控轧控冷1
控制轧制、控制冷却工艺技术
控制轧制、控制冷却工艺技术————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：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。
控轧控冷工艺的发展及应用
控轧控冷工艺的发展及应用摘要控轧控冷工艺是把钢坯加热到适宜的温度，轧制时控制变形量和变形温度及轧后按工艺要求来冷却钢材。
控轧主要用于轧制细晶粒结构钢,主要原理是在终轧后当钢板在轧机上运行至“再结晶”完成的温度时,选用合适水冷方式获得理想延展性和韧性。
关键词变形量变形温度再结晶1 前言1.1 控轧控冷就是控制轧制和控制冷却，也叫TMCP（热机械变形轧制）+ACC。
比较适合于低碳微合金钢，特别是Nb、V 、Ti复合的。
1.2 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、开轧温度，轧制过程温度、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.1.3 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。
1.4 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，降低生产成本。
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。
2 发展历程2.1 控轧控冷工艺主要是用于生产板材的技术。
该技术的核心是在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数，改善钢材的强度、韧性、焊接性能。
2.2 控制轧制工艺主要用于含有微量元素的低碳钢种，钢中常含有铌、钒、钛，其总量一般小于0.1％。
依据《塑性变形和轧制原理》控制轧制的内容是控制轧制参数，包括温度、变形量等，以控制再结晶过程，获得所要求的组织和性能。
根据塑性变形、再结晶和相变条件，控制轧制可分为三阶段，如下所述。
（1）在奥氏体再结晶区控制轧制：适用于轧制低碳优质钢普通碳素钢低合金高强度钢。
（2）在奥氏体未再结晶区控制轧制：适用于轧制含有微量合金元素的低碳钢，如含铌钛钒得低碳钢。
钢材的控制轧制和控制冷却(1)ppt课件
控制轧制和控制冷却概念
控制冷却（Controlled Cooling)：控 制轧制后钢材的冷却速度达到改善钢材组 织和性能的目的。 控制轧制和控制冷却相结合能将热轧钢 材的两种强化效果相加，进一步提高钢材 的强韧性和获得合理的综合力学性能。 目前，控制轧制和控制冷却工艺已应用 到中、高碳钢和合金钢的轧制生产中，取 得了明显的经济效果。
昆明理工大学多媒体课件
控制轧制与控制冷却
材料科学与工程学院 材料加工工程系
任课教师：王华昆 2012年9月
1
§0 绪论（Introduction）
课程简介 教学要求 学习内容 教学安排 参考书目
控轧和控冷的概念 控轧和控冷技术的发展过程 我国控轧和控冷发展概况
2
课程简介
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。
18
§1.1 钢的强化机制
强度：金属材料抵抗塑性变形或断裂的 能力，用给定条件下所能承受的应力来 表示。
13
我国控轧控冷技术概况
我国控制控冷起步于60年代初，并取得了 初步成果，例如对含有Cr、Ni、V的超高 强度钢德形变热处理工艺研究，轴承钢轧 后快冷工艺研究等；
1978年开始对控制控冷进行系统研究； 武钢、鞍钢、重钢、太钢等钢铁企业采用
控制控冷技术生产高强度、高韧性的造船、 锅炉及压力容器用各种钢材，开发了新钢 种，填补了国内钢材的部分空白。
10
控轧控冷技术发展过程
20世纪20年代开始研究钢在热加工时， 温度和变形条件对显微组织和力学性能的 影响；
控轧控冷1
L0
拉伸性能
❖ 断面收缩率ψ： ❖ 断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标。
AK A0 100%
A0
低碳钢的工程应力一工程应变曲线
true strain-stress line
2.0
Stress / MPa
1.5
Pm
Pb
1.0
0.5
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压 痕直径d，求出压痕面积F计算出平均应力值，以此为布氏硬度 值的计量指标，并用符号HB表示。
标注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120 在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。
简单标注：200～230HB
布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、
