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1、第三章 在变形条件下的相变,本章主要内容是讲述由于变形使金属的相变行为不同于通常先加热然后在不同条件下进行冷却所发生的相变行为以及其后的变形问题。,3.1 变形后的奥氏体向铁素体的转变（AF） 3.2 变形条件对奥氏体相变的影响 3.3 铁素体的变形与再结晶 3.4 在两相区（A+F）轧制时组织和性能的变化,3.1 热变形后的奥氏体向铁素体的转变（AF） 一、从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒 二、从部分再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒 三、从未再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,控制轧制的重要手段之一是要得到细小均匀的铁素体组织。为此就必需了解不同加工形态的奥氏体向铁素体的转变过程。,从再结晶奥氏体
2、晶粒生成铁素体晶粒,铁素体晶粒优先在奥氏体晶界上生成，一般在晶内不成核。所生成的铁素体既有块状（等轴）的，也有分布在原奥氏体晶粒内部呈针状的先共析铁素体（魏氏组织铁素体）。钢中魏氏组织的形成会降低钢的冲击韧性和塑性，因而希望低碳钢的热轧产品中尽量减少以至消除魏氏组织。,魏氏组织， Widmanstatten structure，先共析相在母相的晶界形核沿母相的特定晶面向晶内长大的呈粗大片状或针状特征的组织。对亚共析钢，魏氏铁素体组织指在奥氏体晶界形核向晶内长大的粗大片状或针状铁素体；对过共析钢，魏氏渗碳体组织指在奥氏体晶界形核向晶内长大的粗大杆状或针状渗碳体。形成魏氏组织的铁素体片或渗碳体针常
3、相互平行、相互垂直或呈60夹角。魏氏组织一般认为是一种非正常的不利组织。不正确的热加工或热处理得到粗大的奥氏体晶粒后在一定的冷却速度下，易于形成魏氏组织。,魏氏组织,粒状贝氏体 granular bainite 块状或等轴状的铁素体基体及富碳的岛状区域所组成的组织，富碳岛状区主要由残余奥氏体、碳化物、自回火马氏体所组成。低碳或中碳合金钢在一定的冷速范围内连续冷却时可获得粒状贝氏体组织。 无碳化物贝氏体 carbide-free bainite 又称超低碳贝氏体，一般仅在超低碳钢中出现，其形成温度在通常的贝氏体形成温度的上部。无碳化物贝氏体由大致平行的板条状铁素体所组成，板条较宽，板条间存在富碳
4、的残余奥氏体或由其转变而来的马氏体。,贝氏体,从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,大量试验证明，钢中魏氏组织的形成主要取决于钢的化学成分，奥氏体晶粒的大小和冷却速度。 在亚共析钢中最容易形成魏氏组织的含碳量范围为0.150.5。因为低于0.15C，由于块状铁素体的发展妨碍了魏氏组织的形成。而大于0.5C的钢，由于网状铁素体形成后珠光体很快就形成了，也阻碍了魏氏组织的形成。 再者，按照铌钢普碳钢钒钢的顺序，铌钢最容易生成魏氏组织。,从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,在成分一定时，奥氏体晶粒的大小和冷却速度决定了魏氏组织的生成。通常奥氏体晶粒小于5级（大于40m）易于生成魏氏组织，增加冷却速度会促进
5、魏氏组织的形成。 加快冷却速度可以细化铁素体晶粒，从而改善材料的力学性能，因而轧后快冷是有利的。但是这一规律的利用是有限制的，即以不产生魏氏组织为限。冷却前的奥氏体晶粒愈小，低碳钢的含碳量愈低，这一界限就愈移向更高的冷却速度。因此在热轧时只有通过对热轧工艺参数的控制，使奥氏体晶粒细化，才能既适当的加快冷却速度，细化了铁素体晶粒，又不致于导致魏氏组织的形成。,从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,当轧制温度相同时，奥氏体化温度愈高，轧前的奥氏体晶粒就愈大，消除魏氏组织所必需的最低压下率就愈大。,当加热温度相同时，在奥氏体再结晶区轧制，消除魏氏组织所必需的最低压下率随轧制温度升高（如900和950）而
