第三章 形变奥氏体相变

1、共29页 第1页第三章第三章. .钢在变形条件下的相变及钢在变形条件下的相变及 中高碳钢控制轧制和控制冷却中高碳钢控制轧制和控制冷却 本章主要是要讲述由于变形使金属的本章主要是要讲述由于变形使金属的相变形行为不同于通常先加热然后在相变形行为不同于通常先加热然后在不同条件下进行冷却所发生的相变行不同条件下进行冷却所发生的相变行为以及其后的变形问题。为以及其后的变形问题。共29页 第2页3.1 3.1 变形后的奥氏体向铁素体的转变（变形后的奥氏体向铁素体的转变（-Fe） 3.1.1 从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒从再结晶奥氏体生成的铁素体的重要特征之一是随着奥氏体

2、晶粒的从再结晶奥氏体生成的铁素体的重要特征之一是随着奥氏体晶粒的细化，铁素体晶粒也按比例地细化。细化，铁素体晶粒也按比例地细化。铁素体晶粒优先在奥氏体晶界生成一般在晶内不成核。所生成的铁素体晶粒优先在奥氏体晶界生成一般在晶内不成核。所生成的铁素体既有块状铁素体既有块状( (等轴的等轴的) )，也有分布在原奥氏体晶粒内部呈针状的，也有分布在原奥氏体晶粒内部呈针状的先共析铁素体先共析铁素体( (魏氏组织铁素体魏氏组织铁素体) )。钢中魏氏组织的形成会降低钢的冲击韧性和塑性，因而希望低碳钢中魏氏组织的形成会降低钢的冲击韧性和塑性，因而希望低碳钢的热轧产品中尽量减少以至消除魏氏组织。钢的热轧产品中尽量

3、减少以至消除魏氏组织。在热轧时只有通过对热轧工艺参数的控制，使奥氏体品粒细化，才能既适在热轧时只有通过对热轧工艺参数的控制，使奥氏体品粒细化，才能既适当的加快冷却速度，细化了铁素体晶粒，又不致于导致魏氏组织的形成。当的加快冷却速度，细化了铁素体晶粒，又不致于导致魏氏组织的形成。共29页 第3页热轧条件对魏氏组织的影响热轧条件对魏氏组织的影响共29页 第4页 转变前的奥氏体晶粒转变前的奥氏体晶粒直径与转变后的铁素直径与转变后的铁素体晶粒直径之比体晶粒直径之比A/FA/F称为转换比称为转换比奥氏体即使细化到奥氏体即使细化到1010级，级，铁素体晶粒也只细化到铁素体晶粒也只细化到10.510.5级。

4、因此为了使铁素级。因此为了使铁素体晶粒进一步细化，必需体晶粒进一步细化，必需在此基础上再进行奥氏体在此基础上再进行奥氏体未再结晶区的控制轧制。未再结晶区的控制轧制。共29页 第5页3.1.23.1.2从部分再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒从部分再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒 部分再结晶奥氏体晶粒由两部分组成：再结晶晶粒部分再结晶奥氏体晶粒由两部分组成：再结晶晶粒、未未再结晶晶粒。再结晶晶粒。 再结晶的晶粒细小，在其晶界上析出的铁素体往往也较细再结晶的晶粒细小，在其晶界上析出的铁素体往往也较细小。而未再结晶的晶粒受到变形被拉长，晶粒没有细化，小。而未再结晶的晶粒受到变形被拉长，晶粒没有细化，因此铁

5、素体成核位置可能少，容易形成粗大的铁素体晶粒因此铁素体成核位置可能少，容易形成粗大的铁素体晶粒和针状组织。和针状组织。 从部分再结晶奥氏体晶粒生成的铁素体是不均匀的，这种从部分再结晶奥氏体晶粒生成的铁素体是不均匀的，这种不均匀性对强度影响不太大、但对材料的韧性有较大的影不均匀性对强度影响不太大、但对材料的韧性有较大的影响。响。 如果在部分再结晶区进行多道次轧制由于轧制温度逐渐如果在部分再结晶区进行多道次轧制由于轧制温度逐渐下降，最后未能达到奥氏体完全再结晶。但下降，最后未能达到奥氏体完全再结晶。但这时这时部分再结部分再结晶晶粒的平均晶粒尺寸减小或晶粒中的末再结晶晶粒受到晶晶粒的平均晶粒尺寸减小

