（材料加工工程专业论文）高速列车转向架用钢组织性能控制参数研究.pdf

r e s e a r c hf o rc o n t r o l l i n gp a r a m e t e ro f m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f b o g i es t e e lo fh i g h - - s p e e dr a i l w a y b y l il i n g l i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u d i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 声明尸明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人己经发表或撰写过 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 左二 恧。 学位论文作者签名蠢胁 日 期：卿莎7 l 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 高速列车转向架用钢组织性能控制参数研究 摘要 随着我国铁路的第六次大提速，中国已经迈进了高速铁路时代。转向架是机车车辆 最重要的承载结构之一，也面临着严峻的考验。高速列车转向架用钢不仅具有一定的强 度和较高的韧性，同时具有良好的焊接性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能。目前所用的转 向架用钢如q 3 4 5 系列钢种性能与国外先进国家的同类钢种相比存在较大差距。因此将 微合金化和控制轧制与控冷技术相结合，开发新型高速列车转向架用钢具有十分现实的 意义。因此本文以新研发的高速铁路转向架用钢为研究对象，研究其在热加工过程中的 组织变化，并研究工艺参数及微合金元素对组织性能的影响。论文的内容主要包括以下 几个部分： ( 1 ) 以含0 0 2 5 n b 、o 0 2 t i 的n o 1 钢为研究对象，采用单道次压缩实验，研究 了变形温度、变形程度和变形速率对实验钢变形抗力的影响规律，建立了n o 1 钢的变 形抗力数学模型； ( 2 ) 以含0 0 2 5 n b 、0 0 2 t i 的n o 1 钢和含0 0 3 2 t i 的n o 2 钢为研究对象，采用 双道次压缩实验，研究了实验钢奥氏体区热变形后等温保持时间里的静态再结晶行为。 研究发现n o 1 钢静态再结晶激活能为2 5 0 6 1 k j m o l ，而n o 2 钢静态再结晶激活能为 2 0 3 4 1k j m o l 。并建立了n o 1 钢的静态再结晶模型。 ( 3 ) 采用热膨胀法测定了不同奥氏体化温度条件下和变形条件下的n o 1 钢连续冷 却转变曲线，结合金相观察结果，给出了奥氏体化温度、变形以及冷却速度对n o 1 钢 组织的影响和微合金析出规律。结果表明：奥氏体化温度的降低和变形均使c c t 曲线 向左上移动，扩大了铁素体区和珠光体区，缩小了贝氏体区，促进奥氏体向铁素体的转 变。而变形则促进微合金元素n b 、t i 碳氮化物的析出。 ( 4 ) 采用实验室热轧实验，研究了不同终轧温度、终冷温度、冷却速度及微合金元 素等对组织和性能的影响，制定了合理的控制轧制和控制冷却工艺参数。实验结果表明： 随着终轧温度和卷取温度的降低，n o 1 钢的强度先提高后降低；随着冷速的提高，n o 1 钢的强度提高。而添加n b 、n 可以提高强韧性。 关键词：转向架用钢；微合金；控轧控冷；静态再结晶；连续冷却转变 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r so fm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f b o g i es t e e lo fh i g h s p e e dr a i l w a y a b s t r a c t a sc h i n ai n c r e a s e st h er a i l w a ys p e e dt h es i x t ht i m e ，w ee n t e ri n t ot h ee r ao f h i g h s p e e d r a i l w a y b o g i ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc a r r y i n gs t r u c t u r e si nl o c o m o t i v e ，f a c i n gas e v e r e t e s t s t e e lu s e df o rh