6、降低。？,从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,在奥氏体晶粒细化到89级以后Si-Mn钢奥氏体晶粒度的转换比接近于1。通常的热轧通过形变再结晶可使钢转变前奥氏体晶粒度奥氏体晶粒细化到2040m，由其转变后的铁素体与转换比的关系晶粒可细化到20m(8级)。奥氏体即使细化到10级，铁素体晶粒也只细化到10.5级(10m)。因此为了使铁素体晶粒进一步细化必需在此基础上再进行奥氏体未再结晶区的控制轧制。,从部分再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,再结晶的晶粒细小，在其晶界上析出的铁素体往往也较细小。而未再结晶的晶粒受到变形被拉长，晶粒没有细化。因此铁素体成核位置可能少，容易形成粗大的铁素体晶粒和针状组织。所以
7、从部分再结晶奥氏体晶粒生成的铁素体是不均匀的，这种不均匀性对强度影响不太大。但对材料的韧性有较大的影响，因此是不希望的。,如果在部分再结晶区进行多道次轧制，由于轧制温度逐渐下降，最后未能达到奥氏体完全再结晶。但这时部分再结晶晶粒的平均晶粒尺寸减小或晶粒中的未再结晶晶粒受到了比较大的变形，晶粒不仅被拉长，晶内还可能出现较多的变形带。因此转变后亦能得到细小的铁素体晶粒，整个组织的均匀性和性能都能得到改善。,从未再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,在未再结晶奥氏体中由于有变形带的存在，铁素体不仅在晶界上成核而且在变形带上成核（有学者把这点看成是控制轧制与传统轧制的本质区别）。在变形带上形成的铁素体晶粒细
8、小（2-10m)，成点列状析出。其结果就是突破了单纯细化再结晶奥氏体晶粒而使铁素体晶粒细化的限度，得到了细小的铁素体晶粒（从奥氏体晶界生成的铁素体晶粒在奥氏体晶粒的中间互相碰撞时就停止成长，即铁素体晶粒是以伸长了的奥氏体晶粒短轴尺寸之半中止其成长的） 。,从未再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒,变形带上的铁素体先行析出并且细小，而不在变形带上的奥氏体转变较晚，转变后会形成较前者粗的铁素体晶粒。因此在未再结晶区轧制既有可能得到均匀细小的铁素体晶粒，也有可能得到粗细不均的混晶铁素体晶粒。,这里的关键在于能否在未再结晶区中得到均匀的变形带。未再结晶区的总变形量小，得到的变形带就少，而且分布不均。在总变形
9、量相同时，一道次压下率愈大，变形带愈容易产生，而且在整个组织中容易均匀。为了保证获得细小均匀的铁素体晶粒，需要在未再结晶区保证其总压下率大于一定值，一般要大于45。从奥氏体未再结晶区生成的铁素体晶粒直径可以小于5m，达到12-13级。,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,A型：如果热轧后奥氏体发生再结晶，并且在转变前粗化成小于或等于ASTM5级的奥氏体晶粒，那么转变时容易形成魏氏组织铁素体和珠光体。形成魏氏组织的倾向在含铌钢中最强烈，其次是非合金钢，含钒钢最弱。,B型：如果热轧后奥氏体发生再结晶，转变前奥氏体晶粒是ASTM 6级或者更细，则转变就按IB型进行。铁素体晶核基本上在奥氏体晶界上形成，并
10、获得具有等轴铁素体与珠光体的均匀组织。原始奥氏体晶粒愈细。转变后的铁素体也愈细。这就是再结晶型的控制轧制。,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,型：如果热轧温度低，热轧后变形的奥氏体晶粒不发生再结晶，则奥氏体向铁素体的转变将按型方式进行。铁素体在变形带边界处和晶界处成核，形成细小的等轴晶粒。随后在奥氏体晶内也形成多边形的铁素体晶粒和珠光体。型转变中不形成魏氏组织和上贝氏体。这就是未再结晶型的控制轧制。,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,过渡型：一种是一大部分奥氏体再结晶晶粒按着B型转变形成细小的铁素体和珠光体，而另一部分是未再结晶奥氏体晶粒，转变后形成魏氏组织和珠光体
11、； 另一种情况是一部分变形量大的奥氏体未再结晶晶粒按型转变后形成细小的铁素体和珠光体组织，而另一部分变形量小的奥氏体则转变成魏氏组织和珠光体。,铁素体细化的程度将按： 型 B型过渡型 A型变化 型的最细。,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,为获得细的铁素体晶粒采用B型和型是两种不同的方法。它们存在着各自合适的转变条件。实际生产中一道次达到75的变形是不可能的。但是在奥氏体未再结晶区中变形时由于变形程度可以累积，因而可以经过多道次变形而达到75甚至更大的变形量。,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,在奥氏体再结晶区中随着轧制温度的下降，也可能通过多道次轧制使晶粒细化达到