6、或晶粒中的末再结晶晶粒受到了比较大的变形，晶粒不仅被拉长，晶内还可能出现较多了比较大的变形，晶粒不仅被拉长，晶内还可能出现较多的变形带，转变后亦能得到细小的铁素体晶粒，整个组织的变形带，转变后亦能得到细小的铁素体晶粒，整个组织的均匀性和性能都能改善的均匀性和性能都能改善. .共29页 第6页3.1.33.1.3从未再结晶奥氏体生成的铁素体晶粒从未再结晶奥氏体生成的铁素体晶粒 在未再结品奥氏体中由于有变形带的存在，铁素体不仅在在未再结品奥氏体中由于有变形带的存在，铁素体不仅在晶界上成核而且在变形带上成核。晶界上成核而且在变形带上成核。 在变形带上形成的铁素体晶粒细小在变形带上形成的铁素体晶粒细小

7、210m)，成点列，成点列状析出。状析出。 从奥氏体晶界生成的铁素体晶粒在奥氏体晶粒的中间互相从奥氏体晶界生成的铁素体晶粒在奥氏体晶粒的中间互相碰撞时就停止成长。即铁素体晶粒是以伸长了的奥氏体晶碰撞时就停止成长。即铁素体晶粒是以伸长了的奥氏体晶粒短轴尺寸之半中止其成长的。粒短轴尺寸之半中止其成长的。其结果就是突破了单纯细其结果就是突破了单纯细化再结晶奥氏体晶粒而使铁素体晶粒细化的限度，得到了化再结晶奥氏体晶粒而使铁素体晶粒细化的限度，得到了细小的铁素体晶粒。细小的铁素体晶粒。 变形带上的铁素体先行析出并且细小，而不在变形带上的变形带上的铁素体先行析出并且细小，而不在变形带上的奥氏体转变较晚，转

8、变后会形成较前者粗的铁素体晶粒。奥氏体转变较晚，转变后会形成较前者粗的铁素体晶粒。因此在末再结晶区轧制既有可能得到均匀细小的铁素体晶因此在末再结晶区轧制既有可能得到均匀细小的铁素体晶粒，也有可能得到粗细不均的混晶铁素体晶粒。粒，也有可能得到粗细不均的混晶铁素体晶粒。 关键在于能否在未再结晶区中得到均匀的变形带。关键在于能否在未再结晶区中得到均匀的变形带。共29页 第7页得到均匀变形带工艺控制得到均匀变形带工艺控制 未再结晶区的总变形量小，未再结晶区的总变形量小，得到的变形带就少，而且得到的变形带就少，而且分布不均。分布不均。 在总变形量相同时，一道在总变形量相同时，一道次压下率愈大，变形带愈次

9、压下率愈大，变形带愈容易产生，而且在整个组容易产生，而且在整个组织中容易均匀。织中容易均匀。 为了保证获得细小均匀的为了保证获得细小均匀的铁素体晶粒，需要在未再铁素体晶粒，需要在未再结晶区保证其总压下率大结晶区保证其总压下率大于一定值，要大于于一定值，要大于4545。 从奥氏体末再结晶区生成从奥氏体末再结晶区生成的铁素休晶粒直径可以小的铁素休晶粒直径可以小5m5m，达到，达到12121313级。级。Nb钢在未再结晶区轧制时压下钢在未再结晶区轧制时压下次数、道次压下率与变形带的关次数、道次压下率与变形带的关系系共29页 第8页热加工钢材的奥氏体向铁素体相变形态示意图ASTM 5共29页 第9页铁

