控轧控冷-强韧化
控轧控冷(讲稿)
绪论控制轧制是在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，以获得细小品粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。
控制冷却。
是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。
加热制度：加热温度，加热速度变形制度：各道次压下分配，变形间隔时间，变形速度等温度制度：开轧温度，各道次变形温度，终轧温度，快冷温度，快冷速度，卷取温度。
提高性能的主要手段：细化晶粒。
快冷作用：改善组织结构，抑制晶粒长大。
1钢的奥氏体形变与再结晶重点：1)热变形过程中各阶段的特征2)变形量与热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为特征的关系难点：细化动态再结晶晶粒尺寸与促使动态再结晶进行的矛盾1.1. 热变形过程中的奥氏体再结晶行为（动态再结晶）1.1.1.热变形各阶段的特征热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、再结晶软化过程的矛盾统一，如果钢在常温附近变形(冷加工)，随着变形量的增加钢的变形抗力增大。
从微观的观点看，随着变形量的增加位错密度增大。
这时异号位错合并以及由于位借的再排列引起的加工软化数量很少，因此变形应力不断增大。
在高温奥氏体区变形的钢，随着变形量的增大加工硬化过程和高温动态软化过程(动态回复和动态再结晶)同时进行，根据这两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。
图1-1表示了奥氏体热加工时的真应力—真应变曲线及其组织结构变化示意图，该真应力—真应变曲线由几个子阶段组成：图1-1 奥氏体热加工真应力-真应变曲线与材料结构变化示意图阶段应力变化动态再结晶情况位错变化宏观效果组织1 不断增加但增加速率变小发生动态回复，未发生动态再结晶密度不断增加，但增加速度变小，位错发生交滑移和攀移，动态多边形化加工硬化晶粒不断拉长2 先增到直到最大值发生部分动态再结晶位错大量消失，但增加的速度仍大于消失的速度加工硬化速度大于加工软化大部分晶粒被拉长，开始产生细小的再结晶晶粒3 减小发生部分动态再结晶位错大量消失，且消失速度大于增加速度加工硬化速度小于软化速度小部分晶粒被拉长，大量细小的再结晶晶粒产生4rcεε〈近似不变发生连续的完全动态再结晶位错大量消失，消失速度等于增加速度加工硬化与软化速度相等所有晶粒最终都变成细小的再结晶晶粒rcεε〉增加与减少交替，波浪式发生间断的完全动态再结晶位错大量消失，在一个周期内消失速度等于增加速度在一个周期内加工硬化与软化速度相等所有晶粒最终都变成细小的再结晶晶粒值得注意的是第三阶段。
钢材控制轧制和控制冷却技术
2）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。 ）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。 体晶粒尺寸（ ） ⑤、未再结晶区材料强度由固溶强化（ σ sh）和F体晶粒尺寸（d） 未再结晶区材料强度由固溶强化（ 体晶粒尺寸 等决定。 等决定。
§2控轧控冷理论
3、变形条件对A 变形条件对A
→ P转变的影响
r1的影响
变形使P体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。 （1）、变形使P体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。 （2）、变形对A 变形对A
§2控轧控冷理论
4、铁素体的变形与再结晶 （1）F体热加工中的组织变化 ①、F体热加工应力—应变曲线 体热加工应力 应变曲线 ②、F体热加工软化方式 ③、亚晶尺寸d 亚晶尺寸d （2）F体在变形间隙时的组织变化 ①、F体发生静态回复和再结晶软化 1）静态再结晶有条件的： > ε s 静态再结晶有条件的： ε 为临界值） （ε s为临界值） 2）影响静态再结晶的因素 ②、F体再结晶晶粒大小
§2控轧控冷理论
（2）位错强化 加工硬化是位错强化的外部表现 （3）沉淀强化 低合金钢中加入微量Nb、 低合金钢中加入微量Nb、V、Ti等元素，可形成碳化物、氮化物或碳氮化 Nb Ti等元素，可形成碳化物、 等元素 物，在轧制时或轧后冷却时，它仍析出 在轧制时或轧后冷却时，它仍析出——第二相沉淀强化 第二相沉淀强化 （4）晶界强化 晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的运动的阻力越大。 晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的运动的阻力越大。 1 霍尔—佩奇公式： 霍尔 佩奇公式： σ s = σi + Ki D 佩奇公式
控轧控冷技术的发展及在钢管轧制中应用的设想
写 Ｔ Ｐ技 术是 随着钢铁 材料性 能的提 高 和新 钢 种 ＭＣ ）
开发 的需要 而产 生 的 ，并 随之 得到 了持 续 的发 展 与
应 用 ，其 可在不 降低 韧性 的前 提下 获得更 高 的强度
