿、运输、机械制造和 农业的发展，如果离开了钢铁材料更是无法想象的。 钢铁材料具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、价格低 廉、使用方便和便于回收等特点，是工业生产和人民生活中广泛使用的材料。进 入2 i 世纪的今天，钢铁材料仍然以其极具竞争力的特性而处于结构材料的主体 地位。随着科学技术的飞速发展，钢铁材料已经能很好地和一些新型材料复合在 一起，例如塑制与不锈钢的复合就是一种制造家具非常好的材料，它还可以用求 装饰汽车、房屋或建筑物的内壁等，这也决定了钢铁材料在新型材料和传统材料 中的桥梁纽带作用。 现在常用钢材的单位主要有：铁路交通；煤矿、地质：石油化工； 轻工、纺织；建筑；电力；船舶；农林渔：汽车工程、机械 制造；邮电。 但是，随着社会经济的发展，钢铁工业所要面临的节省资源、节约能源、 保护环境的压力越来越大，而目前生产的大多数钢铁材料其强度只有理论强度的 1 6 1 7 ，还有巨大的性能潜力。所以，对传统的钢铁材料采用特殊的加工工艺， 以大幅度提高其性能，延长使用寿命，有效地提高资源的利用率和回收率，已经 成为目前钢铁材制研究领域的热点。 1 1 钢铁研究概况 】1 1 国际钢铁工业状况 伴随着2 1 世纪的到来，人类社会面临着世界经济走向全球化和科学技术进 步迅猛发展、 新月异的新形势。在当今社会信息、生物、纳米技术蓬勃兴起， 但传统结构材料如钢铁仍具有不可替代的作用，近年来国内外的材料科学工作者 都纷纷研究钢铁材料，日本在1 9 9 7 年提出了“超级钢计划”。韩国在1 9 9 8 年提 出了“高性能结构铜计划”，我国从1 9 9 8 年启动了国家重点基础研究发展规划项 目( 9 7 3 ) 一新一代钢铁材料的重大基础研究，提出了开发新一代钢铁材料的思 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 想，其含义是在充分考虑经济性的条件下，使钢材具有高洁净度、超细晶粒、高 均匀度的特征，强度韧性比常用钢材提高一倍。研究工作取得突破性进展，已率 先在工、世生产条件f 生产m 铁素体晶粒为4um 左右，屈服强度达到4 0 0 m p a 的 超级结构钢带，并成功地应用于汽车工业。围绕新一代钢铁材制的国际竞争已 经丌始。 钢铁材料由于其高强度、通用性和耐用性决定了其仍然是当今世界上最主要 的材料( 包括结构材料和功能材料) ，作为生产资料、生活资料被广泛应用于现 实生活当l = 】，所以是“必选”材料。根据国际钢铁协会对全球6 3 个主要产钢国 的统计，2 0 0 0 年全球粗钢产量达到创历史记录的8 4 3 亿吨，目前全球粗钢产量 约为1 0 亿n 屯1 2 。 世界范围内钢铁工业的基础地位仍将保持不变，降低生产成本仍然是适应经 济全球化的主要动力之一。在过去1 0 年中，钢铁生产过程的能源利用率达到更 高、更加经济、更加安全，并且能够适应环保要求，这些效果的获得，主要得益 i 钢铁生产工艺的大幅度改进，引进了高科技成分，从而使得钢铁产品的成本更 低、性能更好、熏量更轻。全球约有超过4 0 的粗钢生产的原材料束自于废钢的 循环回收利用，钢铁材料已经成为所有工业原材料中循环利用率最好的材料。肌 代钢铁工业的投资相对主要集中在产品质量、生产效率和环保方面，三者紧密联 系不可分割，构成现代钢铁工业的基本特点。 自1 9 世纪5 0 年代以来，特别是2 0 世纪5 0 年代以后，随着钢铁工业引进新 技术步伐的加快，钢铁工业得到飞速发展，对人类社会也产生了更加深远的影响， 所以钢铁工业仍然是人类社会文明进步的重要物质基础之一，具有不可替代的作 用。 1 1 2 国内钢铁工业形势 钢铁工业的发展列中国这样一个处于工业化进程中的发展中大国来说是挑 战与机遇并存，抓住机遇就可以实现中华民族的伟大复兴。2 0 0 0 年我国钢产罱 1 2 亿吨，进口量不到1 4 亿吨，国民生产总值大致为1 万亿美圆。2 1 世纪我吲 钢铁工业将面临加入w t o 和目趋激烈的国际市场竞争。