10、素体细化的程度将按型B型过渡型 A型变化，型的最细共29页 第10页 要发生相变必须满足相变发生的热力学条件，即要发生相变必须满足相变发生的热力学条件，即相变产生的方向应该是降低体系自由能变化的方相变产生的方向应该是降低体系自由能变化的方向向:G0 自由能方程为：自由能方程为： G=-V（ GV- GE）+ Gs G：体系中自由能变化：体系中自由能变化 GV：化学自由能变化：化学自由能变化 GE：弹性自由能变化：弹性自由能变化 Gs：新相形成的表面自由能变化：新相形成的表面自由能变化 V：体积：体积共29页 第11页3.1.43.1.4变形条件对奥氏体向铁素体转变温度变形条件对奥氏体向铁素体转

11、变温度Ar3Ar3的影响的影响 变形对变形对Ar3Ar3温度的影响有两种温度的影响有两种情况情况 在奥氏体再结晶区变形后造在奥氏体再结晶区变形后造成奥氏体晶粒的细化，从而成奥氏体晶粒的细化，从而影响影响Ar3Ar3温度。温度。 在奥氏体末再结晶区变形后在奥氏体末再结晶区变形后造成变形带的产生和畸变能造成变形带的产生和畸变能的增加，从而影响的增加，从而影响Ar3Ar3温度温度（称为形变诱导相变）（称为形变诱导相变）。n加热温度的影响加热温度的影响加热温度的不同实际上也就是加热温度的不同实际上也就是原始奥氏体晶粒度的不同。原始奥氏体晶粒度的不同。原始奥氏体晶粒愈是粗大，原始奥氏体晶粒愈是粗大， A

12、r3温度就愈低。温度就愈低。共29页 第12页p轧制温度的影响 含钛16Mn钢，加热温度1200，10min。铁素体开始转变温度与轧制温度的关系。共29页 第13页p变形量的影响随着变形量加大，Ar3 提高。可达40一70在高温变形时变形量对Ar3 的影响较小，而在低温变形时对Ar3的影响大，低温大变形时尤为突出。这是由于低温变形产生形变诱导相变的结果。16Mn钢的变形量对Ar3 的影响曲线p冷却速度的影响共29页 第14页影响 Ar3因素的定性分析共29页 第15页3.23.2变形条件对奥氏体向珠光体、贝氏体转变的影响变形条件对奥氏体向珠光体、贝氏体转变的影响3.2.13.2.1变形条件对奥

13、氏体向珠光体的影响变形条件对奥氏体向珠光体的影响 变形对奥氏体向珠光体转变动力学的影响方面目前的研究结果比较一致的变形对奥氏体向珠光体转变动力学的影响方面目前的研究结果比较一致的是变形使珠光体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。是变形使珠光体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。图图312312是将是将0.140.14c c的碳钢加的碳钢加热到热到12501250并保持并保持10min10min后冷却后冷却至至10001000进行进行5050轧制，然后轧制，然后以不同冷却速度测出变形奥氏以不同冷却速度测出变形奥氏体连续冷却转变图。体连续冷却转变图。5050的高温变形使先共析铁素的高温变形使先共析铁素体、

14、珠光体及贝氏体相变温度体、珠光体及贝氏体相变温度都有升高，从而使连续冷却转都有升高，从而使连续冷却转变图上大部分曲线向温度变图上大部分曲线向温度时时间坐标的左上方移动间坐标的左上方移动。共29页 第16页 变形量对含铌变形量对含铌16Mn16Mn的变形的变形奥氏体向珠光体转变开始奥氏体向珠光体转变开始温度、终了温度的影响曲温度、终了温度的影响曲线。线。 曲线表明曲线表明: : (1)(1)变形量增加使变形量增加使A Ar1sr1s、A Ar1fr1f 都上升。变形都上升。变形4040时，升时，升高幅度达高幅度达150150左右。左右。 (2)(2)其它的研究还证明，变其它的研究还证明，变形温度