正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地 轻软的轴承合金等原材料。
布氏硬度试验只可用来测定小于450HB的金属材料，
②洛氏硬度（HR）
基本原理—洛氏硬度属压入法洛氏硬度测定时需 要先后施加二次载荷（予载荷P1和主载荷P2）预 加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好以保 证测量结果准确。洛氏硬度就是以主载荷引起的
对微量塑性变形的抗力
E /e
拉伸性能
❖ 抗拉强度b： ❖ 定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力，
以前称为强度极限。取拉伸图上的最大载荷，即 对应于b点的载荷除以试件的原始截面积，即得抗 拉强度之值，记σ为b=b Pmax／A0
拉伸性能
延伸率： 材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸
试验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk， 然而按下式算出延伸率
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
钢材控制轧制和控制冷却技术
A F
——转换比，化学成分对转化比有影响。
③、通常热轧通过形变再结晶克使A体晶
粒细化20～40 m，转变后的F体可
细化20 （m8级）
§2控轧控冷理论
（2）、部分再结晶A体晶粒 F体晶粒
①、由两部分组成 1）再结晶细小在其晶界上析出F体晶粒细小。 2）未再结晶晶粒受变形拉长， 由于A没细化，F成核少，易形成粗大的F体和针状 组织——不均匀组织对韧性影响大。
§2控轧控冷理论
（2）常温组织以珠光体为主的钢材 ①、0.43%C，1.4%Mn钢实验 1）普通热轧 2）控轧，再结晶区轧制。 ②、043%C，1.38%Mn，0.023%Nb 控轧 由于Nb加入而处于未再结晶区，在伸长A体 晶界处生成极细F体组织，但在伸长A体晶粒 内形成粗大P体。
§2控轧控冷理论
③、这种钢种最好A体再结晶内充分轧制， 尽量细化A体晶粒，可获细小均匀F体和珠光体。 1）该钢中，在未再结晶区轧制对珠光体等 轴状起不到有效作用
2）加Nb钢在低温轧制时有时反而不利。
§2控轧控冷理论
（3）共析钢 ①、共析钢那样高碳钢的组织为单一P体。 ②、其控制轧制只是细化珠光体团。 ③、希望在A体再结晶区轧制，使A体晶粒细小。 这样既可使珠光体球团变小，又可使析出的网状 碳化物变薄。
三、控轧控冷工艺优点
1、控轧 2、控冷
§2控轧控冷理论
2、强化机制对韧性的影响 （1）固溶强化 （2）位错强化。对塑性和韧性双重影响 （3）沉淀强化 （4）晶界强化
细小均匀的晶粒既可提高强度又可改善塑性和韧性——是控轧的 基本目标。 （5）相变强化 3、冷脆系数
KT表K 示各S 强化机理和成分对强度和韧性的影响
§2控轧控冷理论
3、中高碳钢组织与力学性能的关系 （1）中高碳钢组织对性能的影响
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。
钢材的控制轧制和控制冷却
钢材的控制轧制和控制冷却一、名词解释：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、温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能。
2、控制冷却：控制轧后钢材的冷却速度、冷却温度，可采用不同的冷却路径对钢材组织及性能进行调控。
3、形变诱导相变：由于热轧变形的作用，使奥氏体向铁素体转变温度Ar3上升，促进了奥氏体向铁索体的转变。
在奥氏体未再结晶区变形后造成变形带的产生和畸变能的增加，从而影响Ar3温度。
4、形变诱导析出：在变形过程中，由于产生大量位错和畸变能增加，使微量元素析出速度增大。
两相区轧制后的组织中既有由变形未再结晶奥氏体转变的等轴细小铁素体晶粒，还有被变形的细长的铁素体晶粒。
同时在低温区变形促进了含铌、钒、钛等微量合金化钢中碳化物的析出。
5、再结晶临界变形量:在一定的变形速率和变形温度下，发生动态再结晶所必需的最低变形量。
6、二次冷却：相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。
二、填空：1、再结晶的驱动力是储存能，影响其因素可以分为：一类是工艺条件，主要有变形量、变形温度、变形速度。
另一类是材料的内在因素，主要是材料的化学成分和冶金状态。
2、控制冷却主要控制轧后钢材冷却过程的（冷却温度）、（冷却速度）等工艺条件，达到改善钢材组织和性能的目的。
3、固溶体的类型有（间隙式固溶）和（置换式固溶），形成（间隙式）固溶体的溶质元素固溶强化作用更大。
4、根据热轧过程中变形奥氏体的组织状态和相变机制不同，将控制轧制划分为三个阶段，即奥氏体再结晶型控制轧制、奥氏体未再结晶型控制轧制、在A+F两相区控制轧制。