i g h s p e e dr a i l w a yb o g i es h o u l dn o to n l yh a v eac e r t a i ns t r e n g t ha n d t o u g h n e s s ，b u ta l s oh a v eag o o dw e l d i n gp e r f o r m a n c e ，f a t i g u er e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c e a tp r e s e n t ，t h e r ee x i s t sl a r g eg a pb e t w e e nt h eb o g i es t e e lo fc h i n as u c ha sq 3 4 5 s e r i e sa n dt h a to ff o r e i g na d v a n c e dc o u n t r i e s s od e v e l o p m e n to ft h en e wh i g h - s p e e dr a i l w a y b o g i es t e e li sv e r ys i g n i f i c a n tc o m b i n i n gm i c r o a l l o y i n gw i t ht m c rs ot h i sp a p e ri sa b o u ta n e wk i n do fs t e e lu s e df o rh i g h s p e e dr a i l w a yb o g i e ，r e s e a r c h i n gi n t ot h em i c r o s t r u c t u r e c h a n g ei n t h er o l l i n ga n dt h ee f f e c to fm i c r o a l l o ye l e m e n t so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a i n c a lp r o p e r t y t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h en o 1s t e e lc o n t a i n i n g0 0 2 5 n b ，0 0 2 t ii si n v e s t i g a t e dt h r o u g hs i n g l e - p a s s c o m p r e s s i o nt e s t t h ei n f l u e n c eo ft h ed e f o r m i n gt e m p e r a t u r e ，d e f o r m i n gd e g r e ea n d d e f o r m i n gr a t e t ot h es t r e s so ft h es t e e la r e r e s e a r c h e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f r e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o ni se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h en o 1s t e e lc o n t a i n i n g0 0 2 5 n b ，0 0 2 t ia n dn o 2s t e e lc o n t a i n i n g0 0 3 2 t i a r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hd o u b l e - p a s sc o m p r e s s i o nt e s t t h eb e h a v i o ro fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n d u r i n gc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea f t e rt h eh o td e f o r m a t i o no ft h es t e e lt ob et e s t e di na u s t e n i t i c a r e ai sr e s e a r c h e d t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fs