15、愈低，变形使珠光形温度愈低，变形使珠光体转弯温度提前的就愈多。体转弯温度提前的就愈多。 (3)(3)变形对变形对A Ar1r1的影响大于对的影响大于对 A Ar3r3的影响，因而变形使的影响，因而变形使 (A+F)(A+F)两相区缩小。两相区缩小。共29页 第17页 在整个珠光体转变范在整个珠光体转变范围内，转变围内，转变2 2及及5050所需时间的缩短倍数所需时间的缩短倍数随形变量的增加而提随形变量的增加而提高，因等温转变温度高，因等温转变温度的下降而减少。的下降而减少。结论：结论：变形对珠光体转变形对珠光体转变的影响大体与变形对变的影响大体与变形对铁素体的影响有相同的铁素体的影响有相同的规

16、律。规律。共29页 第18页3.2.23.2.2变形条件对奥氏体向贝氏体转变的影响变形条件对奥氏体向贝氏体转变的影响图图312312表示的是表示的是10001000，5050变形使连续转变时的变形使连续转变时的贝氏体转变开始温度上升，贝氏体转变开始温度上升，说明变形缩短了孕育期。说明变形缩短了孕育期。但转变结束的温度曲线却但转变结束的温度曲线却向右下方移动，表明变形向右下方移动，表明变形使贝氏体转变结束阶段变使贝氏体转变结束阶段变慢。慢。共29页 第19页 变形对贝氏体转变影响复杂变形对贝氏体转变影响复杂原因：原因： （1 1）贝氏体转变是以扩散）贝氏体转变是以扩散型与共格型转变的混合机构型与

17、共格型转变的混合机构发展的。发展的。 （2 2）受两种因素的制约；）受两种因素的制约；一方面由于变形使奥氏体缺一方面由于变形使奥氏体缺陷密度增加，促进铁原子自陷密度增加，促进铁原子自扩散，使贝氏体转变加快。扩散，使贝氏体转变加快。 另一方面，高温奥氏体所造另一方面，高温奥氏体所造成的多边形化亚组织将奥氏成的多边形化亚组织将奥氏体分割成细小的共格区，在体分割成细小的共格区，在相当程度上破坏晶格取向的相当程度上破坏晶格取向的延续性，使得贝氏体转变中延续性，使得贝氏体转变中铁素体相的共格成长受到阻铁素体相的共格成长受到阻碍。从而将转变过程减慢下碍。从而将转变过程减慢下来。来。共29页 第20页3.3

18、3.3铁素体的变形与再结晶铁素体的变形与再结晶3.3.1铁铁素素体热加工中的组织变化体热加工中的组织变化铁铁素素体热加工的真应力体热加工的真应力真应变曲线真应变曲线与奥氏体热加工的真应力与奥氏体热加工的真应力真应变真应变曲线的最大不同就曲线的最大不同就是不出现应力峰是不出现应力峰值，曲线上没有应力下降的一段，值，曲线上没有应力下降的一段，当形变速度很低时才会出现应力峰当形变速度很低时才会出现应力峰值。值。 铁素体加工时的动态软化方式是动态铁素体加工时的动态软化方式是动态回复与动态多边形化，没有动态再结回复与动态多边形化，没有动态再结晶。即使在变形达到很大时，铁素体晶。即使在变形达到很大时，铁素

19、体晶粒愈来愈被拉长，但是晶内的亚晶晶粒愈来愈被拉长，但是晶内的亚晶仍为等轴的，并且亚晶的尺寸在应力仍为等轴的，并且亚晶的尺寸在应力的稳定阶段一直保持不变。这意味着的稳定阶段一直保持不变。这意味着在热加工过程中铁素体的亚晶不断的在热加工过程中铁素体的亚晶不断的产生，又不断的原地消失，位错的增产生，又不断的原地消失，位错的增殖速度与消失速度保持平衡。殖速度与消失速度保持平衡。共29页 第21页3.3.23.3.2在变形间隙时间里铁素体发生的组织变化在变形间隙时间里铁素体发生的组织变化l 铁素体在变形的间隙时间里也将发铁素体在变形的间隙时间里也将发生静态的回复和再结晶软化过程。生静态的回复和再结晶软

