再结晶细化理论

加热过程中，既要保证奥氏体成分均匀 保证奥氏体成分均匀 （表现为钢要烧透，断面温度均匀，钢坯 的头尾与中间部位温度差小），又要保证 保证 加热后的原始奥氏体晶粒度小。 加热后的原始奥氏体晶粒度小 研究证明，提高加热温度可以提高奥氏体 的形成速度，并且增加保温时间可以使奥 氏体成分更加均匀。而加热温度越高，保 温时间越长，奥氏体晶粒却越粗大。所以 钢坯加热时，不允许过高的加热温度，但 钢坯加热时，不允许过高的加热温度， 又必须把钢坯烧透，使之奥氏体成分均匀， 又必须把钢坯烧透，使之奥氏体成分均匀， 因此加热温度又不能太低。 因此加热温度又不能太低。所以必须研究 找出一套既能保证晶粒度，又能使奥氏体 均匀化的加热制度。
相变强化：合金化的金属材料，通过热 处理等手段发生固态相变，获得需要的 组织结构，使金属材料得到强化，称为 相变强化。 回头看图11，从图11中可以得到提 高钢的性能的因素。
强化因素
固溶强化 间隙强化 置换强化 晶界强化 大角度晶界 小角度晶界 二相粒子强化 共格第二相 非共格第二相 位错强化 均匀位错密度
图4 铁碳合金相图
看图4铁碳相图，加热温度高于临界点Ac1 （PSK线）时，才开始形成奥氏体晶核，并 且加热温度略超过Ac1 （727℃）时，只能使 原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍保留 一部分先共析铁素体。加热温度继续升高， 则铁素体逐渐溶于奥氏体内，只有当温度超 过临界点Ac3（GS线）并保温足够时间后， 奥氏体成分才能均匀化，才能获得均匀的单 相奥氏体组织。
图3 奥氏体显微组织
奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形，钢加 热到高温可获得单相奥氏体组织，具有良好的 可锻性。 铁素体具有软韧性，韧性是是指材料对断裂的 抗力。 渗碳体的硬度很高，但是极脆，不能使合金的 塑性提高，合金的塑性主要是由铁素体提供。 珠光体由铁素体和渗碳体组成，渗碳体以细片 状分散地分布在铁素体基体上，起了强化作用。 因此珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性较 差。珠光体内的层片越细，则强度越高。
从图10中可知， 同一形变量时， 原始奥氏体晶粒 尺寸越大，轧后 奥氏体晶粒尺寸 越大；同一原始 奥氏体晶粒尺寸， 形变量越大，轧 后奥氏体晶粒尺 寸越小。
图10 原始奥氏体晶粒对轧后奥氏体晶粒的影响
三、性能与冶金因素、组织的关系 性ຫໍສະໝຸດ Baidu与冶金因素、
图11 影响钢的性能的因素
首先了解下这几种强化方式： 固溶强化：融入固溶体中的原子造成晶格 畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力， 使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体 的强度与硬度增加。这种通过形成固溶体 是金属强化的现象称为固溶强化。 固溶 有分间隙固溶和置换固溶，置换原子中， Si和Mn是强化作用较大的元素；当溶剂 和溶质原子直径相差不大，一般在15％以 内时，易于形成置换固溶体 。
图4 铁碳合金相图
图4是铁碳合金相图，总厂生产的钢坯含 碳量在0.23%左右，室温下组织为铁素体 和珠光体。冷坯在炉内加热时，其内部组 织由铁素体和珠光体转变成奥氏体，在图 中表现在含碳量0.23%这条线。
二、轧材在加热、轧制过程中会 二、轧材在加热、轧制过程中会 出现哪些组织性能变化？
1、加热过程中的组织变化
2、轧制变形过程的组织变化
再结晶奥氏体→
部分再结晶奥氏体→ 未再结晶奥氏体→
图6 轧制过程的组织变化
图7 轧制温度与转变类型间的关系
图6是轧制变形过程的组织变化图，表7是 同一变形量下的不同的轧制温度对应的几 种组织转变类型。热轧的温度大体上在 900~1100之间，对应的是IA、IB型组织变 化，从表8的数据可知，我们轧制温度在 890~1060之间，主要是IB型组织变化类型。
强度
+++ + ++ + +++ ++ ++ +
塑性
Ο Ο Ο -
不均匀位错密 度 备注： 增加； 减少； 备注：+ 增加；- 减少；Ο 无作用
表12 强化因素对强度和塑性的影响