全世界钢产量的形势是 在波动中增长，我国又是最大的发展中国家，特别是2 0 1 0 年以前，中国经济的 发展仍处于工业化的进程中，同时又处在城镇化进程中，交通运输、大型水利：( 程等基础设施和西部丌发又提到了重要同程上柬。因此，对钢铁材料的需求量非 常大，从而使我国钢产量的增长要高于全世界的平均增长速度。对中国的全面发 东北犬学硕士学位论文第一章绪论 展而言，钢铁材料又是不能不用的“必选材料”。钢铁工业仍是中国工业化进程 的攮础，钢铁工业作为基础产业的地位没有变，对于民富国强而言，也可以说是 战略工业。到2 0 1 0 年世界钢产量将超过9 亿吨，全世界的钢铁工业决非“夕阳 工业”，而到2 0 1 0 年中国钢产量将达到1 5 1 6 亿吨，这对中国钢铁工业而言， 钢铁材料的需求远远没有达到饱和，仍有较大的成长空间，所以中国的钢铁工业 更不会是“夕阳工业”。 当前中国萨面临着钢铁工业根本性战略转移的时代，5 0 年代钢铁工业有过 一次根本性战略转移，即旧恢复生产转移到大规模建设上来，把基本建设放在首 要地位；进入9 0 年代，钢铁工业又处于实现根本性战略转移的关键时期，即由 数量型转到质量型，由速度型转到效益型，由粗放经营转移到集约经营为主，把 品种质量放到首要地位上来，只要上品种、改质量、降消耗、增效益，这个战略 目标就一定能够实现。 钢的理论强度是8 0 0 0 m p a ，而现在正在使用的低碳钢的强度只有2 0 0m p a ， 低合金钢的强度只有4 0 0m p a ，合金钢的强度也只有8 0 0m p a 。要通过研究将钢 的强度和使用寿命提高，特别是提高钢的纯净度、改善钢的均匀性、细化钢的晶 粒度和微观组织。如果上述三种钢的强度或使用寿命提高一倍，那么占我国钢产 量6 0 的i 二述三类钢，每年可少用1 5 0 0 多万吨，直接经济效益达到4 5 0 亿元。 其问接经济效益，如减少钢厂、矿山的基建投资、减少运输量、降低生产过程能 耗及其对生态环境的影响等将更为可观。 根据研究资料表明：巾国作为发展中国家要分步赶上去，2 1 世纪前l o 年， 中困：i ：业生产将以平均8 的速度递增( 或前5 年平均递增9 ，后5 年平均递 增7 ) ，而农业将以平均3 的递增速度发展。2 0 0 0 年中国的生产总值的构成中， 农业约占1 6 ，工业约占5 0 ，而第三产业约占3 4 。2 0 0 1 2 0 1 0 年间，第三 产业的比例将进一步增长，而工业与农业闻的比值估计仍将保持3 ：1 ，以此为 前提估算，2 0 0 5 年中国将消费1 6 亿吨以上的钢材，2 0 1 0 年将消费1 9 0 2 0 亿 吨的钢材。而且，其中板材的消耗比例将逐年增长1 2 j 。 所以钢铁工业的发展对中国经济工业化进程有决定性的影响，是发展国民经 济必不可少的重要工业，因此，如何提高钢铁材料的综合性能就成为研究的重点。 1 2 钢铁材料的发展方向 众所周知，钢铁材料的化学成分不同，其性能也不同。但是对于同一种成分 的钢铁材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部微观组织结构，也可以使 东北大学硕士学位论天第一章绪论 其性能发生极大的变化。由此可以看出，除化学成分外，钢铁的内部组织结构和 状态也是决定钢铁材料性能的重要因素，这就促使人们致力于钢铁材料及合会内 部组织结构的研究，以寻求改善和发展钢铁材料的途径。 随着全球经济的发展和市场竞争的激烈程度的加剧，发展适合中国资源特点 的新一代钢铁材料是中国面临新世纪挑战的重要举措之一。具有优良性能价格比 优势，能够减轻环境负荷是发展新一代钢铁材料的基本出发点，也越来越受到人 们的重视。对钢的要求一般是制造成本低、强度高、韧性好。普遍提高钢铁材料 的强度、韧性、附加工艺性能和使用寿命，将是2 l 世纪钢铁工业的主要奋斗目 标之一。其经济意义是减少使用钢材的重量，降低单位制品的重量，达到节能和 减少自然资源消耗的目的。而对于目前用量很大的低合金高强度中厚板也需要进 一步的发展，要求钢板的制造成本低、强度高、韧性好，这样就要求在维持较低 成本增长的同时大幅度提高性能，所以在不大量增加合会含量的前提下，通过改 变工艺来获得较好的组织匹配从而得到较好的性能配合是最优先的途径。 