王 国栋 （ ９ ２ ） １４ 一 ，男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，中 国工 程 院 院士 ，中 国金 属 学 会 常 务理 事 ，中 国金 属 学 会 轧 钢 学
在 Ｔ Ｐ技 术 的发 展 历 程 中 ，人 们 首 先 认 识 ＭＣ 到 的是控 制轧 制 。控 制轧制 是 一种用 预定 的程序 来
控 制热 轧 钢 的变形 温度 、压 下量 、变 形道 次 、变 形
会副理事长 、轧制理论学术委 员会 主任 。长期从事钢铁 材料轧制理论 、工艺 、自动化等领域的应用基础和工程 技术研究。先后 主持 和完成多项 国家重点基础研究发展 计划 （ ７ ） 目、高技术 研究 发展计划 （６ ） 目、国 ９ ３项 ８ ３项
时间
（ 例如 Ｎ ） ｂ 是为了提高奥氏体 的再结晶温度 ，使奥 氏体在 比较 高 的温度下 还 处于未 再结 晶区 ，从 而增 大奥 氏体在 未再 结 晶区 的变形量 ，实现奥 氏体 的硬 化。 仅 通过控 制 轧制对 钢材 性能 的提 高有一 定 的局 限性 。比如 “ 温大 压 下 ” 长 久 以来 形成 的 “ 低 与 趁热 打铁” 的传统观念背道而驰 ，它必然受到设备能力 等 条件 的 限制 。操 作方 面 的 问题 也不 容 回避 。为 了 突破控 Ｎ￣Ｎ 的限制 ，同时也是 为 了进一 步强 化钢 Ｆ Ｌ 材 的性 能 ，在控 制轧制 的基 础上 ，又 开发 了利用 轧 材余 热 进行 热处 理 的控 制冷 却技 术 。控制冷 却 的核
控轧控冷
六十年代初：英国斯温顿研究所提出，铁素体珠光体钢中显 微组织与性能之间的定量关系。
著名的Petch关系式明确表明了热轧时晶粒细
化的重要性。
六十年代中期：英国钢铁研究会进行了一系列
研究：降碳改善塑性和焊接性能，利用Nb、V 获得高强度，Nb对奥氏体再结晶的抑制作用以 及细化奥氏体晶粒的各种途径。
六十年代后期：美国采用控制轧制工艺生产出σs＞ 422MPa的含Nb钢板，用来制造大口径输油钢管。日 本用控制轧制工艺生产出强度高，低温韧性好的钢板， 并开发出一系列新的控制轧制工艺，提出了相应的控 制轧制理论。这期间人们重视奥氏体再结晶行为的研 究，开始认识到未再结晶区轧制的重要性。 七十年代：完成了控轧三阶段，Nb、V、Ti应用逐步 完善。
１．再结晶热轧
２．板材加速冷却
水——钢的最有效的合金化添加剂
1. 控轧工艺分哪几类？控轧实践中最常用的
是哪种工艺？分别画出示意图。 ２.Ⅰ型控轧与Ⅱ型控轧相比，哪种工艺轧材 的性能更好些？为什么？
３.如何理解“水是最有效的合金化添加剂”这
句话.
4. 对结构钢的要求有哪些要素?
２．钢的热加工金属学基础
工程应力 ζ＝P/A0
工程应变 ε＝(l－l0)/l0
A’: 比例极限
A：弹性极限
B：屈服强度
C：抗拉强度
7
6
7 8
真应变：e＝lnl/l0
ε＝(l－l0)/l0＝l/l0－1
l/l0 ＝ε＋1
e＝ lnl/l0＝ ln (ε＋1)
从上式看出： ε较小时， e≈ ε，随ε↑，其
差别显著 e＜ε
Nb钢的晶粒比Si-Mn钢要细，见图2--34.
３．初始晶粒直径
r0↓，再结晶晶粒也越小
控轧控冷1
• 变形带也是提供相变时的形核地点，因而相变后的铁素体晶粒更 加细小均匀。
• 5 .4在(y+a)两相区的控轧 • Y相由于变形而继续伸长并在晶内形成变形带，在a晶粒内形成 大量的位错，在高温下形戎亚晶，因而强度有所提高，脆性转变 温度降低。(r+a)相轧后形成较强的织构，故在断口上平行于轧制 面出现层状撕裂裂口。
5控轧和控冷工艺在中厚板和带钢生 产中的应用
• 5. 1板钢控轧类型 • 根据轧制过程中再结晶状态和相变机制不同可分为:奥氏体再结 晶型控轧、奥氏体未再结晶型控轧、(r+a)两相区控轧。 • 5. 2再结晶型控轧 • 轧件变形温度较高，一般在功1000℃以上，道次变形量必须大于 奥氏体再结晶变形量。普碳钢的临界变形量比较小，而含铌钢的 临界变形量较大。轧后停留时间长则晶粒长大，形成粗大的奥氏 体晶粒。再结晶控轧主要是利用静态再结晶过程去细化晶粒。 • 5. 3未再结晶型控轧 • 主要是在轧制中不发生奥氏体再结晶过程。一般是在950 C ~Ar3范围内变化，变形使奥氏体晶粒长大、压扁并在晶粒中形成 变形带。奥氏体晶粒被拉长将阻碍铁素体晶粒长大。随着变形量 的加大，变形带的数量增加，分布更加均匀。
•
4控轧和控冷技术的理论基础
• 4.1钢的奥氏体化过程 • 所谓奥氏体化是指在加工前将钢加热到奥氏体区，是形核、长大 均匀化过程。对亚共析钢来说，加热到Ac，以上，进行保温、形 核、长大、剩余渗碳体(Fe3C)溶解和奥氏体均匀化。对于共析钢 和过共析钢来说，加热到Ac,以上，使珠光体变为奥氏体。进一 步加热到Acm以上，保温足够时间，使铁素体或渗碳体溶解，获 得单相奥氏体。 • 4.2钢的变形再结晶 • 变形后的金属加热发生再结晶，根据温度不同有回复、再结晶和 晶粒长大。回复仍为拉长的晶粒，但储存能降低，为前阶段。而 再结晶是新晶粒的形核及长大过程，不是相变，无畸变能。核心 的产生一是原晶界的某部位变为核心。
钢铁的控轧控冷工艺(TMCP)介绍
4.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