t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o no fn o 1s t e e li s2 5 0 61 k j m o la n dt h a to fn o 2s t e e li s2 0 3 41k j m 0 1 t h ed y n a m i cm o d e lo fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n o f n o is t e e li ss e tu p ( 3 ) t h et h e r m a ld i l a t a t i o nm e t h o di st a k e nt ot e s tt h ec c tc u r v e so nb o t hd i f f e r e n t a u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r e a n dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n t h ei n f l u e n c eo f a u s t e n i t i z i n g t e m p e r a t u r e ，d e f o r m a t i o na n dc o o l i n gr a t ei nm i c r o s t r u c t u r eo fn o 1 s t e e la n dm i c r o a l l o y p r e c i p i t a t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e df r o mt h em e t a l l o g r a p h i c t h er e s u l ts h o w st h el o w e r i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o nm a k ec c td i a g r a mm o v el e f t w a r da n du p w a r d ， p r o m o t i n gt h et r a n s f o r m a t i o nf r o ma u s t e n i t et of e r r i t e a n dd e f o r m a t i o nm a k e sm o r e p r e c i p i t a t i o nc o n t a i n i n gn b ，t i ( 4 ) t h r o u g ht h eh o tr o l l i n gt e s ti nt h el a b o r a t o r y , t h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r s ( f i n i s h r o l l i n gt e m p e r a t u r e ，f i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gr a t ea n dm i c r o a l l o y ) o nt h es t r u c t u r e a n dp r o p e r t yo ft h es t e e lt e s t e di ss h o w n a n dt h ep r o p e rr o l l i n ga n dc o o l i n gt e c h n o l o g yi s m a d e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r e n g t ho fn o 1s t e e li si n c r e a s e da n dt h e n d e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo ff i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r ea n df i n i s hc o o l i n gt e m p e r a t u r e i t a l s os h o w st h es t r e n g t hi sh i g h e ra st h ec o o l i n gr a t ei n c r e a s e s a n dt h es t e e lw i t h m i c r o a u o y n b ，t ig e t sh i g h e rs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s k e 沙o r d s ：b o g i es t e e lo fh i g h - s p e e dr a i l w a y ；m i c r o a l l o y ；c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e d c o o l i n g ；s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 高速列车转向架1 1 。