多年来人们为提高其使用性能开展的广泛研究工作表明：钢的高强度和高韧 性是钢铁材料性能中相互矛盾的两个方面，要提高钢铁材料的强度必然降低其韧 性，而要提高钢铁材料的韧性必然降低其强度。影响材料强度和韧性的主要原因 是其化学成分和组织结构，研究表明：材料组织的细化处理是同时提高材料强度 和韧性的最为有效的途径。在2 1 世纪，中国钢铁产品要依靠科技进步不断进行 升级换代才行，而且要使新一代钢铁材料科技成果真正转化为经济效果，使“科 技兴国”战略得以实施。产品数量、质量、品种规格、标准以及生产工艺的革新 改造，新设备、新工艺的采用与工业发达国家相比，都存在较大的差距。因此， 新一代钢铁材料的丌发是以获得超细晶组织为主要目标的。对低碳钢，要减少钢 中合令元素的含量充分发挥钢铁材料本身的潜力，简化生产工艺流程，节约能源， 降低生产成本。在对低碳铡的各种强化手段中，只有组织细化方法可以在提高强 度的同时改善韧性，所以在高强度钢的发展中如何获得较细的微观组织则成为研 究巾的重点。其主要方向是以改善钢材的组织结构为手段，细化品粒。通过品粒 的细化，可以成倍地提高钢材的强度和韧性，如果将低碳钢的晶粒尺寸细化到1 um ，抗拉强度可达到7 0 0 m p a ，另外少加合余元素可减轻地球环境的负荷，降 低钢材的生产成本。 对于中国的钢铁工业，中国的钢产量已经突破了1 亿吨，居世界首位，成为 钢铁大国，但不是钢铁强国，人均占有量更是不足发达国家的1 5 ，而要在未来 社会中经受住激烈市场竞争的考验，满足国民经济发展的要求，必须走条以质 - 4 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 量求生存，以效益求发展的有中国特色的钢铁工业之路。 关于“超细化”( u l t r a f i n eg r a i n ) n 勺。范围的认定有一个发展过程，在6 0 年代， 尺寸小于1 0um 的细品粒是超细晶组织，而目前认为尺寸小于4 um 的细晶j 是 超细品组织u j 。 钢铁材料的性能与其组织形态密切相关，而钢铁材料的显微组织形态是由钢 的化学成分和生产工艺决定的，通过对组织的有效控制可决定钢铁材利的性能水 平。晶粒细化是提高材料强韧性的最有效的方法之一，对相同成分的钢，组织细 化或超细化后，材料的强韧性将显著提高。在晶粒细化的基础上，通过适当的相 变强化、沉淀强化以及固溶强化的配合，可以使材料的综合性能得到改善，或能 够满足不同使用性能的要求。在这方面，控轧控冷技术是进行组织控制，实现低 成本高性能钢生产的有效途径。轧制过程及轧后冷却过程的组织演变规律是控轧 控冷理论的基础，随着现代轧制技术的发展和新一代钢铁材料研究开发的进行， 简单成分系钢轧制过程及轧后冷却过程组织演变的理论及控制技术变得越来越 菔疆。 1 3 细化晶粒的方法 1 3 1 钢的控制轧制与控制冷却 控制轧制和控制冷却技术是二十世纪钢铁工业取得的最熏要的成就之一。通 过控制轧制和控制冷却，可以使钢材的强度和低温韧性有较大改善，同时节省能 源和使生产工艺简化，并充分发挥微合余元素的作用。 热轧过程中，在低温段通过强化轧制改善钢材强度和韧性的方法称为控制轧 制l ，控制轧制也可以更广泛地理解为对从轧前的加热到最终轧制道次结束为止 的整个轧制过程进行最佳控制，以使钢材获得预期良好的性能。控制冷却是控制 轧制技术的发展和完善。通过控制轧制之后的控制冷却，可以对冷却过程的相变 进行控制，实现相变强化、细晶强化以及沉淀强化等多种强化方式的有效结合， 可以在降低合会元素含量或碳含量的条件下，进一步提高钢材的强度而不牺牲韧 性。 圭i ! 