5、以珠光体为主的中高碳钢，为达到珠光体团直径减小，则要细化奥氏体晶粒，必须采用（奥氏体再结晶）型控制轧制。
6、控制轧制是在热轧过程中通过对金属的（加热制度）、（变形制度）、（温度制度）的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合使钢材具有优异的综合力学性能。
钢材控制轧制和控制冷却技术PPT课件
一、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，使塑性变形与固态相变结合以获得细小的经理组织，使钢材 具有优异的综合力学性能（强度、韧性和焊接性能等）的轧制工艺。
二、控制冷却
控制轧后钢材的冷却速度以达到改善组织性能的目的。
三、控轧控冷工艺优点
1、控轧 2、控冷
第31页/共72页
§2控轧控冷理论
（3）细化F体晶粒 细化F体效果：Nb最显著，Ti次之，V最差。
（4）影响钢的强韧性能 ①、铌：在控轧时，产生显著的晶粒细化和中等沉淀强化。 ②、钛：随Ti含量增加，发生强烈沉淀强化，晶粒细化中 等。 ③、钒：产生中等程度沉淀强化和比较弱的 晶粒细化。
第32页/共72页
①、 增s 加
②、产生织构—强度的方向性，并使高阶冲击能（韧性 状态下冲击能）有所降低。
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§2控轧控冷理论
6、三种类型的控制轧制 （1）促进F体细化的途径
①、细化A体晶粒 ②、控轧控冷 （2）控轧 ①、第一阶段，A体再结晶区轧制
1）通过反复形变—再结晶，使A晶粒细化 2）实际生产中动态再结晶有困难，主要发生静态再结晶。 3）实际生产中每道次都发生完全再结晶是困难的，存在部分 再结晶轧制，应避免产生混晶的临界压下量（10%）
第13页/共72页
§2控轧控冷理论
④、总变形量和道次变形量要大。
1）总变形量应 45%，可得F体晶粒 5m（12～13级）
2）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。
⑤、未再结晶区材料强度由固溶强化（ sh）和F体晶粒尺寸（d）
等决定。
1
s sh K y d 2
第14页/共72页
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！
钢材的控制轧制和控制冷却
钢材的控制轧制和控制冷却一、名词解释：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、温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能。
2、控制冷却：控制轧后钢材的冷却速度、冷却温度，可采用不同的冷却路径对钢材组织及性能进行调控。
3、形变诱导相变：由于热轧变形的作用，使奥氏体向铁素体转变温度Ar3上升，促进了奥氏体向铁索体的转变。
在奥氏体未再结晶区变形后造成变形带的产生和畸变能的增加，从而影响Ar3温度。
4、形变诱导析出：在变形过程中，由于产生大量位错和畸变能增加，使微量元素析出速度增大。
两相区轧制后的组织中既有由变形未再结晶奥氏体转变的等轴细小铁素体晶粒，还有被变形的细长的铁素体晶粒。
同时在低温区变形促进了含铌、钒、钛等微量合金化钢中碳化物的析出。
5、再结晶临界变形量: 在一定的变形速率和变形温度下，发生动态再结晶所必需的最低变形量。
6、二次冷却：相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。
二、填空：1、再结晶的驱动力是储存能，影响其因素可以分为：一类是工艺条件，主要有变形量、变形温度、变形速度。
另一类是材料的内在因素，主要是材料的化学成分和冶金状态。
2、控制冷却主要控制轧后钢材冷却过程的（冷却温度）、（冷却速度）等工艺条件，达到改善钢材组织和性能的目的。
3、固溶体的类型有（间隙式固溶）和（置换式固溶），形成（间隙式）固溶体的溶质元素固溶强化作用更大。
4、根据热轧过程中变形奥氏体的组织状态和相变机制不同，将控制轧制划分为三个阶段，即奥氏体再结晶型控制轧制、奥氏体未再结晶型控制轧制、在A+F两相区控制轧制。
5、以珠光体为主的中高碳钢，为达到珠光体团直径减小，则要细化奥氏体晶粒，必须采用（奥氏体再结晶）型控制轧制。
6、控制轧制是在热轧过程中通过对金属的（加热制度）、（变形制度）、（温度制度）的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合使钢材具有优异的综合力学性能。
控轧控冷1
回 火
3、回火过程的组织变化： 第一阶段（室温～250℃）：马氏体中的过饱和碳原 子析出，形成碳化物FexC，得到回火马氏体组织。 第二阶段（230～280℃）：马氏体继续分解，同时 残余奥氏体转变为过饱和固溶体与碳化物，得到回火
马氏体组织。
回 火
3、回火过程的组织变化： 第三阶段（260～360℃）：马氏体继续分解，碳
鞍钢1700中薄板坯连铸连轧工艺流程