控制轧制对细化晶粒有明显的作用，按常规轧制工艺， 铁素体晶粒最好的情况为7～8级，晶粒直径>20m，而 按控制轧制工艺，铁素体晶粒可达12级，其直径可为 5m。仅从这方面就可使钢材的强韧性能得到明显的改 善。
（2）可以充分发挥微量合金元素的作用
5.控制冷却的介绍
➢ 控制冷却存在的主要问题是高冷却速率下材料冷 却不均而发生较大残余应力、甚至翘曲的问题。 例如，作为控制冷却的极限结果，直接淬火的作 用早已为人们所认识。但是，其潜在的能力一直 未得到发挥，原因在于直接淬火条件下冷却均匀 性的问题一直没有得到解决，板形控制一直因扰 着人们。
5.控制冷却的介绍
对于控制冷却，有两个通俗说法:
（1）水是最廉价的合金元素 (可以用水替代合金元素来改变钢材的性能)
控制冷却的理念可以归纳为“水是最廉价的合金元素” 这样一句话。
（2）中国的多数（中板）轧机是世界上最干旱的轧机 (目前我们还没有充分利用好水的作用) －川崎水岛：12000 m3/h，迪林根：14000 m3/h －宝钢2050：14000 m3/h，1580: 13000 m3/h
钢铁的控轧控冷 工艺介绍
知识求索人
目录
1. 何为控轧控冷工艺？ 2. 控轧控冷工艺的优势和应用 3. 控制轧制的类型 4. 控制轧制的效应 5. 控制冷却介绍
1.何为控轧控冷工艺？
➢ 控轧控冷工艺，又称TMCP（Thermo Mechanical Control Process：热机械控制工艺），是将控制轧制和控制冷却 技术结合起来的工艺，该工艺能够进一步提高钢材的强 韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量 和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本。TMCP 是20世纪钢铁业最伟大的成就之一！
控轧控冷
低碳钢的在不同温度下的变形行为：低温变形行为
400
b
A1
A3
•
低温变形区域（大约0~220℃）： – 变形抗力随温度的升高而降低
300
应力，MPa
LY
200
0 .2
– 加工硬化指数n没有大的变化。 – 单调的加工硬化
100
0
0
200
400
600 变形温度，℃
800
1000
1200
0
控制轧制与控制冷却
Controlled Rolling and Controlled Cooling of Steels
王昭东 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室
目
1. 总论
2. 钢的高温变形行为
录
3. 钢的热变形后的相变行为
4. 强韧性能的基本概念及有关理论
5. 钢材的控制轧制理论基础及应用
6. 钢材轧后控制论却技术的基础及应用
热处理 （常化）
热处理 (淬火+回火)
1.6 钢材在热加工过程（热轧）的组织演变规律
化学成分
初始组 织结构 模型 加热条件
初始奥 氏体晶 粒尺寸
奥氏体 化模型
热轧后 晶粒尺寸 残余应变
相变 模型
相变后 组织 情况
组织性能
轧制条件
冷却条件
加热炉
粗轧
精轧
冷却
卷取
2. 钢的高温变形行为
• 基础知识
– 变形抗力一般行为 – 变形抗力的温度特性和应力-应变曲线的对应关系
钢的形变热处理
• 钢的形变热处理（TMCP）是指如下工艺过程：控制奥氏体化温度、
变形温度和变形量, 获得理想的奥氏体初始状态; 变形后利用余热控
钢材的控制轧制和控制冷却PPT课件
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控轧控冷技术发展过程
• 60年代中期，英国钢铁研究会对钢的成分与钢的力学性能之间的关系进行了系 列研究，提出了相应的控制轧制理论；
• 在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度； • 近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢、钢管及型钢生产和合
金钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益。
§1 钢的强化和韧化
对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其中强度性能又居首位。 除了强度之外，钢材还要求一定的韧性和可焊性能，这两个指标和强度是相互关 联甚至互相矛盾的，很难单方面改变某一指标而其它不变。 结构钢的最新发展方向是高强、高韧和良好的焊接性能，控制控冷是满足这一 要求的一种较好的工艺。
§1.1 钢的强化机制
二、固溶强化
(solid solution strengthening)
1、基本概念
• 固溶强化：当合金元素（溶质）固溶 到基体金属（溶剂）中形成固溶体时， 合金的强度和硬度则会提高，称为固 溶强化。如黄铜(Cu-Zn)强度要高于
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§1.1 钢的强化机制
2、强化机理
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§1.1 钢的强化机制
金属和合金塑性变形包含晶内变 形和晶间变形。晶内变形是通过各种 位错运动而实现的晶内一部分相对于 另一部分的剪切运动，最基本的是滑 移、孪生和扭折。
