材料加工组织性能控制(第三章)

(4)控制轧后冷却速度 钢材于轧后冷却除采用空冷外，还可以采用吹 风，喷水，穿水等冷却方式。由于冷却速度的不 同，钢材可以得到不同的组织和性能。
3.3 控制轧制的效应 (1)使钢材的强度和低温韧性有较大幅度的改善。 原理：细化晶粒。常规轧制工艺：铁素体晶粒 7～8级；控制轧制工艺：铁素体晶粒可达12级， 直径可为5m。 (2)可节省能源和使生产工艺简化 途径：降低钢坯的加热温度；取消轧后的常化处 理或淬火回火处理。
表3-1 36CrSi钢用控轧工艺和用常规工艺后的机械性能
机械性能
b
0.2
5
(N/mm2) (N/mm2)
(%)
HRC
(%)
(J／
cm2)
加工方式
高温控制轧制 10001030 785835 1214 3846 6075
31
工艺
常规工艺
850850 600640
8
4042 4045
-
（3）可以充分发挥微量合金元素的作用 常规轧制，加入Nb、V： 控制轧制，加入Nb、V： 采用控制轧制工艺时要考虑到轧机的
作用。
图3-7 0.002%C钢、0.002%C-0.097%Nb钢和 0.019%C-0.095%Nb钢的再结晶速度-温度-时
间和沉淀析出-温度-时间曲线的叠加
3.5.2 变形带的形成和作用 变形带的作用：提供 铁素体形核点，使晶 粒细化。
的级别)
3.5 未再结晶区奥氏体的变形转换比（A／F）：
转变前的奥氏体晶粒 直径与转变后的铁素 体晶粒直径之比，与 化学成分有关。
晶粒细化有极限。
特点：晶粒伸长，晶内产生形 变带，此形变带可起到晶核 生成晶界面的作用。
控制轧制过程的三个阶段及各阶段微 观组织随变形而变化的示意图
总结：由未再结晶变形 的转变比由已 再结晶的无变形转变所生成的晶粒要 细得多，得到变形非常重要。可以通过变 形后抑制或延迟再结晶的进行来实现。
低碳结构钢的终轧温度： 含Nb钢的终轧温度：
(3) 控制变形程度 ：
I型控制轧制原则：1)连续轧制，不要间歇，尤其在 的高温侧(动态再结晶区) ，原因： 2)道次变形量应大于临界变形量，使全部晶粒能进行 再结晶，避免混晶产生。原因：
1）轧制不含Nb的普通钢 ： 2）轧制含Nb钢 ：
(+) 两相区轧制：压下率的增加会使位错密度增 大，亚晶发达和产生织构等，使钢材的强度升高， 低温韧性得到改善。
2）已相变后的晶粒变形，于晶粒内形成 亚结构，因回复变成内部含有亚晶粒的晶粒。 组织：大倾角晶粒和亚晶粒的混合组织。
影响：强度升高，脆性转变温度（亚晶的出 现）。
控制轧制三阶段示意图和各阶段的组织变化
3.2 控制轧制工艺特点 (1)控制加热温度 加热温度决定轧制前奥氏体晶粒 的大小，温度越低晶粒越细。
微合金元素对静态再结晶数量的影响： 1)抑制奥氏体再结晶。2)和不含微合元素的钢 相比，在同样变形条件下，再结晶数量减少， 奥氏体平均晶粒尺寸增大。
(4) 再结晶区域图 作用： 划分：三个区域， 即再结晶区、部 分再结晶区和未 再结晶区。
图3-12 压下温度和压下率对再结晶行为和再结晶晶粒 直径产生影响的再结晶区域图
图3-9 1050C加热，在不同温度下 轧制，轧后停留时间不同对奥氏体 再结晶临界变形量的影响 1-再结晶开始曲线，轧后停留2s； 2-再结晶开始曲线，轧后停留20s； 3-再结晶终了曲线，轧后停留2s； 4-再结晶终了曲线，轧后停留20s
(2) 静态再结晶速度 影响因素：
1）奥氏体成分一定时，变形量 、变形 速度 、变形后的停留温度回复和再 结晶速度 ；2）微量元素将强烈地阻止 再结晶的发生。
D 愈小。
动态再结晶是存在一定加工硬化程度的组 织。
3.4.2 热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为
s：奥氏体的屈服应力； 1：变形量为1时的应力； y ： 变形后恒温保持t时间以 后再次发生塑性变形的应力值。
软化百分数：
x (1 y ) /(1 s )
x=1：全部静态再结晶 ； x=0：奥氏体在两次热加工的间隙时间里没有任何的软化； 0 <x<1：
轮再结晶所需的变形量)。 2）间断动态再结晶
条件：c>r
图3-3 Q235钢变形条件对真应力-真应变曲线的影响 (a)变形温度的影响，变形速度 0.1s1；(b)变形速度的 影响，变形温度T=1000C
3.4.1.2 动态再结晶的控制 （1）动态再结晶发生条件
动态再结晶难发生的原因：
发生动态再结晶的条件： >c 影响动态再结晶临界变形量的因素：
从图中得出： 900C和850： 1000C：
图3-5 含铌0.097%的钢中，温度 和含碳量对软化行为的影响
图3-6 0.002%C-0.097%Nb钢、0.006%C-0.097%Nb钢、 0.019%C-0.095%Nb钢于900C时，碳氮化铌应变诱 发沉淀析出的过程