上表是各强化因素对钢的强度和塑性的影 响程度表。表中+表示强度增加，+号越 多，增加的程度越大，-表示塑性减少，O 表示无影响。对比各强化因素的影响，发 现晶界强化既能提高强度，又不影响塑性； 二相粒子强化可以大大提高强度，少量降 低塑性；而从图6中我们知道，固溶强化 需要在炼钢中控制成分，在此不做讨论； 位错强化是增加位错密度提高金属强度的 方法，金属的位错密度与变形度有关，变 形度越大，位错密度便越大，钢的强度便 显著提高，但塑性明显下降，不研究这种 强化方式。
表8 温度对比
进K19 （℃） 总厂棒 材 890~960 1号飞剪 （℃） 890~940 2号飞剪 （℃） 920~970 K1出口 （℃） 950~990 裙板（℃） 670~690 冷剪处 （℃） 240~280
劳服棒 990~1060 980~1000 980~990 990~1010 1030~1040 230~280 材
若加热温度太低，奥氏体的形成速度慢， 正常轧制时钢坯在炉内的停留时间是一个 定量，不变的，这段时间不足以使钢坯的 组织全部转变成均匀的奥氏体组织，组织 不均匀，将导致成品性能不合格。 若温度太高，虽然这时奥氏体的形成速度 快，能够得到均匀的奥氏体组织。但是温 度越高，同样的加热时间下得到的实际奥 氏体晶粒越粗大。实际奥氏体晶粒粗大， 成品的晶粒也大，性能就会达不到要求， 所以要严格控制均热段的温度。
钢的奥氏体形变与再结晶 动态再结晶 所谓动态再结晶是指金属在再结晶温度以 上的压力加工过程中形核长大的过程，它与温 度、变形量及变形速率有关。钢的动态再结晶 也就是热变形过程中奥氏体再结晶。 静态再结晶 热变形间隙时间内的奥氏体再结晶。 了解奥氏体形变与再结晶的规律对于控制 加工时的组织与性能具有重要意义。 加工时的组织与性能具有重要意义。
以总厂棒材厂生产HRB400核电站用钢为例， 轧制热坯时保证均热段加热温度为 1120±20℃，轧制冷坯时保证均热段加热 温度为1140±20℃；拉开2个机架轧制的目 的是，保证钢坯在炉内的保温时间，使钢 烧透，内部组织均匀；开轧温度必须控制 好，偏高或偏低对成品的性能影响很大。
表13 核电站用钢加热工艺 均热段加热温 开轧温度 轧制节奏 度 HRB40 热坯 1120±20 1025±20 拉开2个 0 机架 冷坯 1140±20 1025±20 钢种
看图，在奥氏 体再结晶相变 类型中，奥氏 体经再结晶粗 化，冷却后得 到了比较粗大 的晶粒；在未 再结晶奥氏体 相变类型中， 奥氏体未再结 晶或部分再结 晶，冷却后得 得到了细小的晶粒。相变类型受轧制温度控制，所以 通过控制轧制温度对细化晶粒有重要意义。
弥散强化：若合金中的第二相以细小弥散 的微粒均匀分布在基体上，则可显著提高 合金的强度，称为弥散强化。如果这种微 粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀 析出来的，则成为沉淀强化或实效强化。 这种强化的主要原因是细小弥散的微粒与 位错的相互作用，阻碍了位错的运动，从 而提高了塑性变形抗力。
细晶强化：通常金属是由许多晶粒组成 的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积 内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒 越细。实验表明，在常温下的细晶粒金 属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、 塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力 发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进 行，塑性变形较均匀，应力集中较小； 此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界 越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业 上将通过细化晶粒以提高材料强度的方 法成为细晶强化。 细晶强化。 细晶强化
图5 加热过程中共析钢的组织变化
（图中α表示铁素体，γ表示奥氏体）