100-150mm厚的板坯经中薄板坯连铸机（1台）铸出并切断后， 直接热装进步进式加热炉（2座）加热，加热好的板坯经炉后 高压水除鳞箱除鳞，进入粗轧机，轧出的20-30mm 厚的中间 坯经辊道输送，进入热卷箱进行空心卷取，经切头飞剪切头， 精轧前高压水除鳞箱除鳞，进入精轧机组轧制，经带钢层流冷 却装置冷却后，由卷取机卷成成品钢卷，再经步进梁、爬坡链、 地面运输链组成的钢卷运输系统运至成品库堆冷、存放、包装、 发货。
为防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化 温度范围内回火。防止高温回火脆性的方法是加 热后快冷。
第一章 钢材的性能要求
本章内容
第一节 金属材料的性能 第二节 钢的强化机制
第三节 材料的韧性
第一节 金属材料的性能
金属材料的性能
金属材料的性能包含工艺性能和使用性能。
使用性能：是指金属材料在使用条件下所 表现出来的性能。如：力学/机械性能、物 理性能、化学性能。 工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应 加工的性能。如：铸造性、锻造性、焊接 性、切削加工性、热处理工艺性。
淬 火
3、钢在淬火时的组织和性能变化 4）马氏体的力学性能 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量， 通常情况是随含碳量的增加而升高。 马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。 在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体 比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。
控轧与控冷
控轧与控冷一：名词解释控制轧制：是指在热轧过程中通加热制度，变形制度，温度制度的合理控制，使钢材具有优异综合理学性能的轧制新工艺。
控制冷却：是指控制轧后钢材的冷却速度达到改善组织和性能的目的。
金属强化：通过合金化，塑性变形，和热处理等手段提高金属材料的强度。
韧性：材料在断裂前在塑性变形和裂纹扩展时吸收能量的能力。
铁素体：铁或其内固溶体有一种或数种其他元素形成的体心立方固溶体。
奥氏体：γ铁内固溶有碳和其他元素的面立方固溶体。
贝氏体：钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度一下，马氏体转变温度以上这一中间温度区间，转变而成的有铁素体及其内分布着弥散的碳化物形成的亚稳定结构。
IF钢：又称无间隙，由于C,N含量低，在加入一定量TI,Nb使钢背固定成碳化物，氮化物或者碳氮化物，从而使钢无间隙存在。
不锈钢：在腐蚀介质中有良好的耐腐蚀性的钢。
双相钢：由马氏体或奥氏体基本两相组织构成的钢。
再结晶：经冷塑性变形的金属超过一定加热温度时，通过形核长大形成等轴晶粒无畸变新晶粒过程。
在线常化：在热轧无缝钢生产中，在轧管延伸工序后，将钢管按常化处理要求冷却到某一温度后，再进行加热炉生产，然后进行减轻轧制，按照一定冷却速度冷却至常温。
1·控制轧制与普通轧制的区别答：可以充分发挥微量元素的作用起沉淀强化，细化晶粒的作用；提高钢的强度的同时题干钢的韧性；降低了终轧温度，采用较低的卷曲温度，课消除或减少板卷头部，中部和尾部的强度差；采用低温大压下细化低碳钢的铁素体晶粒，提高强韧性。
2·控制冷却的目的答：节约冷床面积；防止或减轻转型材的翘曲和弯曲；降低残余应力；提高型材的力学性能及改善组织状态，简化生产工艺。
3·影响材料强韧性的因素答：化学成分；气体夹杂物；晶粒尺寸；沉淀析出；形变；相变组织等的影响。
其中气体夹杂物对韧性有害，晶粒越小，材料韧性越好。
4·提高材料强韧性的措施答：晶粒细化；冶炼：采用真空搅拌，减少有害成分；控扎：使形变强化，提高材料强韧性；热处理：阻止晶粒长大，使晶粒细化，提高强韧性。
控轧与控冷期末重点
控轧与控冷一：名词解释控制轧制：是指在热轧过程中通过对加热制度，变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形和固态相变结合，以获得细小的晶粒组织，使钢材具有优异综合力学性能的轧制新工艺。
控制冷却：是指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。
金属强化：通过合金化，塑性变形和热处理等手段提高强度的方法。
微合金钢：合金元素总含量小于0.1%的钢。
变形抗力：在一定条件下，塑性变形时单位面积上抵抗变形的力。
韧性：材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力。
IF钢：又称无间隙原子钢，由于C,N含量低，在加入一定量TI,Nb使钢被固定成碳化物，氮化物或者碳氮化物，从而使钢无间隙存在。
不锈钢：在大气和酸、碱、盐等腐蚀性介质中呈现钝态，耐蚀而不生锈的高铬合金钢。
双相钢：以铁素体相为基，由分散岛状马氏体或贝氏体为强化相的低碳钢。