1 1 高速列车转向架对材料的要求2 1 1 2 高速列车转向架用钢的现状4 1 1 3 转向架用钢的合金化分析5 1 2 微合金钢的强韧化机制6 1 2 1 晶粒细化6 1 2 2 析出强化7 1 2 3 相变强化一8 1 3 控制轧制和控制冷却技术8 1 3 1 控制轧制8 1 3 2 控制冷却一9 1 3 3 控制轧制与控制冷却技术对相变的影响1 0 1 3 4 微合金碳氮化物在控轧控冷中的作用1 2 1 4 本文的研究背景和内容1 3 1 4 1 本文的研究背景1 3 1 4 2 本文的研究内容1 3 第2 章热变形1 5 2 1 实验方案1 5 2 1 1 实验材料一1 5 2 1 2 单道次压缩实验1 5 2 1 3 淬火实验1 6 2 1 4 双道次压缩实验1 7 2 2 单道次压缩试验结果与分析1 8 2 2 1 不同钢种的应力应变曲线1 8 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 2 变形温度对变形抗力的影响1 9 2 2 3 变形速率对变形抗力的影响2 0 2 2 4 变形程度对变形抗力的影响2 2 2 2 5 变形抗力数学模型2 2 2 3 淬火试验结果及分析2 4 2 3 1 加热温度对奥氏体晶粒的影响2 4 2 3 2 微合金元素对奥氏体晶粒的影响2 5 2 4 双道次压缩试验结果及分析2 6 2 4 1 软化率曲线分析2 6 2 4 2 静态再结晶的影响因素2 7 2 4 3 静态再结晶激活能2 9 2 4 4 静态再结晶动力学模型3 0 2 5 本章小结3 2 第3 章连续冷却转变的研究3 3 3 1 实验方案3 3 3 1 1 实验材料3 3 3 1 2 热模拟实验一3 3 3 2n o 1 钢实验结果及分析3 5 3 2 1c c t 曲线分析3 5 3 2 2 过冷奥氏体相变组织3 7 3 2 3 加热温度对过冷奥氏体相变的影响4 l 3 2 4 变形对过冷奥氏体相变的影响4 2 3 2 5 冷却速度对过冷奥氏体相变的影响4 3 3 3 连续冷却过程中微合金元素的析出4 4 3 4 本章小结4 6 第4 章热轧试验4 9 4 1 实验方法一4 9 4 1 1 实验材料4 9 4 1 2 实验方法4 9 4 2 实验结果与分析5 2 4 2 1 显微组织5 2 东北大学硕士学位论文 目录 4 2 2 终轧温度对组织性能的影响5 5 4 2 3 终冷温度对组织性能的影响一5 7 4 2 4 冷却速度对组织性能的影响5 9 4 2 5 微合金元素对组织性能的影响6 0 4 3 本章小结6 2 第5 章结论6 3 参考文献6 5 致谢7 l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着我国铁路的第六次大提速，中国已经迈进了高速铁路时代。客车高速化、货车 重载化已是铁路运输的既定发展方向。转向架构架是机车车辆最重要的承载结构之一， 转向架是车辆的走行部，它的性能决定了车辆运行品质、行车安全【l ，2 1 。国内外大量研究 表明【3 7 1 ，随着提速、高速列车的迅猛发展，要求转向架不仅重量轻，而且整体结构的抗 疲劳性进一步提高，这就要求高速列车转向架用钢不仅具有一定的强度和较高的韧性， 同时具有良好的焊接性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能。 1 1 高速列车转向架 图1 1 转向架构架的基本结构 f i g i 1b a s i cs t r u c t u r eo fb o g i e 转向架是车辆的走行部分，它的作用是使车体支承其上并可相互转动，以承受和传 递车辆运行中所承受的各种载荷及轮轨间的作用力；能保证列车在规定速度范围内安全 地在直线和曲线区段上运行，并具有良好的运行品质和足够的可靠性及安全性；传递牵 引力并能实施车辆制动功能，确保行车安全【4 j 。铁道车辆的转向架是直接与车辆的乘坐 舒适度、安全性有关的部件，也是可靠性要求特别高的部件之一。转向架构架不仅是构 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 成转向架的主要构件，也是负载条件特别苛刻的零部件。由于它是焊接而成的结构件， 所以确保其制造技术和强度的可靠性便成了重要课题。 