垄主翌主兰竺垄圣 釜= 主竺建 p 魁 霸 p 埘 赠 时间 图1 - 1 控制轧制的发展p 1 f i g u r el - 1d e v e l o p m e n to f c o n t r o l l e dr o l l i n g ( a ) n o r m a lr o l l i n g ；( b ) c o n t r o l l e d r o l l i n go fc m ns t e e l s ；( c ) c o n t r o l l e dr o l l i n go fn b b e a r i n gs t e e l s ( i ) ；( d ) c o n t r o l l e dr o l l i n go fn b b e a r i n gs t e e l s ( i i ) ；( e ) h i g ht o u g h n e s sp r o c e s s i n gi n s u m i t o m om e t a li n d u s t r i e s l t d ( f ) c o n t r o l l e dr o l l i n gp r o c e s so f n i p p o ns t e e l c o r p o r a t i o n 按照轧制过程中的组织变化，控制轧制可以分为三个阶段【6 】。第一阶段是奥 氏体再结晶区控制轧制。在这一阶段，奥氏体变形过程中会发生动态再结晶，或 者在变形之后的道次删隔时间内发生静态再结晶，通过再结晶过程的反复进行， 奥氏体晶粒能够得到细化。第二阶段为奥氏体未再结晶区控制轧制。在这一阶段， 不仅奥氏体变形过程中不会发生动态再结晶，而且在变形之后的道次间隔时 j 静态再结晶乜很难发生，奥氏体晶粒变成扁平状，晶粒内位错密度增加，e i 有形 变带、形变孪晶等缺陷形成，增加了随后冷却过程奥氏体铁索体相变的形核部 东北大学硕士学位论文第一章绪论 位，因而能够有效地细化铁素体晶粒。第三阶段是两相区控制轧制。在这一阶段 变形过程中，先共析铁素体由于变形而形成亚晶，奥氏体仍然为未再结晶状态， 转变后会发生位错强化和晶粒细化，因而使钢材进一步提高强度，同时降低韧脆 转变温度。图1 1 为控制轧制的发展过程1 5 j 。控制轧制过程的选择及依据的物理 冶金基础因材料的成分变化而有很大的不同。对于简单成分的c m n 钢来说，山 于不含有对奥氏体的再结晶过程起抑制作用的台金元素，所以奥氏体的再结晶温 度范围比较宽，这样在通常的低温轧制过程得到的是细化了的奥氏体再结晶晶 粒，从而使随后的奥氏体一铁素体的相变过程中析出的铁素体晶粒达到细化。 1 3 2 合金化细化 对于含有n b 、v 、t i 等台金元素的微合金钢来说，其控n c l n 发生的物理 冶金学过程不仅与c m n 钢不同，而且还因所含的合金元素的不同而不同。含 n b 低碳钢是较早应用控制轧制技术而且非常成熟的一类钢。低碳钢中加入少量 的n b 具有显著的强化作用，其原因之一是沉淀强化。在铁素体基体上共格析出 的细小的含n b 碳氮化物具有显著的沉淀强化效果0 1 ，这些碳氮化物在板坯加 热时溶解在奥氏体中，轧制冷却过程中发生相变时，在铁素体的 面上沉淀。 加入少量的n b 还有一个重要的作用，就是n b 可以抑制奥氏体的再结晶过程。 加热过程中溶解在奥氏体中的n b 在温度降到固溶度线以下时，会从奥氏体中析 出细小的碳氮化n b ，这些碳氮化物可以有效地抑制奥氏体再结晶过程的进行， 因而可以提高奥氏体的再结晶温度，扩大奥氏体未再结晶的温度范围。变形可以 促进碳氮化物的析出，也就是应变诱导析出，因此含n b 钢控制轧制的一项重要 内容就是控制碳氮化物的析出，最大限度地发挥碳氮化物弥散析出的作用。板坯 加热温度对于含n b 来说非常重要，这一过程首先应当保证板坯中的碳氮化物充 分溶解于奥氏体中。加热温度过低，碳氮化物溶解不充分，因而影响到随后的析 出过程：加热温度过高，奥氏体晶粒发生长大，不利于铁索体的晶粒细化。 含t i 微合金钢在t i 含量超过o 0 2 时，其对强度的影响趋势及原理与n b 钢 相同，而在o 0 2 以下时对强度的影响极小。这是因为当t i 含量在0 0 2 以下时， 所有的t i 与钢中的n 相结合，形成t i n 在凝固过程和奥氏体高温区析出 7 1 ，而 t i n 的溶解温度很高，加热过程不溶解。当含量超过o 0 2 时，多余的t i 将和c 结台形成t i c ，而t i c 的圄溶与重新析出参与了组织和强度的变化。 含v 微合金钢的个重要特点是v 的碳氮化物在奥氏体中的溶解度很大， 溶解温度也很低【”1 2 】。