在线常化：在热轧无缝钢生产中，在轧管延伸工序后，将钢管按常化处理要求冷却到某一温度后，再进行加热炉生产，然后进行减径轧制，按照一定冷却速度冷却至常温。
非调质钢：就是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，不进行调质，而其性能达到调质钢的水平，以省略调质工序。
铁素体轧制：轧件进入精轧前，必需完成奥氏体向铁素体的转变，使精轧过程完全在铁素体温度范围内进行。
1·控制冷却的工艺特点答：1、节约能耗，简化工艺，降低生产成本。
2、可以降低奥氏体的相变温度，细化室温组织。
3、可以降低碳当量，从而改善材料的焊接性能、低温韧性、冷成型性能4、道次间控冷，可以减少待温时间，提高产量。
2.影响金属强度（韧度）的因素，提高强度（韧度）的措施？答：影响钢材强韧性的因素：1、化学成分 2、气体和夹杂物 3、晶粒细化4、沉淀析出 5、形变 6、相变组织提高措施：1、细化晶粒 2、冶炼：采用真空搅拌，减少有害成分3、控轧：使形变强化，提高材料强韧性4、热处理：阻止晶粒长大，使晶粒细化，提高强韧性3·控制冷却分为几个阶段，其目的是什么？答：一般分为一次冷却，二次冷却，三次冷却（空冷）一：目的就是控制相变前奥氏体的组织状态，为相变做组织上的准备二：目的就是通过控制冷却速度和冷却终止温度来控制相变过程，以保证快冷后得到钢材所要求的金相组织三：目的阻止碳化物析出，保持其碳化物固溶状态，以达到固溶强化的目的4·微量合金元素的作用答：加热时阻止奥氏体晶粒长大；抑制奥氏体再结晶；细化铁素体晶粒；影响钢的强韧性能。
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。
钢材的控制轧制和控制冷却
钢材的控制轧制和控制冷却一、名词解释：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、温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能。
2、控制冷却：控制轧后钢材的冷却速度、冷却温度，可采用不同的冷却路径对钢材组织及性能进行调控。
3、形变诱导相变：由于热轧变形的作用，使奥氏体向铁素体转变温度Ar3上升，促进了奥氏体向铁索体的转变。
在奥氏体未再结晶区变形后造成变形带的产生和畸变能的增加，从而影响Ar3温度。
4、形变诱导析出：在变形过程中，由于产生大量位错和畸变能增加，使微量元素析出速度增大。
两相区轧制后的组织中既有由变形未再结晶奥氏体转变的等轴细小铁素体晶粒，还有被变形的细长的铁素体晶粒。
同时在低温区变形促进了含铌、钒、钛等微量合金化钢中碳化物的析出。
5、再结晶临界变形量：在一定的变形速率和变形温度下，发生动态再结晶所必需的最低变形量。
6、二次冷却：相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。
二、填空：1、再结晶的驱动力是储存能，影响其因素可以分为：一类是工艺条件，主要有变形量、变形温度、变形速度。
另一类是材料的内在因素，主要是材料的化学成分和冶金状态。
2、控制冷却主要控制轧后钢材冷却过程的（冷却温度）、（冷却速度）等工艺条件，达到改善钢材组织和性能的目的。
3、固溶体的类型有（间隙式固溶）和（置换式固溶），形成（间隙式）固溶体的溶质元素固溶强化作用更大。
4、根据热轧过程中变形奥氏体的组织状态和相变机制不同，将控制轧制划分为三个阶段，即奥氏体再结晶型控制轧制、奥氏体未再结晶型控制轧制、在A+F两相区控制轧制。
5、以珠光体为主的中高碳钢，为达到珠光体团直径减小，则要细化奥氏体晶粒，必须采用奥氏体再结晶）型控制轧制。
6、控制轧制是在热轧过程中通过对金属的（加热制度）、（变形制度）、（温度制度）的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合使钢材具有优异的综合力学性能。
轧钢-控轧控冷第1章
对于非合金的和低合金的钢而言，可以把因溶强化看作是基体 的强化机制，与轧制制度无关。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
2）
位错强化
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 不断增高，一直可达到1012/cm2。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。
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玻璃为什么具有这么高的脆性？这是因为表面 上存在缺口或裂纹，它们是引起活动裂纹源，及其裂 纹源迅速在材料中传播导致断裂。
金属的缺点：金属的脆性转变
1912年，世界上最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克 号（Titanic）首航沉没于冰海。为什么‘不会沉没的 ’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了 ?