控制轧制、控制冷却工艺
控制轧制、控制冷却⼯艺控制轧制、控制冷却⼯艺技术1.1 控制轧制⼯艺控制轧制⼯艺包括把钢坯加热到适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形温度以及轧后按⼯艺要求来冷却钢材。
通常将控制轧制⼯艺分为三个阶段，如图 1.1所⽰[2]：(1>变形和奥⽒体再结晶同时进⾏阶段，即钢坯加热后粗⼤化了的γ呈现加⼯硬化状态，这种加⼯硬化了得奥⽒体具有促使铁素体相变形变形核作⽤，使相变后的α晶粒细⼩；(2> (γ+α>两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到Ar3温度以下时，不但γ晶粒，部分相变后的α晶粒也要被轧制变形，从⽽在α晶粒内形成亚晶，促使α晶粒的进⼀步细化。
图1.1控制轧制的三个阶段(1>—变形和奥⽒体再结晶同时进⾏阶段；(2>—低温奥⽒体变形不发⽣再结晶阶段；(3>—<γ+α）两相区变形阶段。
1.2 控制轧制⼯艺的优点和缺点控制轧制的优点如下：1．可以在提⾼钢材强度的同时提⾼钢材的低温韧性。
采⽤普通热轧⽣产⼯艺轧制16Mn钢中板，以18mm厚中板为例，其屈服强度σs≤330MPa，-40℃的冲击韧性A k≤431J，断⼝为95%纤维状断⼝。
当钢中加⼊微量铌后，仍然采⽤普通热轧⼯艺⽣产时，当采⽤控制轧制⼯艺⽣产时，-40℃的A k值会降低到78J以下，然⽽采⽤控制轧制⼯艺⽣产时。
然⽽采⽤控制轧制⼯艺⽣产时-40℃的A k值可以达到728J以上。
在通常热轧⼯艺下⽣产的低碳钢α晶粒只达到7~8级，经过控制轧制⼯艺⽣产的低碳钢α晶粒可以达到12级以上<按ASTM标准），通过细化晶粒同时达到提⾼强度和低温韧性是控轧⼯艺的最⼤优点。
2．可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作⽤。
在普通热轧⽣产中，钢中加⼊铌或钒后主要起沉淀强化作⽤，其结果使热轧钢材强度提⾼、韧性变差，因此不少钢材不得不进⾏正⽕处理后交货。
当采⽤控制轧制⼯艺⽣产时，铌将产⽣显著的晶粒细化和⼀定程度的沉淀强化，使轧后的钢材的强度和韧性都得到了很⼤提⾼，铌含量⾄万分之⼏就很有效，钢中加⼊的钒，因为具有⼀定程度的沉淀强化的同时还具有较弱的晶粒细化作⽤，因此在提⾼钢材强度的同时没有降低韧性的现象。
金属组织控制原理
轧后控制冷却指控制轧后三个不同冷却阶段控 制最终组织：一次冷却、二次冷却和三次冷却。
一次冷却：终轧温度到Ar3温度范围内的冷却。 目的：控制热形变后的A晶粒状态，阻止A晶粒长大和碳化物 析出，固定形变位错，为γ → α相变作好准备。 控制参数:一次冷却的起始温度越接近终轧温度，细化A晶粒和 增大有效晶界面积的效果越明显。 二次冷却:钢材经一次冷却后进入由γ → α转变和碳（氮）化物 沉淀析出的相变阶段。
“多元适量，复合加入” 合金化基本原则往往是 Nb-V-N和Ti-V等元素的复合加入。
图4.3 钛的碳氮化物在各个阶段析出情况
4.1.3 获得最佳强韧化的工艺和组织因素
在实际生产中，质点能钉扎 住的最小晶粒尺寸位于图中 下面的阴影区域. 上面的阴影区域表示能被大 夹杂物固定的最小晶粒尺寸。
Ti、Nb、V等微量元素 是以相间析出的形式起 沉淀强化作用的，同时 又细化了组织。
在轧制温度范围内，各化合物的溶解度由低到高的排列 为：TiN、AlN、NbN、TiC、VN、NbC、VC。TiN是最难 溶解的，在1250℃以上仍然可保持稳定而细小的颗粒。
图4.13 微合金化元素碳化物和氮化物在奥氏体中的固溶度
轧制前均热工艺:成分已知，由公式计算第二相完全固溶温度。 控轧工艺: 按元素与碳氮元素的重量比固定，可计算出每一 温度下平衡存在的化合物量。 根据不同钢中的具体要求，应首先选择适当的第二相沉淀系: 1. 偏重于控制均热时奥氏体晶粒尺寸，应选择Ti-N、Al-N 等固溶度积较小的合金系； 2. 重点是要获得较大的沉淀强化效果，则应选择固溶度积较 大的V-C、Ti-C、V-N等合金系。
奥氏体未再结晶区轧制要点：：
（1） TR以下→晶粒形变，但不发生再结晶。 （2）↑形变量→晶粒内大量滑移带、位错胞 及亚晶界→ ↑有效晶界面积 （3）相变时，扁平的晶界和形变带上形核→ 细化的铁素体晶粒。 （4）↑形变量→ ↑铁素体形核位置和形核率， 产生形变诱导铁素体和铁素体的动态再结晶→晶粒 进一步细化。 （5）含Nb微合金钢进行未再结晶控轧的细化 晶粒效果为最明显。因此形成了形变诱导Nb（CN） 析出可大幅度提高奥氏体未再结晶温度。
控轧与控冷
控轧与控冷1钢的强化和韧化1.1钢的强化机制通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。
金属学方面可应用的强化机制可以有以下几种：置换的或间隙固溶的异质原子以点状障碍物的形式起作用（固溶强化、激冷强化）；位错以线状障碍物形式起作用（通过冷加工变形的强化）；晶粒界作为面状的障碍物形式起作用（通过晶粒细化）；非内聚的析出和内聚的析出显示为空间障碍物形式起作用（弥散强化、沉淀强化）。
1.1.1固溶强化要提高金属的强度可使金属与另一种金属（或非金属）形成固溶体合金。
固溶体合金或以固溶体为基的合金（如碳钢等）一般具有较纯金属高的强度。