图5是加热过程中，共析钢内部组织的变 化过程，它是由奥氏体形核→奥氏体长大 →剩余渗碳体的溶解→奥氏体成分均匀化 的过程。我们轧制的钢坯为亚共析钢，加 热组织变化过程与共析钢基本相同，了解 加热过程的组织变化对我们将来生产超细 晶粒钢有着非常重要的意义。加热过程组 织的变化必须在要求范围内，所以加热制 度必须严格执行。
轧机因停轧，应根据停机时间的长短，按 表14进行控制炉温，适当降低炉温，目的也 适当降低炉温， 适当降低炉温 是为了防止奥氏体晶粒粗化。 是为了防止奥氏体晶粒粗化。所以为保证成 品性能，有停机的时候，要严格按照保温制 度对炉温进行调整。
表14 停机保温制度
停轧时间 20-60min 1-2h 2-4h ＞4h 均热段 1100℃ 1050℃ 950℃ 750℃ 升温时刻 轧前10分钟 轧前20分钟 轧前40分钟 轧前60分钟
四、超细晶粒钢生产中的应用
1、加热过程的组织控制
原始奥氏体晶粒度越小，轧后奥氏体晶粒度 也越小。细化奥氏体晶粒度致使相变组织细化， 对提高强度和韧性非常有利。所以在加热过程中， 控制原始奥氏体晶粒度尤其重要。 我们已经知道,总厂生产的钢坯含碳量在 总厂生产的钢坯含碳量在 0.23%左右，室温下组织为铁素体和珠光体。冷 左右， 左右 室温下组织为铁素体和珠光体。 坯在炉内加热时， 坯在炉内加热时，其内部组织由铁素体和珠光 体最终会转变成奥氏体， 体最终会转变成奥氏体，这过程是一个奥氏体 形核→奥氏体长大 剩余渗碳体的溶解→奥氏 奥氏体长大→剩余渗碳体的溶解 形核 奥氏体长大 剩余渗碳体的溶解 奥氏 体成分均匀化的过程。 体成分均匀化的过程。
回到图6，IB型组织变化过程是变形前粗大 变形前粗大 的奥氏体经轧制压缩变形后， 的奥氏体经轧制压缩变形后，奥氏体变细 变长，然后再结晶变为细小的奥氏体组织， 变长，然后再结晶变为细小的奥氏体组织， 接着有部分奥氏体组织发生回复再结晶， 接着有部分奥氏体组织发生回复再结晶， 细小的奥氏体组织又长大成稍大的奥氏体 组织。 组织。继续冷却到GS线以下，组织开始部 分转变为铁素体，继续冷却到PSK线 （727℃）以下，组织最后转变为细小的铁 素体和珠光体组织。 整个组织变化过程，是一个动态回复与再 结晶和静态回复与再结晶的过程。
2、轧制过程的组织控制 首先控制开轧温度，开轧温度决定了各 道次的轧制温度，当然有中间控冷的情 况除外，本次改造中轧预留的位置就是 给将来中间控冷用的；其次控制各道次 的形变量。研究表明：降低开轧温度、 降低开轧温度、 降低开轧温度 加大各道次的形变量， 加大各道次的形变量，能增大形变诱导 铁素体相变细化晶粒的作用或奥氏体未 再结晶区轧制细化晶粒的作用。 再结晶区轧制细化晶粒的作用。
图1 晶体中原子排列示意图
图2是晶体的结 构模型，图中涂 黄色的颗粒叫晶 粒。通常金属是 由许多晶粒组成 的多晶体。
图2 晶体的结构模型
钢的内部组织， 按原子排列方式 不同，有奥氏体、 铁素体、渗碳体 等。左图是某钢 的奥氏体显微组 织，以后轧制超 细晶粒钢，所以 要对钢的内部组 织有个大概的概 念。
右图中，前两个 示意图是轧制过 程的动、静态再 结晶过程，后两 个是挤压轧制过 程的动、静态再 结晶过程。动态 再结晶发生在奥 氏体变长变细的 同时，静态再结 晶发生在形变后 的一段时间内。
图9 动、静态回复与 再结晶的示意图
动态再结晶控制 原始晶粒（加热）、变形温度、变形速度 （压下量） 研究结果表明：在一定的变形速率下，温度越 高、变形量越大则越有利于动态再结晶的发生 。 静态再结晶控制 变形量、温度、晶粒大小、合金元素、变形速 度、停留时间
所以得出结论： 所以得出结论： 采用晶界强化效果 韧塑性提高 强度提高 因此控制轧制工艺目标 细化晶粒
基本方法
轧制过程中细化奥氏体晶粒： 轧制过程中细化奥氏体晶粒： 致使相变组织细化， 致使相变组织细化，对提高强度和韧性有利 轧后控冷控制相转变类型： 轧后控冷控制相转变类型： 转变温度低对提高强度和韧性有利 先共析铁素体对韧性不利 珠光体片是应力和应变的集中点，应设法避免 孪生马氏体韧性低于板条马氏体 下贝氏体的韧性高于孪生马氏体而低于板条马 氏体
控轧控冷的基础理论 和基本控制原理
——再结晶细化理论
一、基本概念
金属中原子的排列是有规则的，而不是 杂乱无章的，人们将这种原子在三维空 间作有规则的周期性重复排列的物质称 为晶体，金属一般都是晶体，钢、铁也 是晶体。在晶体中，原子排列的规律不 同，则其性能也不同。我们用晶格来描 述晶体中原子（离子或分子）排列规律 的空间点阵。