溶质铌只有在应 变诱发沉淀出现 时，才能起到延 迟回复和再结晶
(1)尽可能降低加热温度，目的： (2)在中间温度区(如900C 以上) 通过反复再结 晶使奥氏体晶粒微细化。 (3)加大奥氏体未再结晶区的累积压下量，增加 奥氏体每单位体积的晶粒界面积和变形带面积。
控制轧制机理：
（1）Hall-Petch关系式：
y
0
k
y
d
1 2
（1）
（2）断口转变温度FATT(Fracture Appearance Transition Temperature) ：
Zener-Hollomon因子Z表示：
Zபைடு நூலகம் exp(Q / RT ) A n
式中 Z ：温度补偿变形速率因子；A：常数；n：应
力指数；Q：变形活化能；R：气体常数；T：绝对 温度。
为什么金属的变形应力高于原始状态(即退火状态)的 变形应力？
A
B
C
O
第三阶段，两种情况：
1）连续动态再结晶 条件：c<r (r ：由动态再结晶产生核心到全部完成一
图3-10 0.2%C钢与Nb钢等温再结晶的动力学曲线（实线为碳钢； 虚线为铌钢）
(3) 静态再结晶数量
奥氏体再结晶 百分数正比于 变形量与变形 温度。
图3-11 轧制温度、轧后空延时间对奥氏体再结晶百分数的影响
1. 1000C轧制，停留15S；2. 1000C轧制，停留2S；3. 850C轧制，停 留15S；4. 850C轧制，停留2S；
延迟回复和再结晶的因素有两个： 1)合金元素；2)温度。
（1）合金元素
实验条件：
900C以l0s-1 的应变速率压 下69％时的软 化行为。
图3-3 不同含铌量的0.002%C-1.54%Mn 钢中，铌含量对软化行为的影响
（2）温度
图3-4 含铌或不含铌的0.002%C1.56%Mn钢的软化行为与温度的关系
（2）奥氏体未再结晶区控制轧制(又称为Ⅱ型控 制轧制) 条件： 950C～Ar3之间进行变形。 目的：晶粒沿轧制方向伸长，晶粒内部产生形 变带。晶界面积，的形核密度 ，进一步促 进了晶粒的细化。
(3) (+)两相区轧制 条件：Ar3点以下轧制。 目的：1）未相变晶粒更加伸长，在晶内形成形 变带，相变形成微细的多边形晶粒；
控制轧制的类型：
控制轧制方式示意图
(a) 奥氏体再结晶区控轧；(b) 奥氏体未再结晶区控轧；(c) (+)两相 区控轧
（1）奥氏体再结晶区控制轧制(又称I型控制轧 制)
条件：950℃以上 再结晶区域变形。
主要目的：对加热时粗化的初始晶粒轧制再 结晶细化 相变后细小的晶粒。相变前的 晶粒越细，相变后的晶粒也变得越细。
1）变形温度和变形速度； 2）钢的化学成分，如奥氏体型Fe-Ni-Cr合金的c 比纯的 -Fe大得多； 3）材料的初始晶粒尺寸的影响。
18-8不锈钢起始晶粒尺寸（D0）对高温形变组织和加工
因子（Z、 、）关系的影响
（2） 动态再结晶的组织 动态再结晶是一个混晶组织，平均晶粒尺 寸 D 只由加工条件（变形温度、变形速 率）决定，变形温度低、变形速率大，则
图3-5 含微量添加元素的奥氏体晶粒成长 情况
低温加热优点： （1） 避免奥氏体晶粒变粗 大。（2）缩短延迟冷 却时间，粗轧和精轧 几乎可连续进行。 缺点：（1）要减小板 坯的厚度。（2）含铌 钢中铌未固溶，达不 到预期的析出强化效 果。
(2)控制轧制温度 奥氏体区轧制：要求最后几道次的轧制温 度要低。原因：
图3-6 变形量与三种静态软化类型的关系
3.4.3 静态再结晶的控制 （1） 静态再结晶的临界变形量 影响临界变形量的因素：1)变形温度、原始奥氏体晶粒 度、微合金元素。
图3-8 初始晶粒直径和轧制 温度对再结晶所必需的临界
压下率的影响
2）变形后的停留时间： 变形后停留时间长，再结晶所需要的临界变形量 就小。
3.热形变过程中钢的组织变化(低
碳钢、低碳合金钢）
3.1 控制轧制概念 控制轧制(Controlled rolling)：热轧过程中通过
对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控 制，使热塑性变形与固态相变结合，获得细小晶 粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制 新工艺。 TMCP(Thermo Momechanical Controlled Processing)：
轧制温度T(（)℃）
图3.3 X70W管线钢变形温度对再结晶百分数的影响
图3.4 试验用X70W管线钢在T=850℃时的再结晶金相照片 1—10%；2—20%；3—30%；4—40%；
图3.4 试验用X70W管线钢在T=850℃时的再结晶金相照片 5—50%；6—60%；7—70%；8—80%
X70W钢再结晶区域图
图3.2 试验用X70W管线钢在T=1100℃时的再结晶金相照片 1—10%；2—20%；3—30%；4—40%；