这种采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。
钢中最主要的合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Cu和P都能构成置换固溶体，并促使屈服强度和抗拉强度呈线性增加。
除了置换元素外，C、N等元素在Fe中形成间隙固溶体，但它们在铁中的溶解度都很低，而且随着温度的下降而大大下降。
因此C、N在固溶含量内对屈服强度和抗拉强度的增长影响都很小。
假定合金元素的叠加作用呈线性关系，就可以列出下式用以计算由化学成分引起的强度值。
屈服强度σS（MPa）=9.8{12.4+28C+8.4Mn+5.6Si+5.5Cr+4.5Ni+8.0Cu+55P+[3.0-0.2(h-5)]}抗拉强度σb（MPa）=9.8{23.0+70C+8.0Mn+9.2Si+7.4Cr+3.4Ni+5.7Cu+46P+[2.1-0.14(h-5)]}式中h为产品厚度，各元素含量以百分含量代入。
根据大量的实验结果可得到下表1-1的数据。
1.1.2位错强化图1-1表明实际晶体的强度比理论晶体小得多,但同时随着晶内缺陷或晶格崎变的程度的增加而使强度提高。
塑性变形意味着在位错运动之外还不断形成新的位错，因此位错密度值随着变形而不断提高，一直可达到1012/cm 2。
如果要继续塑性变形就要提高应力值，也就是说材料被加工硬化了。
控轧控冷
1控制轧制：在热轧过程中通过对金属的加热制度变形制度和温度制度的合理控制，使热塑变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织使刚才具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。
2控制冷却：控制轧后刚才的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。
控轧控冷的目的：细化晶粒1钢的韧性（韧度）：指材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力1材料的冲击韧性指标：a，冲击功，即缺口冲击韧性Ak；b，韧脆转变温度Tc1影响钢材韧性的因素：化学成分的影响；气体和夹杂物的影响；晶粒细化的影响；沉淀析出的影响；形变的影响；相变组织的影响1影响析出的主要工艺因素：加热温度，变性条件（变形温度，变形量，变形速度，轧制道次）材料中其他成分的影响1动态再结晶的临界变形量Ec：发生动态再结晶所必需的最低变形量1软化率：将两次变形间A软化的数量之比称为软化率1静态再结晶临界变形量：在一定的变形温度和变形速度下有一个发生静态再结晶的最小变形量2双相钢：由两相或多相的复合相组成的多晶体材料被称为双相钢或多相钢1强化：指光滑的金属材料试样在大气中，并在给定的变形速率室温条件下对拉伸时所能承受应力的提高，屈服强度抗拉强度是其性能指标1钢的强化机制：固溶强化形变强化析出强化细晶强化亚晶强化相变强化2冷却制度：开冷温度；终冷温度；冷却速度1线材轧后冷却的目的：得到产品所要求组织及组织性能的均匀性以及减少二次氧化铁皮的生成量1非调质钢：将调质钢的化学成分进行调整并对轧制工艺过程进行控制不进行调制而其性能达到调质钢的水平以省略调制工序1热轧无缝钢管在线常化（轧后余热正火）：适当地调节变形温度使均整或定减径变形的终轧温度变为相应的正火温度然后空冷。
优点：强度提高不多甚至略有下降；在线常化由于晶粒尺寸减小，珠光体量减少和沉淀强化作用降低使冲击韧性大幅度提高；在线常化与快速冷却相结合可获得综合力学性能良好的管材1高温形变淬火：钢管在稳定的奥氏体区变形而且一般在结晶温度以上然后进行淬火以获得马氏体组织，在轧制线上进行。
控轧控冷
对再结晶后的奥氏体进行控制冷却时，铁 素体发生某种程度的晶粒细化，但效果并不显 著。 如果对未再结晶奥氏体进行控制冷却，则不仅 在变形后的奥氏体晶界界面和变形带处产生晶 核，在奥氏体晶粒内也生成铁素体核，实现了 铁素体的大幅度晶粒细化。控制冷却是将空冷 时生成的珠光体变成微细分散的贝氏体，在提 高强度的同时改善延伸性。
2.6.4控制轧制的优点
（1）使钢材的强度和低温韧性提高； （2）节省能源，使生产工艺简化； （3）充分发挥微量合金元素的作用。
缺点
会增大轧机的负荷，影响 轧机的产量。
2.6.5控制冷却 控制冷却是利用轧后的余热，以 1. 一定的控制手段控制其冷却速度， 概 从而获得所需要的组织和性能的 念 方法。 机理：细化相变前的奥氏体组织，阻 2. 止或延迟碳化物在冷却过程中过早析 机 理 出，使其在铁素体中弥散析出，提高 强度。同时减小珠光体团的尺寸，细 化珠光体片层间距，改善钢材包括塑 性、韧性等在内的综合力学性能。
(3)道次变形量和终轧温度的控制
在完全再结晶区，每道次的变形量必须大 于再结晶临界变形量的上限，以确保发生完全 再结晶。 在未再结晶区轧制时，加大总变形量，以 增多奥氏体晶粒中滑移带和位错密度、增大有 效晶界面积，为铁素体相变形核创造有利条件。 在(γ+α)两相区控制轧制时，在压下量 较小阶段增大变形量，钢的强度提高很快。当 变形量大于30%时，再加大压下量则强度提高 比较平缓，而韧性(toughness)得到明显改善。
2.6 中厚钢板组织性能控制
2.6.1组织与性能的关系 材料的性能是由材料的组织决定的。 金属材料的性能有:物理性能，化学性 能，力学性能，工艺性能等 对于任何钢材最基本的性能要求是强度。