2）气体和夹杂物控制
钢中的气体主要指：O、H、N 夹杂主要指：氧化物和硫化物 H 可以引起白点和氢脆，应该尽量降低。 N与位错结合力较强，通过形成柯垂尔气团而阻止位错运 动，使钢的韧性下降。 O以氧化物的形式存在。 氧化物和硫化物形成的夹杂会降低材料的韧性。 钢中气体量和夹杂物量的多少与冶炼、浇注方法 有直接关系。 实验证明：铝脱氧钢和镇静钢要比锰脱氧钢和沸 腾钢的夹杂和气体含量少。
1.4 强化的六种机制 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。 因此固溶强化是通过改变金属的化学成分来 提高强度。
强化的金属学基础是由于运动的位错与异质 原子之间的相互作用的结果。
断裂韧性是材料的一种性能，如同强度一样，也 取决于材料的组织结构：材料的成分与缺陷（缺位、 位错、晶界、缺口裂纹等）。而材料的工艺:冶炼、铸 造、加工、热处理等又决定了材料的结构，因此必须 从工艺入手改变材料的结构，达到改善材料的韧性的 目的。 1）成分的控制 2）气体和夹杂物控制 3）压力加工工艺的控制 4）热处理工艺的选择
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控制轧制与控制冷却
奥氏体状态控制 奥氏体状态： 晶粒尺寸：大？小？
奥氏体状态：蓄积能量
内含能量：高？低？ 内部缺陷：多？少？
铁素体、珠光体相变 贝氏体相变 马氏体相变 铁素体、贝氏体相变
相变方向 奥氏体相变条件的控制（阀门） 冷却条件的控制：冷却速度、 开始冷却温度、终止冷却温度、 冷却模式
TMCP的特征
微合金化元素在钢中的主要作用
1.2 控轧控冷强韧化机理
对钢的性能要求越来越高，不仅要求具有高的强度，并且要 具有良好的塑韧性、低的韧脆转变温度以及优异的加工性能 （焊接性能、冷成形性能等）。除对钢材性能的全面要求提 高之外，在钢材的使用上，不断要求降低材料用量、减少工 艺环节、削减生产成本。 在钢材应用上，其室温屈服强度σs、抗拉强度和韧脆转变温 度TC 是钢材的几项基本的力学性能指标。 在大多数条件下σs 和TC是设计选材的最基本标准。因此， 提高钢的σs和降低TC 一直是钢铁材料研究和开发的重点。
1.3 传统TMCP工艺的三个阶段
（1）奥氏体再结晶区变形阶段 t≥950℃ 对加热时粗化的奥氏体晶粒 反复进行轧制并反复再结晶 后使之得到细化 （2）奥氏体未再结晶区变形阶 2 段 t＝950℃ r3 950℃~A 奥氏体晶粒沿轧制方向伸长、 压扁，晶内产生形变带，这 种加工硬化状态的奥氏体具 有促进铁素体相变形核作用 （3）奥氏体＋铁素体两相区变 形阶段 t<Ar3 相变后为大角度晶粒和亚晶 粒的混合组织 图1 TMCP工艺的三阶段及其组织变化
通常研究的结构材料在室温工作条件下， 通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考 虑的是屈服强度和断裂强度。 虑的是屈服强度和断裂强度。
屈服强度 σb≥σk 脆性材料 脆性材料的强度 通常以σ 通常以σk表示 断裂强度 σb≤σk 塑性材料 塑性材料的强度 通常以σ 通常以σb表示
大部分金属材料属于塑性材料， 大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的 运动而发生的，因此， 运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都可以 成为提高金属材料强度的途径。 成为提高金属材料强度的途径。
TMCP强调轧制和冷却的分工 TMCP强调轧制全程的控制，所以有再结晶控制轧制、未 再结晶控制轧制、两相区轧制； TMCP强调轧制过程是能量的积累过程，希望累积能量为 相变准备条件 TMCP强调冷却过程的控制，利用冷却过程控制相变的方 向和组织（包括晶粒尺寸） TMCP重视冷却模式、冷却速度在相变中的作用，强调对 冷却路径的控制
TMCP特征 特征