因此含v 微台会钢控制轧制的特点是充分发挥奥氏体再结 查些盔芏罂主兰竺笙圭 星= 主竺鎏 晶控制轧制( r c r ) 的作用，通过奥氏体再结晶过程的反复进行细化奥氏体晶粒， 进而达到细化铁素体晶粒的目的。这一过程的突出优点是允许较低的加热温度和 较高的终轧温度，因而轧制过程比较经济。 图1 - 2 儿种热轧后在线冷却方法【8 1 f i g u r e1 - 2s e v e r a li n s i t uc o o l i n ga p p r o a c h e sa f t e rh o tr o l l i n g ( 1 ) d i r e c tq u e n c h i n g ；( 2 ) i n t e r r u p t e d d i r e c t q u e n c h i n g ；( 3 ) c o n t i n u o u sa c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( 4 ) i n t e r r u p t e d a c c e l e r a t e dc o o l i n g ；( 5 ) c o n t r o l l e dr o l l i n g 在控制轧制基础上进行的加速冷却过程中，相变强化是主要的强化机制，同 时也强化了铁索体的晶粒细化和由碳化物或氮化物产生的沉淀强化。图1 2 为轧 后在线冷却的几种方法。这些冷却过程的最大差别在于冷却速率和强制冷却温度 的不同。作为控制冷却过程的加速冷却，其最佳的冷却速度应当在实际的热轧过 程能够实现。直接淬火的目的是为了获得马氏体或贝氏体等低温相变产物，然后 需要进行回火。在l 断式加速冷却( i a c ) 或直接淬火中，强制冷却终止于某一 温度，然后进行空冷【i3 ”】，虽然在不连续直接淬火中，终冷温度必须低于马氏体 或贝氏体转变温度，但唰断式加速冷却的终止温度则随冷却速度、钢的淬硬性和 轧制条件而有较大的变化l l “。 合金化法是在钢中加入少量微合金元素，利用合金元素或者是合金化合物对 东北大学硕士学位论文第一章绪论 品粒长大的抑制作用来控制晶粒尺寸，其主要弊端是： ( 1 ) 增加合会化元素，提高了钢材的生产成本，这在新型钢铁替代材料大 量涌现的今天，极大地降低了钢铁材料的竞争能力和市场占有率，不 利于钢铁工业的发展。 ( 2 ) 提倡洁净生产的今天，在钢中) j n 2 x 合金元素会增大地球环境的负荷， 不利于环境保护。 ( 3 ) 单纯的合金化细化技术对钢铁材料组织细化有较大的局限性，它往往 要结合一定的热处理工艺进行综合细化，才能得到较好的效果。 1 3 , 3 形变诱导铁素体相变 变形对奥氏体一铁索体相变的热力学、动力学过程均具有强烈的影响，形变 奥氏体一铁素体相变可以说是4 ：l , n 过程组织演变及控制、实现铁索体晶粒细化的 基本理论之一。自上一世纪6 0 年代以来，随着控轧控冷技术的不断发展，国内 外冶金界对于形变奥氏体一铁素体相变的理论问题进行了大量的研究工作i ”“”， 有关相变的热力学、动力学体系也日臻完善。 对钢铁材料的微米、亚微米组织的形成机制的研究，己成为当前丌发传统 钢铁材料l 生能的热点。通过采用形变诱导铁索体相变和铁素体动念再结晶两种机 制柬获得超细品组织是有效手段之一。 8 0 年代术期，只本的y a d a 等发现通过应变诱导铁素体相变和铁素体动态再 结晶可以获得超细铁索体组织。之后，应变诱导铁素体相变引起了各国学者的广 泛关注，并对其进行了研究，取得了很多成果。明确了在a ，3 附近变形，可发生 应变诱导铁素体相变，利用应变诱导铁素体相变及铁素体的动态再结晶能够得到 接近1un l 的细晶铁素体；应变诱导铁素体在热力学上是不稳定的，在保温及冷 却过程中会发生变化等。对低碳钢的研究表明也可获得超细晶铁素体组织，这一 结果为提高钢材的综合性能提供了新的途径。 我们知道，铁索体晶粒细化是提高结构钢的强度和韧度的一个可行的方法， 许多研究工作者都集中研究细化晶粒，如低温集中趋搏，多轴变形，等道次角， 高磁场区域下变形，这些技术中，低温大变形被认为是获得超级结构钢的最可行 的方法，已经证明了o6 p 瑚2 0u m 的小颗粒铁素体钢可在低温大变形下生成。 