钢的组织状态是获得所需要的力学性能 与工艺性能的关键。钢的成分、冶金、 加工工艺因素、组织、性能的关系：
控轧空冷综述
控轧控冷在棒线材中的应用班级：摘要：线材为了获得高强度、高韧性的综合性能, 可以采用不同的控制轧制工艺来达到。
关键词：控轧空冷应用线材前言控制轧制和控制冷却技术作为提高产品的组织性能,降低钢材生产成本,提高企业经济效益上起着巨大的作用。
正文一．控轧控冷概述1.控轧控冷概念（1）控制轧制：在热轧过程中，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相结合，以获得细小晶粒组织，从而得到较高的综合性能的轧制工艺。
（2）控制冷却：控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。
2.控制轧制的优点如下：（1）可以在提高钢材强度的同时提高钢材的低温韧性。
（2）可以充分发挥铌、钒、钛等微量元素的作用。
3.控制轧制工艺的缺点：（1）要求较低的轧制变形温度和一定的道次压下率，因此增大了轧制负荷。
（2）由于要求较低的终轧温度，大规格产品需要在轧制道次之间待温，降低轧机生产率。
4.控制冷却工艺的优点（1）节约能耗、降低生产成本。
利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而可以取代轧后正火处理和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序，缩短了生产周期，从而降低了生产成本。
（2）可以降低奥氏体相变温度，细化室温组织。
轧后控制冷却能够降低奥氏体相变温度，对同一晶粒度级别的奥氏体，低温相变后会使，晶粒明显细化，使珠光体片层间隔明显变薄。
（3）可以降低钢的碳当量。
采用轧后控制冷却工艺有可能减少钢中的碳含量及合金元素加入量，达到降低碳当量的效果。
（4）道次间控制冷却可以减少待温时间，提高轧机小时产量。
在道次间采用控制冷却，可以精确地控制终轧温度，减少轧件停下来等待降温的时间。
5.控制轧制、控制冷却工艺参数控制特点（1）控制钢坯加热温度。
根据对钢材性能的要求来确定钢坯加热温度，对于要求强度高而韧性可以稍差的微合金钢，加热温度可以高于1200℃，对以韧性为主要性能指标的钢材，则必须控制其加热温度在1150 ℃以下。
控轧控冷
RAL
中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座
概
述
RAL
•
1 概 述 – 定义
•
•
控制轧制：是在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧 制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状 态，从而达到控制钢材组织性能的目的 控制冷却：是通过控制热轧钢材轧后的冷却条件来控制奥氏体组织状 态、控制相变条件、控制碳化物析出行为、控制相变后钢的组织和性 能。 TMCP：控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材的 强韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳含量， 节约贵重的合金元素，降低生产成本。与普通生产工艺相比，通过控 轧控冷生产工艺可以使钢板的抗拉强度和屈服强度平均提高约40～ 60MPa，在低温韧性、焊接性能、节能、降低碳当量、节省合金元素 以及冷却均匀性、保持良好板形方面都有无可比拟的优越性。因此， 日本、美国、欧洲等广泛采用控轧控冷生产工艺生产各种高强结构板、 船用钢板、压力容器钢板。
轧制后奥 氏体晶粒
相变后
控冷后
形变硬化的铁素体
RAL
2.1 控制轧制和控制冷却机理示意
变形前奥氏体晶粒
轧制
变形后晶粒被拉长
铁素体形核
冷却
相变完成
RAL
变形带与其上的析出
变形带
变形带上 的析出
T4.10
RAL
珠光体的不同形核地点
变形工具钢 a) 晶界 b) 退火孪晶 c) 变形带 d)晶内
T4.15
• RAL承担通过轧制和冷却控制细化晶粒，提高性能
• 经过RAL实验室实验、宝钢现场实验、小批量生产 • 工艺改进：重新分配压下量，控制终轧温度，卷取温度 • 效果：Q235－屈服强度>400MPa， 抗拉强度>510MPa 延伸率>28％，宽冷弯合格，晶粒尺寸：3.9微米
控轧控冷-强韧化
2
第一节 钢的强化机制
3
低碳钢的工程应力---工程应变曲线
σe：弹性极限 σb：抗拉强度 σs：屈服强度
GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法
4
钢的强化机制
1.固溶强化 2.位错强化 3.沉淀强化 4.晶界强化 5.亚晶强化 6.相变强化
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马氏体强化机制
（1）马氏体点阵为碳所固溶强化 马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体。当奥氏体转变成马 氏体时，碳原子的数量由不饱和变成过饱和，点阵由面心 立方变为体心立方，碳原子在晶格中的位置也发生了改变， 因而引起了晶格畸变，在晶体内部形成了巨大的应力场。 碳含量愈多，应力场也就愈大。这个应力场将和晶格体内 存在的位错发生强烈的交互作用，阻碍位错的运动，从而 起到强化作用。
