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1、第五章 中高碳钢控制轧制特点,5.1 中高碳钢奥氏体的再结晶行为 5.1.1 铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶临界变形量的影响 5.1.2 铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶晶粒度的影响 5.2 中高碳钢控制轧制钢材的组织状态 5.2.1 常温组织以铁素体为主的钢材（Mn 0.1） 5.2.2 常温组织以珠光体为主的钢材 5.2.3 共析钢 5.3 中高碳钢的组织与力学性能的关系 5.3.1 中高碳钢组织对力学性能的影响 5.3.2 控制轧制中组织性能的变化,引言,控制轧制工艺在热轧钢板生产中，尤其是在低碳微合金化钢中，对提高强韧性有明显的效果，因此得到飞速发展。但对于中高碳钢为主的圆钢及线材等产品情况
2、就不完全相同了。 中高碳钢由于碳含量较高，冷却后所生成的组织为铁素体和珠光体，并以珠光体为主。随着含碳量的增加珠光体比例也随之增加直至达到全部为珠光体组织，继而出现珠光体和渗碳体组织。这些组织中铁素体和珠光体的比例、铁素体晶粒的大小、珠光体片层粗细和球团大小以及渗碳体的形貌等决定了钢材的性能，而这些组织又取决于加工条件及冷却条件。,5.1 中高碳钢奥氏体的再结晶行为 一、铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶临界变形量的影响 二、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 临界变形量的影响,图中表明加入铌后再结晶开始线和完成线随变形量的增加都比不含铌钢的温度高5070 。这表
3、明在中碳钢中也存在添加铌可以延迟奥氏体再结晶的情况，这结果是与低碳钢一样的。,铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶 临界变形量的影响,不含铌钢碳含量在0.200.80的范围内变化时，临界压下率基本无差别。但加入铌后，随着含碳量的减少，发生再结晶的温度和临界压下率升高。说明含碳量本身对再结晶的影响不大，但加入铌后，对低碳钢的影响大。这是因为含铌钢中碳量的多少决定了铌的固溶量。,铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶 临界变形量的影响,碳量增加则铌的固溶量减少(根据公式 lgNb(C=(-6770/T)+2.26)因而轧制时析出量减少，阻止再结晶作用小。 如提高加热温度，则铌的固溶量增加。这是由于固溶量增加使阻止奥
4、氏体再结晶作用加强。,铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶 晶粒度的影响,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； 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； 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；,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。,铌、碳对中高碳钢奥氏体再结晶 晶粒度的影响,对加铌钢和不加铌含碳量为0.20.8范围内的钢在再结晶区域内实施一道次轧制，所得到的奥氏体再结晶晶粒度与压下率的关系如图5-7所示。 结果表明，再结晶奥氏体晶粒度几乎不受碳含量的影响，其尺寸大小由压下率和是否添加铌所决定。,5
5、.2 中高碳钢控制轧制钢材的组织状态,碳钢轧材在常温时的组织随着含碳量的不同分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。它们的过冷奥氏体转变机理、动力学、转变产物的组织性能主要决定于发生转变的温度，即过冷度，同时与变形奥氏体的成分和组织形态有关。 由于铁素体和珠光体组织比例不同、形态不同，对钢材性能有很太差异。下面按其不同的组织情况分别予以讨论。,一、常温组织以铁素体为主的钢材（Mn 0.1） 二、常温组织以珠光体为主的钢材 三、共析钢,常温组织以铁素体为主的钢材（Mn 1.0%）,实验结果表明：0.42%C，0.55Mn、0.032Ni钢，采用普通轧制 (1200加热，第一阶段压下率为50%，第二阶段压