在低温大变形下形成的低碳钢的显微结构通常包括2 0 um 大小的细小等轴铁索 体颗粒，颗粒内部和颗粒边界是渗碳体，这种特殊显微结构与普通的热轧低碳钢 相比，普通的热轧低碳钢包括粗大铁素体和珠光体。清楚地掌握这种组织的形成 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 机制在细化强化中是非常重要的。 一般对于细小铁素体形成机制的理解是以控轧技术为基础的，随着变形时奥 氏体区域的铁素体发射场的扩大，铁素体形状变小，铁素体发射区域随着奥氏体 变形的增加而扩大是由于奥氏体颗粒变形带的形成和颗粒边界的发射活性。掘此 控轧理论，细小铁素体不是变形期涮生成，而是发生在冷却过程。尽管在低温大 变形下可以产生另一种奥氏体向铁素体转变方式，即奥氏体向铁素体转变发生在 变形时而不是冷却过程中，由此热动力学观点，可以这样理解为：变形使奥氏体 更加不稳定，引起的奥氏体向铁素体的转变减少了系统的自由能：另一种动力学 观点可以解释为：奥氏体变形可以产生许多高潜能的铁素体发射区，奥氏体向铁 素体转变是如此的迅速，可以发生在变形时。 形变诱导铁索体相变在铁索体晶粒细化中起到重要的作用，但由于变形工艺 参数对形变诱导铁索体相变的影响，使得形变诱导相变作为一种细化铁素体晶粒 的机制在实验应用上受到一些限制，或者说形变诱导相变与其它细晶化机制相配 合更能发挥其作用。在一定条件下可以得到非常细小的形变诱导铁素体，但难以 获得大量的这样的铁素体，因为随着变形量的增加，形变诱导铁素体最多也只能 是该温度下的平衡量，从变形速率上来看，应变速率的增加，不利于形变诱导铁 素体的析出，在应变速率超过1 0 s 的情况下，形变诱导铁素体量很少，从变形 温度上来看，降低变形温度有利于形变诱导相变，但除了有析出量的限制之外， 还存在温度低于a ，时，变形| j i f 将会有先共析铁素体析出的问题。 a 。以下变形过程中组织变化的特点是变形之前已经有先共析铁素体析出， 这种铁素体多为较大的块状，在变形量较小时，先共析铁素体不发生再结晶，而 在奥氏体晶界有少量形变诱导铁索体析出，变形量较大时，先共析铁素体将发生 再结晶，形变诱导铁素体也将大量析出。 相变前奥氏体的状态可以分为再结晶状态和未再结晶状态。在变形温度较高 时通过再结晶过程的反复进行可以细化奥氏体晶粒，因此在奥氏体再结晶区的变 形对奥氏体一铁素体相变的影响主要是通过细化奥氏体晶粒来实现的。相变前奥 氏体晶粒细化，可以使相变后的铁素体晶粒得到细化【l ”。相变前细化奥氏体晶粒 还会使a r 3 点升高，从而增加了先共析铁素体量【2 。当冷却速率一定时，奥氏体 一铁素体相变比值，即相变前后奥氏体晶粒与铁素体晶粒直径之比是奥氏体晶粒 的函数。当奥氏体晶粒较粗时，这一比值远大于l 。随着奥氏体晶粒的细化，此 比值下降，当奥氏体晶粒尺寸达到1 1 级时，会接近约等于l 的极限值。在空冷 转变中，因再结晶奥氏体晶粒的细化导致的铁索体晶粒细化存在着极限”。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 奥氏体未再结晶区变形对奥氏体一铁素体相变的影响要比奥氏体再结晶区 变形的影响剧烈得多。这种影响总的来说具有如下特征：首先变形明显地加快了 奥氏体一铁素体相变的动力学过程，而且随着变形量的增大这种加速作用越大 2 2 - 2 3 ；其次是在转变的初始阶段变形的加速作用更为明显，随着转变过程的进行 变形的影响逐渐减弱。之所以具有这种特征是由于奥氏体未再结晶区变形具有如 下特点：奥氏体未再结晶区变形使奥氏体晶粒拉长，形成饼形晶粒，增大了晶界 面积；变形将奥氏体晶粒边界处的退火孪晶激活成铁素体形核地点；在变形奥氏 体中形成变形带，而这形变带也可以作为铁素体的形核部位【2 4 】。此外，变形对相 变的加速作用还由于奥氏体晶界会发生应变集中，从而提高了晶界上铁素体的形 核率。