低温大压下——轧制负荷、生产率、设备投资、轧制稳定性 轧制负荷、生产率、设备投资、 低温大压下 轧制负荷 微合金化——提高成本、焊接性能恶化、冶炼-连铸 轧制工 提高成本、焊接性能恶化、冶炼 连铸 连铸-轧制工 微合金化 提高成本 艺复杂、 艺复杂、轧制负荷增大 水是最廉价的合金元素——高冷却速率的开发利用、冷却路 高冷却速率的开发利用、 水是最廉价的合金元素 高冷却速率的开发利用 径的利用、 径的利用、冷却的均匀性
控制轧制与控制冷却
主讲：王庆娟
主要内容
1.1 控轧控冷工艺特点 1.2 控轧控冷强韧化原理 1.3 控轧控冷的金属学原理 1.4 控轧控冷的应用 1.5 控轧控冷的新发展
1.1
控轧控冷工艺特点
基本定义
控制轧制（ControlledRolling） 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，以获得细小晶 粒组织，使钢材具有优异的综合性能的轧制技术。 控制冷却（Controlled Colling） 就是利用轧件热轧后的轧制余热，以一定的控制手段控制其 冷却速度，从而获得所需要的组织和性能的冷却方法。 20世纪70年代．将控制轧制和控制冷却方法相结合，出现了 TMCP工艺．该工艺充分利用钢铁材料的相变特点来改善材 料的性能，是提高钢材产品综合性能的一种有效而又经济的 生产方法，巳成为轧钢技术的一个主要发展方向。
微合金化钢的概念和强韧化机理
微合金化钢（微合金化、工艺配合）
它是在普通的C-Mn 钢或低合金钢中添加微量（质量分数通 常小于0.1% ）的强碳氮化物形成元素（如铌、钒、钛等） 进行合金化。 通过高纯洁度的冶炼工艺（脱气、脱硫及夹杂物形态控制） 炼钢，在加工过程中施以控制轧制／控制冷却等新工艺，通 过控制细化钢的晶粒和碳氮化物沉淀强化的物理冶金过程， 在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的成 形性能等最佳力学性能配合的工程结构材料——微合金化钢。
TMCP技术的发展和创新
TMCP是20世纪最伟大的钢铁技术成果之一 是 世纪最伟大的钢铁技术成果之一 开发引领未来社会发展和人类需求的新一代钢铁材料 需要付出巨大的努力，充分利用新的科技成果， 需要付出巨大的努力，充分利用新的科技成果，站在 巨人的肩膀上进行钢铁生产过程的脱胎换骨的革命 作为材料物理冶金重要手段的TMCP技术，需要建立 技术， 作为材料物理冶金重要手段的 技术 新的发展思路和开发框架 转变思想、开拓创新、 转变思想、开拓创新、实现跨越式的发展 关键在于创新 新一代的TMCP技术 关键在于创新——新一代的 创新 新一代的 技术
1.2.1 钢的强化机理
材料的强化方式包括沉淀析出强化、细晶强化、相变强化、 固溶强化（置换强化和间隙强化）、位错及亚晶强化等。对 于不同种类的钢，其强化方式各有特色，既可以是单一的强 化方式，也可以是多种强化方式的复合公式表示
1 固溶强化
⑴ 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结 构相同的固 相称固溶体。习惯以α、β、γ表示。 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其 它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金 多是单相固溶体合金或以固溶体为基的 合金。 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和 间隙固溶体。
轧制和冷却条件与组织变化
K2.2
控轧控冷（ 控轧控冷（TMCP）工艺 ）
控制轧制 控制冷却
控制轧制： 控制轧制：在临 近相变点的温度 进行大压下， 进行大压下，即 低温大压下” “低温大压下”
(DQ)
K2.1
三种控制轧制的策略、 三种控制轧制的策略、参数和机理
轧制后奥 氏体晶粒 铁素体 形核 相变后
再结晶区
晶粒边界
未再结晶区
控冷后
两相区
变形区
形变硬化的铁素体
亚晶边界
晶粒边界 位错
水淬
添加微合金元素， 添加微合金元素， 提高再结晶温度， 提高再结晶温度， 扩大未再结晶区