6、下率为35，终轧温度为再结晶区下限10501000)时，所得常温组织为铁素体和珠光体，所占面积各为50，铁素体晶粒为8级。 同一钢种采用控制轧制工艺，即加热温度为1200，再结晶区轧制压下率为50%，这一区域内最后一道温度靠近再结晶区下限即10501100，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870，这一区域内压下率分别为35%，50，75%，所得的轧后常温组织分别为：,常温组织以铁素体为主的钢材（Mn 0.1）,(1)当压下率为35%时，铁素体晶粒比普通轧制时的铁素体晶粒细小，而珠光体变得粗大。这是由于在奥氏体未再结晶区压下率小，相变时在变形奥氏体中形核地点少，所以
7、珠光体沿变形拉长的奥氏体形成，变得粗大； (2)当压下率为50%时，为部分再结晶区轧制，铁素体和珠光体基本上都得到均匀细化。这是由于在未再结晶奥氏体中形成了一定数量的变形带而引起的结果。 (3)当压下率为75%时，由于未再结晶奥氏体中导入变形带增多，铁素体晶粒组织更细化、均匀，晶粒度达到1213级。由于铁素体形点增多、分散，因而珠光体也细化。 因此对中碳钢来说，如Mn含量在l%以下，钢材的主体为铁素体，就认为与低碳钢一样，仍是铁素体细化机理在起作用。,常温组织以珠光体为主的钢材,以0.43%C，1.40%Mn钢为例。当采用普通热轧方法时，所得到的组织为铁素体在即将转变的奥氏体晶界上生成网状组织
8、。如果经控制轧制，并在再结晶区中轧制，则奥氏体再结晶晶粒细化，使铁素体及珠光体组织都得到细化。随着变形量的增加，细化程度增加。,在0.43%c，1.38%Mn、0.023%Nb钢中，用上述相同条件进行控轧。则由于Nb的加入使变形处于奥氏体未再结晶区，因此在伸长的奥氏体晶界上可生成极细的铁素体组织，但在伸长的奥氏体晶粒内却形成了粗大的珠光体。当采用35%的小压下率时，显出了极端伸长的粗大珠光体晶粒。,常温组织以珠光体为主的钢材,中碳钢中，在铁素体的面积率很小的条件下，铁素体几乎完全饱和到奥氏体晶界上，这样在变形带上就不可能析出铁素体组织。因此在未再结晶区中轧制对珠光体等轴状细化起不到有效的作用。
9、加铌钢低温轧制时有时反而会形成不利的条件，对于这些钢种最好是在奥氏体再结晶区进行充分的轧制，尽量细化奥氏体晶粒，转变后得到均匀细小的铁素体和珠光体组织。,共析钢,与低碳钢控制轧制的效果完全不同，共析钢的控制轧制，只是珠光体团得到细化。由于珠光体球团尺寸决定于奥氏体晶粒尺寸，因此随着奥氏体晶粒尺寸减小珠光体球团直径变小。 同样，对于过共析钢亦希望在奥氏体再结晶区轧制，使奥氏体晶粒细小，这样一方面可使珠光体球团变小，同时亦使析出的网状碳化物变薄。,5.3 中高碳钢的组织与力学性能的关系 一、中高碳钢组织对力学性能的影 二、控制轧制中组织性能的变化,珠光体 perlite,铁素体与渗碳体的共析混合物
10、。一般情况下这两相呈片状相间分布，这种组织经抛光与腐蚀后在显微镜下观察很象指纹并有珍珠光泽，故称为珠光体。 一般以P表示珠光体。 珠光体团：片状珠光体的片层位向大致相同的区域称为珠光体团，在一个奥氏体晶粒内，可有几个珠光体团,珠光体 perlite,珠光体团中相邻两片渗碳体或铁素体之间的距离称为珠光体的片间距。 S0与T成反比,珠光体： 0.61.0m 索氏体： 0.250.3m 屈氏体： 0.10.15m,珠光体 perlite,根据形成温度和珠光体中铁素体和渗碳体片的分散度，通常可将珠光体分为三种不同的类型： 粗大珠光体 perlite 其中的渗碳体片的厚度约为500700nm，片间距约为