12、与一道次变形75同样的效果（这点是通过多次的形变再结晶的结果。虽然其变形程度不等于各道变形程度的累积，但仍有一定程度的变形累积作用）。,热变形后的奥氏体向铁素体的转变,在奥氏体未再结晶区中要进行多道次变形的前题条件是奥氏体来再结晶区的温度区间要大。这只有在含铌、钒、钛等微量元素的钢中才容易做到，面对于普通的低碳钢要实现型控制轧制困难就比较大。,3.2 变形条件对奥氏体相变的影响 一、变形条件对奥氏体向铁素体转变温度Ar3的影响 二、变形条件对奥氏体向珠光体、贝氏体转变的影响,变形条件对奥氏体向铁素体 转变温度Ar3的影响,由于在奥氏体未再结晶区轧制实现型转变能获得细小的铁素体晶粒，同时又由于在
13、奥氏体未再结晶区轧制与在奥氏体+铁素体区（即A+F的两相区）中的轧制的结果是不同的，因此准确地确定奥氏体向铁素体转变温度Ar3是有实际意义的。 测定变形条件下Ar3温度的方法 变形条件对Ar3温度的影响 相变温度Ar3变化对组织结构的影响,测定变形条件下Ar3温度的方法,以往资料中得到的材料的温度Ar3都是在不变形条件下得到的，它和变形条件下的Ar3温度有差异。因此首先要设法测定在变形条件下的Ar3温度。,测定变形条件下的Ar3的方法很多，基本分两类：,利用相变过程中材料发生的物理变化来测定相变点。 测定相变时因放热而使冷却速度变化的冷却曲线法，相变时材料体积发生膨胀变化的膨胀法等。 利用在A
14、区和在（A+F）区轧制时材料组织结构和性能不同，以发生这些变化时的温度作为相变温度。 利用在F中轧制时产生100、111织构这一特点的织构法，不同区中轧制时材料硬度变化的硬度法，直接用显微镜观察材料是否析出F的金相法等。,变形条件对Ar3温度的影响,加热温度的影响 轧制温度的影响 变形量的影响 冷却速度的影响,变形对Ar3温度的影响有两种情况： 一种是在奥氏体再结晶区变形后造成奥氏体晶粒的细化，从而影响Ar3温度。 另一种情况是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。通常把这种情况造成的影响称为形变诱导相变。,变形条件对Ar3温度的影响,1. 加热温度的影响
15、 加热温度的不同，实际上也就是原始奥氏体晶粒度的不同。总的趋势是原始奥氏体晶粒愈是粗大，A r3温度就愈低。,初始奥氏体晶粒度对4C船板Ar3的影响 轧制温度900,2. 轧制温度的影响,变形条件对Ar3温度的影响,高温侧随着变形温度降低，Ar3上升，上升达100。接着Ar3变得与变形温度相等，再往下随着变形温度的降低Ar3也降低。,4015mm,75%,含钛16Mn钢1200加热,3. 变形量的影响,含铌16Mn钢的变形量对Ar3的影响曲线。随着变形量加大，Ar3提高，可达4070。图中还显示，在高温变形时变形量对Ar3的影响较小，在低温变形时对Ar3的影响大，低温大变形时尤为突出。这是由于
16、低温变形产生形变诱导相变的结果。,变形条件对Ar3温度的影响,4. 冷却速度的影响,左图是冷却速度对4C船板钢Ar3温度的影响。随着冷却速度的提高，Ar3下降，这个规律与没有变形的试样是相同的。但是在同样的冷却速度下，变形使Ar3升高，其影响是随冷却速度的提高而增大。,变形条件对Ar3温度的影响,变形条件对Ar3温度的影响,控制轧制后使Ar3温度变化的各种因素的影响的定性分析如下图。其中由于变形带使铁素体生核增加是主要的因素。,相变温度Ar3变化对组织结构的影响,单纯从相变后铁素体晶粒长大的观点看。以奥氏体区域大、相变温度Ar3低的钢对获得细晶粒铁素体较为有利。因为铁在铁素体区中的自扩散系数比在奥氏体区中高一个数量级。也就是说，在同一温度下处于铁素体状态晶粒的长大要容易的多。,相变温度Ar3变化对组织结构的影响,但是变形引起的相变温度的变化要比这种情况复杂的多。 首先，在再结晶区的变形引起了相变温度的升高是由于奥氏体晶粒的细化，所以如果轧后能快速冷却不仅不会产生魏氏组织，而且由于铁素体成核率的增加能使铁素体晶粒细化，并阻止了铁素体晶粒的过分长大。 其次，对于奥氏体未再结