图1 1 分别表示以往及最近转向架构架的结构，下面以转向架构架的结构( 图1 1 ( 1 ) ) 为例，详细说明其结构( 图1 1 ( 1 ) 下方) 。转向架构架由主强度构件侧梁及横梁组成，并且 两者再利用焊接方式结合。如图所示，在分割成2 部分的构件内部，为保持截面，按一 定的间隔安装了加强板。另一方面，最近的转向架构架( 图1 1 ( 2 ) ) 用钢管作为横梁，且贯 通侧梁，在该位置进行焊接的连结结构形式较多。这种焊接连结部的坡口形状( 开始时 如图1 1 所示) 是没有内垫板的结构，但后来已改进成为添加内垫板结构( 图1 1 中结构( 1 ) 的坡1 ：3 形状( a ) ) 。而且，通过将横梁贯通侧梁结构( 图1 1 中结构( 2 ) 的坡口形状( b ) ) ，该焊 接部在可以实现提高截面刚度的同时，进一步改进了难以产生焊接缺陷的结构。 1 1 1 高速列车转向架对材料的要求 综观世界铁路的发展历程可以看到，它从“夕阳交通”向“朝阳交通”的变化主要是靠 高科技的进步，尤其是靠速度的逐步提高来带动的。上世纪6 0 年代以来世界范围内掀 起了铁路高速化的浪潮。除既有线路提速改造外，还改建和兴建了许多条高速铁路，高 速列车的研制也日新月异。除日本新干线列车、法国t g v 高速列车、德国i c e 高速列车 外，意大利、西班牙、英国、瑞典、瑞士、韩国等都纷纷发展自己的高速列车。按照欧 洲对高速铁路的定义，既有线路速度超过2 0 0 k m h 、新建线路速度超过2 5 0 k m h 均可称之 为高速铁路 4 1 。 高速铁路所具备的新特点，使之成为拉动铁路技术进步的“火车头”。这些特点如下： ( 1 ) 安全性高； ( 2 ) 正点率高； ( 3 ) 舒适性好； ( 4 ) 移动设备运用率高、运用里程长； ( 5 ) 虽然一次性投入较大，但综合技术经济指标好。 以上这些特点决定了高速铁路在与高速公路和航空的竞争中具有较大的优势，并且 占优势的旅行里程从3 0 0 8 0 0 k m 扩大到7 2 0 0 1 5 0 0 k m ，当然，铁路的高速化也带来了许 多新问题。问题主要集中在高速轮轨冲击、高速制动、高速受流、高速气动力学、轻量 化等方面。由此，对高速动力车上应用的材料有特殊要求，研制新材料必须设法满足这 些要求。 ( 1 ) 安全和环保：机械材料必须满足高速运行对强度、重量、寿命的要求。电气及 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 装饰材料必须满足绝缘、阻燃、隔音等要求； ( 2 ) 高运用率：要求材料的耐疲劳性好、磨耗低、检修率低； ( 3 ) 高经济性：要求材料的寿命期成本低，性能价格比高。 为适应高速运行必须设法减轻动力车的重量。然而寿命期营运里程的延长和轮轨冲 击的加剧又对走行部和车体材料强度和耐疲劳提出了更高要求。而这两者是相互矛盾 的，最终必然对新材料的强度、抗疲劳、轻量化、工艺性等提出更加高的要求。 优异的制动性能是保障高速列车安全运行的关键。为此，要求制动盘和闸片的热容 量大、摩擦性能好、耐温性好、传导散热率高又轻量化。 高速下的受流则更要求接触压力小、离线率小、火花小、滑板磨耗低。 为减小高速气动力，列车应具有较小的阻力系数和交汇压力波，因此需要采用流线 型的动力车头。由于车头形状比较复杂，一般都用复合材料制造这就要求能提供强度 高、抗撞击性好、体积质量小、表面光洁的复合材料。 总之，铁路高速化对于材料应用提出了新的苛刻要求。 其中，制造高速列车转向架用的结构材料的选择是一个重要的课题，因为正确地选 择结构材料可以在制造转向架的金属用量最少的前提下保证可靠和长时间运用。决定结 构材料在车辆转向架构架结构中的应用效果的主要性能是：强度( l ) 和塑性( a ) ，冲击 韧性( a k v ) ，切割和焊接工艺性，基本金属和焊接接头的耐腐蚀性能。 ( 1 ) 耐腐蚀性能 转向架在我国铁路运行环境中还要经受住大气侵蚀，因此构架材质还需要有抗腐蚀 性能。在大气中的腐蚀( 锈蚀) ，是钢铁材料的主要破坏形式之一。世界上每年约有1 6 年 产量的钢材因腐蚀而损耗。为防锈蚀所采取的诸如打磨、涂装等措施所需要的费用更是 占到工程投资总费用的相当比例。因此，防止或减缓钢铁材料在大气中腐蚀是提高钢铁 材料使用寿命的重要方法。 ( 2 ) 低温韧性 我国南北地域的温度差异很大，在西北和东北的很多地区冬季的最低温度可达4 0 以下，因此构架材质还需要有耐低温的性能。 用于高速列车的转向架构架，目前日，法、德、英等国家都是焊接结构，未采用铸 钢构架。由于转向架焊接构架是复杂动负荷的主要承载构件，该动负荷又随速度的提高 而明显增强。因此要求该焊接构架有足够的强度和抗疲劳性能，以便减轻自重，实现低 动力作用和确保运行安全可靠。焊接构架在我国铁路运行环境中还要经受住南方的大气 侵蚀和北方的低温( 4 0 c ) 考验。