11、15004500nm，有时也简称珠光体）； 索氏体 sorbite 在650500左右形成的珠光体，其中的渗碳体片的厚度约为300500nm，片间距约为8001500nm，也称为细珠光体。,珠光体 perlite,屈氏体 troostite 在600350左右形成的珠光体，其中的渗碳体片的厚度约为100300nm，片间距约为300800nm，光学显微镜下难于分辨其片层组织，也称为极细珠光体或托氏体。 粒状珠光体 granular perlite 为获得良好的切削性能或综合力学性能，可通过适当的热处理使珠光体中的渗碳体的形状变为粒状或近球形，这样的珠光体被称为粒状珠光体。,中高碳钢组织对力学性能
12、的影响,对强度的影响： 包括珠光体和铁素体的影响。 影响珠光体强度的最重要因素是珠光体的片层间距S0 。 通常N和Si既强化铁素体又强化珠光体，而Mn只对铁素体有作用。 珠光体数量较少时，其对屈服强度影响很小。钢中含有100%珠光体时，珠光体片层间距S0对强度的作用就会显示出来。S0愈小强度愈高。,中高碳钢组织对力学性能的影响,(2) 对塑性的影响： a. 含碳量增加，均匀应变量u和总应变量T均随之下降。球化处理能使钢的塑性得到改善。 b. 片层间距S0减小可提高断裂应力和加工硬化率，当此二者作用相抵消时，可使u保持不变。减小S0可使T增大，因片状碳化物易于裂纹的早期形核。 c. 珠光体含量增
13、加时，总应变量减小。对高碳钢而言，虽珠光体量较多，但若使其晶粒细化，其总应变量可能与粗晶粒的低碳钢相近。,中高碳钢组织对力学性能的影响,(3) 对韧性的影响： 中高碳铁素体-珠光体钢的韧性可通过细化晶粒、降低Si量和N量来保证。 固溶强化和珠光体数量增多都对冲击韧性有害，但细化珠光体球团却可改善钢的韧性。珠光体球团是裂纹扩展的障碍。,控制轧制中组织性能的变化,含碳量在0.2%0.3%时，控制轧制所得的抗拉强度b和屈服强度s都高。显示出和以前数据相同的倾向，这是由于铁素体晶粒细化的结果。 但是，随着碳量增加，组织中珠光体组织的比重增多，含0.4%C以上的钢通过控制轧制,b反而降低， 含0.8%C
14、以上的钢，通过控制轧制，抗拉强度b和屈服强度s都比普通轧制的低。,强度的变化：,控制轧制中组织性能的变化,含碳量在0.2%0.8%范围内，控制轧制的脆性转化温度低。中高碳钢通过控制轧制韧性有很大改善，含碳量愈低改善的程度愈大。脆性转化温度的降低值，对于0.2%C钢约降低70，0.8%C钢约降低30；,韧性的变化：,控制轧制中组织性能的变化,断面收缩率在0.2%0.8%C范围内，控制轧制材为高，其程度是含碳量愈高差值愈大； 至于延伸率两者相差不大，但对0.4%c钢，控轧材略低，而对0.8%C钢，控轧材略高。,塑性的变化：,控制轧制中组织性能的变化,原因分析： 观察了奥氏体晶粒度的影响，随着奥氏体
15、晶粒细化，珠光体球细化。但是珠光体的片层间距及珠光体(领域)的大小与奥氏体晶粒尺寸毫无关系。因此，尽管进行控制轧制，珠光体强度没有变化。但是，一般说来，由于奥氏体化温度愈低、奥氏体晶粒愈细、晶界面积愈大，珠光体成核点就愈多。一般珠光体开始转变线和终了转变线都向时间短的一侧移动，并向高温侧移动。其结果是在同样的冷却条件下所生成的珠光体，奥氏体晶粒愈细愈容易在高温下生成也就是过冷度愈小，所得到的片层间距愈大。,控制轧制中组织性能的变化,原因分析： 因此，控制轧制后空冷条件下所生成的珠光体与普通轧制所得的珠光体相比，片层间距可能增加，因此抗拉强度b和屈服强度s就会降低。 其塑性决定予两个因素：由于珠
16、光体球减小而得到提高，同时由于片层间距加大而降低，取决于两个因素的迭加。,小结,以铁素体为主的钢，以细化铁素体晶粒来提高强度和韧性，不论采用何种控制轧制方法都可以； 以珠光体为主的钢，通过控制轧制会使强度降低韧性提高。其强度降低的原因是由于珠光体片层间距加大，而韧性改善的原因是由于珠光体球直径减小； 要达到珠光体球直径减小，必需细化奥氏体晶粒。因此对于珠光体为主的钢，必须采用再结晶型控轧。如果采用奥氏体未再结晶型控轧，会加大珠光体球直径；,小结,对于中高碳钢，如果要同时提高强度和韧性。必须不仅进行控制轧制，同时要进行轧后控制冷却，使珠光体在低温度下产生则可得到细片层珠光体，强度、韧性都得到提高； 对于中高碳钢，控制轧制和控制冷却的目的，不仅只是提高强韧性，有时还有一些其它性能及组织方面的要求。,