24
马氏体强化机制
（2）马氏体转变过程中晶粒得到细化 马氏体的比容比奥氏体的大，在奥氏体转变成马氏体时体 积一般要膨胀4倍。因此在相变过程中产生很大的内应力。 为了减小内应力，在转变产物中形成细小的孪晶。使马氏 体的有效晶粒尺寸变小，晶粒间的取向增大，结果使钢的 强度、硬度增加。马氏体含碳量愈多晶粒愈细，强度愈高。
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变形对马氏体强化的影响
（2）奥氏体的塑性变形对马氏体转变按不同钢种、变形 条件可有不同的作用 有时促进相变，有时又抑制相变，因而也将改变淬火钢中 残余奥氏体的数量，从而影响钢材的力学性能。变形使马 氏体转变温度的改变也改变了材料中的针状马氏体和片状 马氏体的比例。
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变形对马氏体强化的影响
（3）奥氏体塑性变形会引起奥氏体结构不完善性的增加— —使位错密度增加形成位错亚结构 如果变形温度足够高，并在变形后有一定保温时间，就可 以通过动态的或静态的回复而发生位错亚结构的多边形化， 形成微细的亚晶粒。变形奥氏体中所造成的一切结构不完 善性及亚结构都可被其转变产物马氏体所继承，使高温形 变热处理钢材的塑性提高，脆性减少，强度提高。
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沉淀强化（第二相硬质点强化）
第二相的沉淀过程亦即是过饱和固溶体的分解过程。 第二相能沉淀析出的必要条件是固溶体合金的溶解度随 着温度的降低而减小，因此加热后得到的过饱和固溶体 将随着温度的降低而析出。第二相析出的动力学、析出 的形态、部位等将随加工工艺(包括冷却条件)而异。
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沉淀强化（第二相硬质点强化）
效果：提高强度、降低塑韧性。
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沉淀强化（第二相硬质点强化）
第二相硬质点是指那些在韧性材料中存在的不易发生 塑性变形的化合物,它们几乎不能发生塑性变形，在大的 应力下将脆性断裂。
在普通低合金钢中经常加入微量Nb、V、Ti，这些元 素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在轧 制中或轧后冷却时它们可以析出，起到第二相沉淀强化作 用。例如加热到1250℃的Nb钢，沉淀强化的作用平均每 0.01％Nb可提高屈服强度19.6MPa。
第一章 钢的强化和韧性
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本章内容
第一节 钢的强化机制 第二节 材料的韧性
2
第一节 钢的强化机制
3
低碳钢的工程应力---工程应变曲线
σe：弹性极限 σb：抗拉强度 σs：屈服强度
GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法
4
钢的强化机制
1.固溶强化 2.位错强化 3.沉淀强化 4.晶界强化 5.亚晶强化 6.相变强化
Cu-4Ti合金中位错被堵塞在晶界附近
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晶界强化
根据位错理论计算可得到屈服强度与晶粒尺寸的关系为： Hall-Petch公式
s i K1D1/ 2
式中σi是常数，大体相当于单晶体时的屈服强度。K1它是表 征晶界对强度影响程度的常数，它和晶界结构有关，而和温 度关系不大。
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Hall-Petch公式 s i K1D1/2
沉淀强化的机制是位错和颗粒之间的相互作用。
在外力作用下，运动位错遇到第二相硬质点时的运动方式有 两种，(1)对提高强度有积极作用的绕过过程； (2)对提高强度 作用较小的切割/剪切过程。它们都会增加运动阻力，可以提 高材料的强度。
绕过机制
切割机制
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材料的组织与力学性能的关系
第二相硬质点强化
如果第二相硬质点的总量(如 体积份数f)一定，单个质点的尺寸 愈小，数量多，排列密集；反之单 个质点的尺寸愈大，数量少，排列 稀疏。对位错来说，小质点容易切 割，稀疏分布时容易绕过。所以质 点对强度的作用表现为尺寸太小或 尺寸过大都会降低其效果，在特定 的合适范围才有最大的强化效果。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
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固溶强化的规律
（2）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效 果愈好.