20、化过程。l 产生静态再结晶也是有条件的，也产生静态再结晶也是有条件的，也就是只有在铁素体中的变形达到某就是只有在铁素体中的变形达到某一值后才能发生。一值后才能发生。l 在同样的变形量下，随着温度升高在同样的变形量下，随着温度升高或停留时间延长，再结晶百分数都或停留时间延长，再结晶百分数都增加。增加。l 变形量对静态再结晶也有影响。变形量对静态再结晶也有影响。共29页 第22页3.4中高碳钢控制轧制特点中高碳钢控制轧制特点高碳钢奥氏体的再结晶行为高碳钢奥氏体的再结晶行为共29页 第23页碳含量对再结晶的影响不大，但加入铌后，对低碳钢的影响大。因为含铌碳含量对再结晶的影响不大，但加入铌后，对低碳钢

21、的影响大。因为含铌钢中碳量的多少决定了铌的固溶量。碳量增加则铌的固溶量减少。钢中碳量的多少决定了铌的固溶量。碳量增加则铌的固溶量减少。铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶临界变形量的影响铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶临界变形量的影响共29页 第24页如图示提高加热温度，则铌的固如图示提高加热温度，则铌的固溶量增加。溶量增加。当加热温度由当加热温度由1200提高到提高到1250 ，轧制温度为，轧制温度为1050，临界压，临界压下率由下率由20提高到提高到40以上。以上。这是由于固溶量增加使阻止奥氏这是由于固溶量增加使阻止奥氏体再结晶作用加强。体再结晶作用加强。铌、碳对中高碳钢奥再结晶临界变形量的影响铌、碳

22、对中高碳钢奥再结晶临界变形量的影响共29页 第25页铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶晶粒度的影响铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶晶粒度的影响结论：结论：(1)含铌钢在小压下率和低温时进入完全未再结晶区，因而没有数据；含铌钢在小压下率和低温时进入完全未再结晶区，因而没有数据；(2)压下率愈大、轧制温度愈低所得到的再结晶奥氏体晶粒愈细；压下率愈大、轧制温度愈低所得到的再结晶奥氏体晶粒愈细；(3)轧制温度对奥氏体晶粒尺寸的影响较小，而压下率的影响较大，轧制温度对奥氏体晶粒尺寸的影响较小，而压下率的影响较大，(4)在同一工艺条件下，加入铌的中碳钢比不加铌的中碳钢的再结晶晶粒细。在同一工艺条件下，加入铌的中碳钢

23、比不加铌的中碳钢的再结晶晶粒细。共29页 第26页碳含量碳含量0.20.2一一0.80.8范围内的钢在再范围内的钢在再结晶区域内实施一结晶区域内实施一道次轧制，所得到道次轧制，所得到的奥氏体再结晶晶的奥氏体再结晶晶粒度与压下率的关粒度与压下率的关系。系。结果表明，再结晶结果表明，再结晶奥氏体晶粒度几乎奥氏体晶粒度几乎不受碳含量的影响，不受碳含量的影响，其尺寸大小由压下其尺寸大小由压下率和是否添加铌所率和是否添加铌所决定。决定。共29页 第27页中碳钢控制轧制钢材的组织状态中碳钢控制轧制钢材的组织状态常温组织以铁素体为主的钢材常温组织以铁素体为主的钢材(Mn1.0)试验结果表明：试验结果表明：0

24、.42C,0.55Mn、0.32Ni钢，采用普通轧制钢，采用普通轧制 1200加热，第一阶段压下加热，第一阶段压下50%，第二阶段压下率为，第二阶段压下率为35，终轧温度为再结晶区下限终轧温度为再结晶区下限 1050一一1000时所得常温组织为铁素体和珠光体所占时所得常温组织为铁素体和珠光体所占面积各为面积各为50，铁素体晶粒为，铁素体晶粒为8级。级。 采用控制轧制工艺采用控制轧制工艺，加热温度为，加热温度为1200 再结晶区轧制压再结晶区轧制压50，这一区域内最后一道温度靠近再结晶区下限即，这一区域内最后一道温度靠近再结晶区下限即1050一一1100 ，然后进行第二阶段轧制，未再结晶区或部分再，然后进行第二阶段轧制，未再结晶区或部分再结晶区轧制，终轧温度为结晶区轧制，终轧温度