硬化的α 硬化的α 放大
控制轧制与控制冷却的任务
控制轧制 轧制参数的控制与优化 （奥氏体状态的控制） 奥氏体状态的控制） 控制冷却 冷却参数的控制与优化 （相变过程的控制） 相变过程的控制） 需要 的组 织和 性能
加热温度 各个道次的轧制温度 压下量
开始冷却温度 终止冷却温度 冷却速度 冷却模式
控制轧制的要点是奥氏体状态的控制，主要包括奥氏休晶粒尺 控制轧制的要点是奥氏体状态的控制， 寸的大小，内含能量的高低，内部缺陷的多少等。 寸的大小，内含能量的高低，内部缺陷的多少等。控制轧制工 艺参数对再结晶过程、晶粒细化、性能产生影响。 艺参数对再结晶过程、晶粒细化、性能产生影响。
晶体结构对加工硬化曲线的影响
3 沉淀强化与弥散强化
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。 微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得沉淀相质点。 钢中细小弥散的沉淀相通过与位错发生交互作用，造成对位 错运动的障碍度得以提高，也称为沉淀强化。 添加微量的微合金元素可获得成百兆帕的强度增量，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。
控制轧制和控制冷却的关键点
关键点：“奥氏体状态的控制”和进一步的“由这种状态受 关键点： 奥氏体状态的控制”和进一步的“ 到控制的奥氏体发生的相变的控制” 到控制的奥氏体发生的相变的控制” 控制轧制的要点：奥氏体状态的控制（晶粒尺寸、硬化状态） 控制轧制的要点：奥氏体状态的控制（晶粒尺寸、硬化状态） 控制冷却的要点：奥氏体相变条件的控制（开始温度（ 控制冷却的要点：奥氏体相变条件的控制（开始温度（过冷 度）、冷却速率、终止温度） ）、冷却速率、终止温度） 冷却速率
Fe-C间隙固溶体 间隙固溶体
Cu-Ni置换固溶体 置换固溶体
科 开发研究
所有溶于铁素体中的合金元素均能提高其硬度、抗拉强度和 屈服强。如锰溶于铁素体中，形成固溶体，使钢的强度显著 提高。，Si、Mn固溶强化作用最大，其次是Ni、Nb、V较小。 但在低合金高强度钢中，其强化作用较小。 在一般的正火态或热轧态使用的结构钢中，碳氮的固溶强化 并不能成为主要的强化方式，因为碳、氮的固溶是间隙固溶， 高间隙固溶的碳氮含量将极大损坏钢的韧性和可焊性。 一般的置换固溶强化效果都很弱（磷除外），添加1%的合 金元素仅能得到数十兆帕的强度增量，而且随着添加量的增 加，强化效果还将减弱，所以置换固溶强化成本很高。此外 置换固溶强化效果越大的元素（如P、Si等）对韧性的危害 作用也越大。因此微合金化钢中，间隙固溶强化和置换固溶 强化都不是一种主要的强化手段。
1 TMCP工艺简述
1.1 TMCP的概念 所谓TMCP（ Thermo-Mechanical Control Process）, 就是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程 中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效 控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力 学性能的钢铁材料。 结构钢的三要素：高强度、高韧性和良好的焊接性能。 应用TMCP工艺、细化钢材晶粒组织是同时提高强韧性 能和焊接性能的唯一方法。
控制轧制工艺参数作用图
控制轧制和控制冷却的关键点
关键点： 奥氏体状态的控制”和进一步的“ 关键点 ： “ 奥氏体状态的控制 ” 和进一步的 “ 由这种状 态受到控制的奥氏体发生的相变的控制” 态受到控制的奥氏体发生的相变的控制” 控制轧制的要点： 奥氏体状态的控制（ 晶粒尺寸、 控制轧制的要点 ： 奥氏体状态的控制 （ 晶粒尺寸 、 硬化 状态） 状态） 控制冷却的要点：奥氏体相变条件的控制（ 控制冷却的要点：奥氏体相变条件的控制（开始温度 （过冷度）、冷却速率、终止温度） 过冷度）、冷却速率、终止温度） ）、冷却速率