尽管大多数文献 2 5 - 2 7 】认为变形对奥氏体一铁素体相变的加速作用是由于变 形使铁素体不仅在奥氏体晶界而且还在晶内的缺陷上形核，但v m k h l e s t o v 等 的研究结果却表明奥氏体晶内缺陷处的形核对相变的加速作用不是很大。 关于变形带对铁素体形核的作用，田中【2 8 】认为变形带可以起到分割奥氏体晶 粒的作用，也就是未再结晶区变形在奥氏体晶粒内部产生的变形带可以将奥氏体 晶粒分割成几个小区域，因而增加了铁素体的形核部位，得到更细的铁素体品粒。 奥氏体未再结晶区变形对奥氏体一铁素体相变的影响还表现在对a r 3 的影响 上。大内千秋等【2 9 1 研究了变形对铁素体相变开始点a r 3 的影响，结果表明对于 含n b 钢来说，随着变形量的增加，a o 先是上升，当压下量超过4 0 以后，便 不再升高；对于s i m n 钢，变形温度在8 8 0 以上时，压下率超过1 0 以后a r 3 点几乎不随压下量的增加而变化，并且在这一温度范围内温度对a r 3 也几乎没有 影响。 r b e n g o c h e a 等【3 0 】对c m n - n b 钢采用扭转方法详细研究了冷却过程形变奥 氏体的组织演变过程。认为在奥氏体未再结晶区由于变形累积的应变能在过冷度 较小的情况下是铁索体形核的主要驱动力。铁素体形核在转变初期是位置饱和型 的，大量的铁素体晶核在奥氏体晶界形成，随着冷却过程的进行铁素体转变量增 大，且伴随着铁素体的粗化过程，而这种粗化过程在转变的后期尤为重要。铁索 体最终晶粒尺寸不是由形核密度确定的，而是由转变速率、铁索体粗化速率以及 在奥氏体晶粒内部能够被激活的形核部位三者之间的竞争来确定的。此外， r b e n g o c h e a 等还指出了形变奥氏体连续冷却转变过程会引起组织不均匀的问 题，vm k h l e s t o v 等也指出了同样的问题。 田村今男等 3 1 1 将变形对奥氏体一铁素体相变的促进作用称之为应变诱导相 变( s t r a i ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ) 或应变强化相变( s t r a i ne n h a n c e dt r a i l s f o r m a t i o n ) 。 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 y a d a 等p2 | 发现c m n 钢在一定温度范围内变形过程中就会有铁素体析出，这也 被称之为应变诱导相交。近几年，这一现象得到了人们的广泛关注 3 3 - 1 4 】，而且应 变诱导铁素体相变也特指为变形过程中发生的相变。也有一些文献给出了另外一 些表述，如动态相变( d y n a m i ct r a n s f o r m a t i o n ) ，应变辅助低温相变( s t r a i n a s s i s t e d l o w t e m p e r a t u r et r a n s f o r m a t i o n ) ”4 i ，应变诱导动态相变( s t r a i ni n d u c e dd y n a m i c t r a n s f o r m a t i o n ) ，形变诱导铁素体相变( d e f o r m a t i o ni n d u c e d f e r r i t e t r a n s f o r m a t i o n ) f ”j 等。尽管说法不同，但本质上却没有明显的差别。 在有关应变诱导铁素体相变的一些文献p ”4 j 中，其判断应变诱导铁索体相变 的根据主要是试样变形后的淬火组织，如果淬火组织中有铁素体，则认为变形过 程中发生了相变，因为这些铁素体不可能在快速淬火冷却过程形成。文献1 4 i j 通过 测量变形后的冷却膨胀曲线提供了应变诱导铁素体相变的问接证据。y a d a 等i 4 5 】 通过在热变形过程中进行在线x 一射线衍射研究证实了含镍低碳钢在a 3 以上9 0 便可以发生应变诱导铁索体相变。 应变诱导铁索体相变的驱动力仍然是形变能，一些文献 4 3 , 4 4 1 认为应变能的作 用很大，以至于在a 。