{企业组织设计}材料加工组织性能控制第三章

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1、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)：,图3-l 各种轧制程序的模式图 CR-控制轧制；AcC一控制冷却,图3-2 控制轧制和控制冷却奥氏体和铁素体的组织变化模式图 (轧制温度向右边降低。上层的组织表示轧制带来的奥氏体组织的变化，下层表示奥氏体开始相变后不久的

2、组织，特别是下层表示铁素体核的生成地点),轧制三个阶段： 控冷作用：,控制轧制的实质： (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： （1） （2）断口转变温度FATT(Fracture Appearance Transition Temperature) ： (2),图3-3 多道次轧制时轧制温度的影响(实验室数据) 0.18C-1.36Mn钢，各道次压下率20，9个道次轧制到20mm

3、轧制温度变化范围(开始一结束)为200C,图3-4 轧制温度对铁素体晶粒直径、屈服点及断口转变温度的影响 实验室数据：0.14C-1.3Mn-0.03Nb系钢，RT为加热温度，FT为终轧温度,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。,（2）奥氏体未再结晶区控制轧制(又称为型控 制轧制) 条件： 950CAr3之间进行变形。

4、 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； 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。,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

5、： （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： 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 ：,(+) 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。,1）轧制不含Nb的普通钢 ： 2）轧制含Nb钢 ：,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

6、能进行再结晶，避免混晶产生。原因：,(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 78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,（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、

7、V： 采用控制轧制工艺时要考虑到轧机的 设备条件。,3.4钢的奥氏体形变与再结晶 3.4.1热变形过程中的奥氏体再结晶行为 3.4.1.1 动态再结晶 冷加工： 高温变形：,真应力-应变曲线由三阶段组成： 第一阶段：加工硬化及软化共存，但硬化程度超过软化程度； 第二阶段：发生动态再结晶。 动态再结晶临界量c ：,曲线的最大应力值p(或s)、 、T之间可用 Zener-Hollomon因子Z表示：,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？,第三阶段，两种情况： 1）连续动态

8、再结晶 条件：cr,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 ；(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： 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 只由加工

9、条件（变形温度、变形速 率）决定，变形温度低、变形速率大，则 愈小。 动态再结晶是存在一定加工硬化程度的组 织。,s：奥氏体的屈服应力； 1：变形量为1时的应力； ： 变形后恒温保持t时间以后再次发生塑性变形的应力值。,x=1：全部静态再结晶 ；,0 x1：,x=0：奥氏体在两次热加工的间隙时间里没有任何的软化；,软化百分数：,3.4.2 热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为,静态再结晶：形变停止后发生的再结晶过程。 亚动态再结晶： 形变后的回复过程有几种可能： 只发生静态回复，不发生静态再结晶； 发生静态回复后，发生静态再结晶； 发生静态回复后，发生亚动态再结晶，随后 发生静态再结晶。,形变

10、温度、形变速度、形变后停留时的温度不变， 改变变形量，讨论：两次形变间隔时间里奥氏体 组织结构的变化：,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。,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

11、，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。,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,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；,奥氏体再结晶 百分数正比于 变形量与变形 温度。,微合金元素对静态再结晶数量的影响： 1

12、)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,试验用试样：,由该阶梯试样可获得一次轧制后不同变形程度 （10%80%，辊缝：7.2mm）下的再结晶组织。,图2.2 试验钢再结晶规律研究试验工艺,试验结果与分析： 1）变形量对奥氏体再结晶百分数的影响,图3.2 试验用X70W管线钢在T=1100时的再结晶金相照片 110%；220%；330%；440%；,变形温

13、度对奥氏体再结晶百分数的影响,（）,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 110%；220%；330%；440%；,图3.4 试验用X70W管线钢在T=850时的再结晶金相照片 550%；660%；770%；880%,X70W钢再结晶区域图,X70W钢混晶情况分析,3.4.4 细化再结晶奥氏体晶粒的控制轧制,图3-14 SM50钢进行多道次轧 时的组织和性能的变化,图3-15 轧制1秒后的奥氏体组织 （图中的数字表示为再结晶后奥氏体晶粒度级别）,图3-16 Nb钢轧制3秒钟后的奥氏体组织 (0.16%C-0.36%S

14、i-1.41%Mn-0.03%Nb,N-奥氏体晶粒度的级别),3.5 未再结晶区奥氏体的变形,转换比（AF）： 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。,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,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。,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。 延迟回复和再结晶的因素有两个： 1)合金元素；2)温度。,图3-3 不同含铌量的0.002%C-1.54%Mn钢中，

15、铌含量对软化行为的影响,实验条件： 900C以l0s-1的应变速率压下69时的软化行为。,（1）合金元素,图3-4 含铌或不含铌的0.002%C-1.56%Mn钢的软化行为与温度的关系,（2）温度,图3-5 含铌0.097%的钢中，温度和含碳量对软化行为的影响,从图中得出： 900C和850：1000C：,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,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,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作用。,3.5.2 变形带的形成和作用,图3-8(a)具有变形带的拉长晶粒，其中变形带是非再结晶区变形所产生的；(b)部分转变的晶粒组织中形成的先共析,变形带的作用：提供铁素体形核点，使晶粒细化。,影响变形带的因素： 1)变形量： 变形30时，迅速增加。 变形量小时，易造成混粒 组织。 2)变形温度：变形带密度 几乎不受非再结晶区变形 温度的影响（超过1000C 时，迅速减少 ）。,图3-9 含0.03%Nb的钢中，晶界面积(a)和变形带密度(b)同非再结晶区压下率的