如果构架是冲压成形后组焊的，则还需有一定的延伸性 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 和屈强比f 9 1 。 ( 3 ) 可焊性，指钢材焊接时形成裂纹和在焊缝区产生脆性的程度。主要取决于钢材 的化学成分，另外还与焊件结构的形状、刚度及焊接材料和工艺规范有关。一般当碳钢 含碳量牛o 2 5 ，合金钢含碳量牛o 1 8 或碳当量c e 2 7 j ；法国转向架构架用钢 a 4 2 f p ，按照n f a 3 7 2 0 5 8 3 的规定，冲击功a k v - 4 0 2 8 j 。在我国尚没有相关标准对 机车车辆用钢的低温冲击韧性作出明确的规定。但是我国南北地域的温度差异很大，在 西北和东北的很多地区冬季的最低温度可达4 0 c 以下，为此要求铁路机车车辆转向架 和车体用钢的冷脆转变温度应低于一4 0 。c ，如果以a i 【v 。4 0 4 7 j 作为考核指标，1 6 m n r 、 q 3 4 5 、q 3 4 5 q 很难达到使用要求。 以上情况说明q 3 4 5 系列钢种的低温冲击韧性较低，脆性转变温度在4 0 。c 以上，对 于需要在4 0 。c 以下使用的重要结构很难适应。q 3 4 5 与国外先进国家的同类钢种相比存 在较大差距，在这种情况下，迫切需要开发一种韧性和焊接性都优于q 3 4 5 的高韧性钢 材。 1 1 3 转向架用钢的合金化分析 高速列车转向架的作用和工作环境，要求用于转向架的钢材要具备一定的强度和较 高的韧性，同时具有良好的焊接性能、抗疲劳性能、耐磨性和耐腐蚀性能。因此针对高 速列车转向架对材料的要求，考虑添加以下合金元素。 铜：c u 在钢中加入0 2 - - 0 4 的c u 时，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中， 都具有较普碳钢优越的耐蚀性能。关于c u 对改善钢的耐大气腐蚀性能作用机理，说法 不一，主要有两种机制。一为t o m a s h o w 提出的促进阳极钝化论，认为钢与表面二次析 出的c u 之间的阴极接触，能促使钢阳极钝化，并形成保护性较好的锈层；另一是c u 富集说，认为c u 在基体与锈层之间形成以c u 、p 为主要成分的阻挡层，它与基体结合 牢固，因而具有较好的保护作用；这些解释都是基于c u 在钢的表面及锈层中的富集现 象，因此这两种机制可能同时起作用。值得注意的是，c u 有抵消钢中s 的有害作用的 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 明显效果。其作用特点是，钢中s 含量愈高，合金元素c u 减低腐蚀速率的相对效果愈 显著，般认为这是c u 和s 生成难溶的硫化物所致。c u 为面心立方结构，既能降低钢 的冷脆转变温度，又能提高钢的室温和低温韧性【l 。 铌：铌在控制轧制和热机械处理时，会产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化。在 铌含量小于万分之几时就很有效；增大含量不会引起任何重大的改进。当铌与钼结合时， 可以获得特别高的位错强化，但通常各向异性很显著。铌是在控制轧制中最有利的元素， 固溶在奥氏体中的铌能很好地控制加工后的再结晶，还能将再结晶温度提高l o o * c 以上， 这一作用使一般程度的控制轧制效果在较高温度也可以获得。但是对固溶体中阻止再结 晶的铌的作用机理却还没有完全清楚。关于铌在诱导相变获得超细晶粒铁素体中的作 用，经过研究，人们认为添加n b 后有利于钢中诱导相变的发生。n b 提高了诱导相变临 界温度，降低了诱导相变临界变形量，并对诱导相变细晶铁素体的长大有抑制作用，因 此拓宽了利用临界l a t j 工艺获得细晶组织的控轧控冷工艺窗1 ：3 t 1 2 1 。 钛：t i 在钢中除起细化晶粒作用外，由于t i 与n 的亲和力极强，形成t i n 颗粒， 其在1 1 5 0 c 以上就开始形成，因此在连铸、钢坯加热、轧制等过程中，t i n 颗粒均能阻 止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，微量t i 元素的加入还有如下作用：1 固定n 元素， 阻止n 元素的析出，提高钢的时效性能；2 t i n 在高温下包容氢原子，为氢原子提供了 “小陷阱”，避免了氢原子的汇集，减少焊接时的氢裂纹倾向，因此可提高焊接性能1 1 l 】。 细化晶粒不仅能提高钢的强度，而且能改善性能，且钢材的可靠性依赖于韧性t i 是强 碳化物形成元素，通过碳化物、氮化物质点阻奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用， 减弱第一类回火脆性，且有二次强化作用。 