3 以上很高的温度下仍然可以发生应变诱导相变，但这似乎 有悖于传统的热力学。关于应变诱导铁索体相变的机制问题，有文献认为是块状 转变，其依据是在变形后淬火试样的心部得到了9 0 以上的铁素体而没有珠光 体，这在淬火条件下是无论如何得不到这样的组织的【4 。y a d a 等发现超细晶铁 素体的形成在应变速率达到2 5 0 s 时对应变速率不敏感 4 5 】，在这样高的应变速率 下碳的扩散应当被抑制，而在应变速率较小时，应变速率增加有助予应变诱导相 变，因此认为碳的扩散在此不起重要作用，但用块状转变和马氏体转变均无法解 释这一实验现象4 “。可见应变诱导铁索体相变的发生条件、相变机制等许多理论 问题还需要系统的研究。 通过形变诱导铁素体相变和铁索体动态再结晶获得的超细铁素体组织，晶粒 尺寸可以达到1um 以_ f ，生产工艺流程简单而且易于控制，还大大降低了钢铁 的生产成本，而强度、韧性和塑性等综合力学性能得到了很大程度的提高，充分 发挥了低碳索钢自身的潜力。 虽然钢铁材料组织细化可以通过微合金元素对不同加工阶段再结晶、相变及 晶粒长大的作用，通过对轧制工艺参数及随后的冷却的控制来实现，但对不含合 会元素的普通低碳素钢，由此发展的工艺原则上是不适用的。通过奥氏体晶粒细 化导致铁索体晶粒细化，形变热处理细化法的极限值为5 “m 。因此低碳钢在临 界温度附近轧制变形产生的形变诱导铁素体是细化晶粒的一种普遍适用的方法。 查i ：垄主罂主耋竺笙圣 至= 兰竺釜 y a d a 等人在c - m n 钢中采用在a ，3 附近大变形使铁素体晶粒细化到3 “m 以下f “1 ， p dh o d g s o n 等人在s i - m n 钢中采用热扭转方法在a ，温度附近变形得到接近1 t t m 的细铁素体晶粒，并采用在a ，3 附近大变形获得细晶薄带钢板。但是通过在 a ，3 温度附近大变形诱发相变得到的铁素体晶粒，需要在接近1 2 2 0 的大应变下 进行，在实际生产中是很难进行的。如果奥氏体向铁素体转变是在温度过冷和应 变的双蘑条件f 进行，从而可以大幅度提高奥氏体向铁素体转变的相变骆动力， 明显提高形核率，无需通过大应变就可以使铁素体品粒尺j r 大幅度细化，可以在 不有意添加合金元素的情况下把屈服强度提高一倍。 所以过冷奥氏体形变诱导相变是获得超细铁素体品粒最为行之有效的途径， 具有极为重要的工业应用价值。在理沧界的研究中受到广泛的重视。目前，美国 通过低温大变形使铁素体晶粒细化到2pm 以下，阿本也在进行这方面的研究， 其超级钢计划的目标是开发1um 级超细晶结构。我国于1 9 9 8 年提出的“新一 代钢铁材料的重大基础研究项目”就是对低碳素钢和微合金钢进行晶粒的细化研 究。 在获得超细晶粒的方法中，目前广泛研究且在大生产中可实际应用的是在高 温通过形变诱导铁素体相变。通过形变诱导铁素体相变和铁素体动念再结晶以获 得超细铁索体组织。现在已经明确了在a ，3 ( 冷却时奥氏体到铁索体的转变点) 附近变形，可发生形变诱导铁索体相变，加上铁素体的动态再结晶可以获得微米 量级的细晶铁索体。 利用形变诱导铁素体相变和铁索体再结晶机制获得超细铁索体组织成为目 前提高钢性能的主要方向之一。7 0 年代发展起来的控轧控冷技术( r c r 、c c r 、 d r c r 、t m c p ) ，是以奥氏体再结晶和未再结晶区变形为基础，配合控制冷却工 艺可以使铁素体晶粒控制在l o um 左右。然后以形变诱导铁素体相变和铁索 体再结晶机制为基础获得超细晶铁素体，最小铁素体晶粒尺寸可以控制在11 1m 左右。 低碳钢形变诱导相变作为晶粒细化的一种手段，它强调奥氏体向铁素体的转 变是在温度过冷和应变的双重条件下进行，从而大大增加奥氏体向铁素体转变的 相变驱动力，明显提高形核速率。结构钢的品粒细化一直是人们追求的重要目标 之一，在对简单成分系的c m n 钢通过控轧控冷技术使其铁素体晶粒细化的研究 方面，国内外己进行了大量的研究】作并已取得了重要进展1 4 。5 6j 。从相变角度柬 看，奥氏体一铁素体相变是形核长大型的扩散型相变，铁素体的晶粒尺寸决定于 铁素体的