（3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe 中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等 元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很 显著，而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑 性。
（4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。
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位错强化
滑移是塑性变形的主要方 式，材料中位错密度对材
料的强度的影响
1、完全无位错存在时，在外力 作用下，没有可以发生运动的位 错，材料表现极高的强度。
例如铜，理论计算的临界切应力 约 为 1500MPa ， 而 实 际 测 出 的 仅 为0.98MPa。
晶粒细小，屈服应力就高，材料因此得到强化，即细晶强化。 σi包含着不可避免的残留元素如Mn、Si、N等对位错滑动的阻力。对于 铁素体-珠光体组织的低碳钢经过实验确定了这些元素的作用，因此 Hall—Petch公式可以改写为：
s 0 (3.7Mn 8.3Si 291 .8N 1.51D1/2 ) 9.8
形变热处理是在第二相质点沉淀前对材料施以塑性变形， 因而使位错密度增加，第二相沉淀形核位置增多，因而析出 物更为弥散。如果形变还能造成亚晶，那么第二相沉淀在亚 晶界上，其分布密度更为弥散。这就是形变热处理造成强化 的原因之一。
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晶界强化
和单晶体的塑性变形不同，多晶体晶粒中的位错滑移除 了要克服晶格阻力、滑移面上杂质原子对位错的阻力而外 （这两点是和单晶体相同的），还要克服晶界的阻力。晶粒 愈小，晶界就相对愈多，晶界阻力也愈大，因而使材料的屈 服强度提高。
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固溶强化
定义：采用添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为 固溶强化，即固溶强化是通过改变金属的化学成分来提 高强度的方法。 机理：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。 效果：提高强度、降低塑韧性。
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固溶强化的规律
（1）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加 例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最 大；而对于有限固溶体，其强度随溶质元素溶解量增加 而增大
根据计算和实验，一般的质点间距最佳值在20-50个原子间距， 体积数的最佳值在2％左右。
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材料的组织与力学性能的关系
沉淀相的部位、形状对强度都有影响。其一般规律是： 沉淀颗粒分布在整个基体上比晶界沉淀的效果好；颗粒形状 球状和片状相比，球状有利于强化。
因为片状颗粒对于在与其平行的原子面上运动的位错的 阻力很小，而球状颗粒对于任何原子面上运动的位错有相同 的阻力。
式中各元素含量以百分含量代入，各项的系数也就是这些元素的固溶 强化系数，即每1％重量百分数可以提高的屈服强度。σ0为单晶纯铁的 屈服强度，实际上铁中总是含有微量碳的。σ0值随不同的处理而异。 空冷时σ0 =86.24MPa，炉冷时为60.76MPa。D为等轴铁素体晶粒平均 截线长，以mm为单位。
铁素体晶粒细化对提高屈服强度的效果是明显的，D小时，D的很小变 化将使D-1/2产生较大的变化。上式适用于钢中珠光体含量<30％的组织
但制造这种材料非常困难，目前 只能在很小尺寸的晶体中实现 (晶须),用于研究型的复合材料 中。
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位错强化
滑移是塑性变形的主要 方式，材料中位错密度
对材料的强度的影响
2、在存在位错的晶体材料中,随 位错密度的提高，位错运动受交 割作用影响加大，材料的强度得 到提高。经过冷变形的金属材料, 发生了加工硬化，强度可以在相 当范围内得到提高，常用的冷轧 钢板、冷拔钢丝就是一例。值得 注意的是用加工硬化提高强度的 材料只能在较低温度下使用，否 则因高温发生了再结晶，加工硬 化的强化效果将全部消失。