1 2 微合金钢的强韧化机制 近年来，国内外都致力于开发新型的高强度微合金结构钢，这些钢不仅具有高的强 度，并且具有良好的塑性、韧性、可焊性和低的韧脆转变温度，冷成形能力也十分优异。 低碳钢最重要的力学性能指标是室温屈服强度l 、抗拉强度r m 和冲击韧性转变温度 t 。，在大多应用条件下，l 和t 。是设计选材的最基本指标。随着工程应用对材料性能 需求的提高，人们一直把提高钢的l 和降低t c 作为研究和开发的重点。 1 2 1 晶粒细化 晶粒细化是钢最主要的强化方式之一，同时，它也是钢铁材料大幅度提高韧性的最 重要的韧化方式。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 晶界两边的晶粒的取向完全不同且完全无规，晶界是原子排列相当紊乱的地区。因 此，当塑性变形和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿 过晶界就比较困难；另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展又需改变。因此，和晶内的 变形及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很 大的能量。故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高。材料的晶粒越细，晶界面 积就越大，材料的强度和韧性就越高。 h a l l 和p e t c h 首先独立地得出了晶粒细化强化的h a l l p e t c h 公式，晶粒细化对屈服 强度的贡献可用下式表示： 一! 仃= k , d 2 ( 1 1 ) 式中d 为有效晶粒尺寸，对铁素体珠光体钢，即为铁素体晶粒尺寸；对板条马氏 体组织，即指板条马氏体束的尺寸；对孪晶马氏体组织，则为奥氏体晶粒尺寸。很多研 究者对低碳钢的大量试验研究结果充分证实了h a l l p e t c h 关系式的正确性。 在微合金化控轧钢中获得细晶的主要方法是：在奥氏体未再结晶区进行大变形，促 进微合金元素碳氮化物的析出、增加未再结晶奥氏体晶界、形变带和位错孪晶等晶体缺 陷，以增大有效晶界面积，提高形核率，从而细化铁素体组织。 1 2 2 析出强化 材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法称为第二相强化 或析出强化。 析出强化是一种非常有效的重要强化方式。添加微量的微合金元素可获得成百m p a 的强度增量，同时微合金碳氮化物析出相还有晶粒细化作用。因此，微合金碳氮化物的 析出强化是微合金钢中最重要的强化方式之一。 一般的微合金碳氮化物在尺寸较小时，与铁素体基体之间都有明确的位向关系，与 基体之间保持半共格；此外，微合金碳氮化物都具有相当高的强度，且在正常的加工处 理工艺条件下得到的微合金碳氮化物质点均为球形或径厚相差不太大的圆片状。因此微 合金碳氮化物对韧性的危害并不很大，仅由于其周围基体的点阵畸变而导致韧性一定程 度的下降和冲击转折温度一定程度的升高。由于微合金碳氮化物析出强化效果大致随第 二相体积分数的1 2 次方而增加，而其脆化作用将随第二相体积分数的增大而增大，因 此，不能靠提高m ( c n ) 相的体积分数来无限制地提高其强化效果。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 相变强化 合理的控轧控冷工艺可以在降低钢中微合金元素含量或碳含量的情况下不降低钢 的强度从而提高韧性。在加速冷却过程中起作用的主要是相变强化以及达到加强的a 晶 粒细化或碳氮化物沉淀强化效果。通过轧制后的加速冷却，可以使未相变的，晶粒发生 相变生成微细的多边形铁素体晶粒，使a 晶粒更加细密，且内部还可能包含亚晶粒。这 种包含亚晶粒的混合组织可以使强度增大。低碳钢轧后经加速冷却，当终冷温度在适当 范围内时，将产生针状铁素体和粒状贝氏体组织，这种组织由于位错密度高，基体上又 均匀分【1 3 】布弥散而细小的碳化物，因而具有较高的显微硬度值和较好的韧性。 1 3 控制轧制和控制冷却技术 1 3 1 控韦0 轧韦0 懈 魑 图1 2 控制轧制过程中的显微组织变化 f i g 1 2e v o l u t i o no fm i c r o s t r u c t u r ed u r i n gc o n t r o l l e dr o l l i n g 控制轧制与控制冷却工艺作为一种有效的形变热处理手段，近年来已经成功1 1 4 , 1 s 】地 应用于钢材生产。控制轧制通常分为奥氏体再结晶区轧制、奥氏体未再结晶区轧制和 ( ，+ a ) 两相区轧制所组成，如图1 2 所示。在再结晶区，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间隔时间内发生静态再结晶，通过再结晶过程的反复进 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 行，奥氏体晶粒能够得到细化。其主要目的是通过形变一再结晶过程使加热时粗化的初 始y 晶粒得到细化，从而在y _ a 相变后得到细小的a 晶粒。相变前的) ，晶粒越细，相 变后的a 晶粒也越细。再结晶优先形核区多为变形不均匀区域，即晶界、晶粒内部形核 带、夹杂物及第二相等附近。所以，初期晶粒直径越小，变形程度越大，形核区密度和 驱动力增加越大，再结晶晶粒就越细小。 在未再结晶区，奥氏体经变形后呈扁平状，在晶粒中形成变形带、位错及孪晶，铁 素体在这些位置上形核，晶粒得到细化。形变带的形成受n 车l s d 条件的影响，随着变形 量的增加，形变带的密度升高。轧制温度很低时，温度对形变带密度影响不明显，但可 以观察到应变累积的效果。初期晶粒度、变形速度对形变带密度没有影响，晶粒越细， 形变带的均匀性就越大。在再结晶温度以下进行变形可使 ，一a 的相变点快速升高，使 相变点升高的原因可认为是由于奥氏体自由能增加、形核晶界面面积的增加、变形使扩 散速度增加、以及由于在晶界面附近变形而使界面本身提供的核生成能量增加等的缘 故。 在两相区控制轧制，奥氏体未再结晶区变形得到延续，未相变的奥氏体晶粒更加伸 长，在晶内形成形变带。同时相变后的铁素体晶粒在受到压下时，在晶粒内形成亚结构， 获得亚晶强化机制。在轧后的冷却过程中，前者发生相变形成多边形晶粒，而后者因回 复变成内部含有亚晶粒的铁素体组织。钢材强度得到进一步提高，同时韧脆转变温度降 低。 1 3 2 控制冷却 由于加速冷却对于晶粒细化和组织强化的作用，现在已经充分认识到“水是最廉价 的合金元素”。对于一些钢材，控轧控冷可以取消常规# l n 工艺的轧后再加热热处理工 艺，从而简化了生产工艺，提高生产效率，并且可以节约昂贵的合金元素和能源，具有 很大的社会效益和经济效益 1 4 j 5 1 。加速冷却是形变热处理的进一步发展、完善的形式。 采用轧后加速冷却，在不破坏钢的韧性的情况下，可使强度进一步提高。从2 0 世纪8 0 年代初开始，世界各发达国家在热轧板带钢生产线上陆续采用了轧后加速冷却这一先进 技术。若终轧后加快冷却速度，在，专a 相变时，由于过冷度增大使相变驱动力增大， 铁素体形核点明显增加，导致铁素体形核速度加快，在常温下就可获得比控轧钢更细的 铁素体晶粒。除了细晶强化外，相变强化、沉淀强化等也是加速冷却过程中主要的强化 方式。但在实际生产中，冷却速度也不宜太大，否则容易产生马氏体和板条贝氏体等组 织，不利于钢材的塑性；同时口晶粒太细时，屈服强度提高的程度一般大于抗拉强度， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 会造成屈强比升高，不能够满足某些产品低屈强比的性能要求。 1 3 3 控制轧制与控制冷却技术对相变的影响 关于变形对铁素体相变的研究表明，在相变初期变形显著加速铁素体相变 1 6 , 1 7 1 。随 着相变进行，变形的影响逐渐减弱。p r i e s t n e r 和h o d g s o n 关于c m n - n b 钢的研究表明， 在连续冷却相变初期，奥氏体晶界位置饱和，铁素体晶粒撞击，然后合并粗化【l 引。 b e n g o c h e a 等关于c m n - n b 钢变形奥氏体一铁素体相变组织演化规律的研究表明，积累 变形产生的储存能在7 9 0 。c 时占相变总自由能的8 0 ，在7 7 0 。c 时占5 0 ，相变温度低 于7 0 0 时变形储存能的影响减弱到可被忽略的程度。在相变初期铁素体优先形核点是 奥氏体晶界，随着连续冷却温度降低，铁素体在晶粒内形核，体积分数增加，此时伴随 铁素体晶粒粗化。铁素体晶粒的最终尺寸不但取决于形核和长大速率，而且还受铁素体 晶粒粗化的影响。最终的显微组织不均匀、含有粗大的铁素体晶粒时，对钢的力学性能 ( 特别是韧性) 是有害的【1 7 l ，尽管平均晶粒尺寸可能很小。p r i e s t n e r 和h o d g s o n 指出，诱 发相变发生在较短时间，在相变过程中快速降低温度，均可使铁素体晶粒粗化减慢。 变形对奥氏体一珠光体相变的影响与对奥氏体一铁素体相变的影响基本相同【l 6 1 ， 即：( 1 ) 变形加速珠光体相变，应变量越高、变形温度越低，这种作用越显著；( 2 ) 对 于等温转变，在珠光体相变初期可以获得特别高的相变速率，但随着这种共析反应的进 行，变形对相变的促进作用逐渐减弱；( 3 ) 对于连续冷却相变，在较高的相变温度( 低过 冷度的奥氏体1 下，变形奥氏体分解的速率较高。 由于相变前奥氏体的初始状态对贝氏体相变行为和显微组织具有很大影响，因此研 究变形奥氏体向贝氏体转变特征具有重要的实际意义。与珠光体相变不同，奥氏体变形 以更为复杂的方式影响贝氏体相变，不同作者在不同实验条件下【1 6 】关于不同钢种的研究 结果大不相同。k h l