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1、中厚钢板的TMCP工艺研究及热模拟试验设计,东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室,控制控冷及热模拟典型示例分析,主讲教师：材料加工工程学科 朱伏先 2005.6.15,目 录,1.TMCP工艺简述 2.形变与再结晶过程的热模拟 3.形变奥氏体的相变过程模拟 4.工业试验及TMCP工艺的确定 5.结论,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
2、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。,1.2 TMCP的发展过程,第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了控制轧制的雏形。 五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了控制轧制技术的日趋成熟。 1980年日本钢管（NKK）在福山制铁所安装了世界上第一套中厚板控制冷却装置，国际钢铁业界将此控制轧制与控制冷却工艺的组合称为TMCP。 目前TMCP已成为国内外宽厚板厂的主导生产工艺；随着超细晶粒钢的研究开发，新一代TMCP工艺技术已经出现。,1.3 传统
3、TMCP工艺的三个阶段,（1）奥氏体再结晶区变形阶段 t950 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段 t950Ar3 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 tAr3 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,2.形变与再结晶过程的热模拟,2.1热变形应力应变曲线及其规律 由图2可以看出以下规律： a.变形速度不变时，同一应变条件下，变形温度越高，所对应的真应力越低 b.变形温度不变时，同一应变条件下，变形速
4、度越低，所对应的真应力也越低，且真应力的峰值向真应力变小的方向移动 c.相同变形温度、速度条件下，随应变的增加，曲线呈现由高变低并逐渐趋于稳定,图2. 0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在0.6Tm 以上温度变形时的应力应变曲线,2.1热变形应力应变曲线及其规律,图3 Q235钢单道次压缩应力-应变曲线 （应变速率0.5s-1）,图4 Q345钢单道次压缩应力-应变曲线 (应变速率0.5s-1）,2.1热变形应力应变曲线及其规律,应用Origin6软件处理以上试验数据，利用多元线性回归办法，得到可信度95%的 Q235、Q345变形抗力模型如下： Q235变形抗力模型： （850以
5、下） (850以上) Q345变形抗力模型： （850以下） （850以上）,2.1热变形应力应变曲线及其规律,阶段：动态回复 变形的开始阶段加工硬化速 率较大，随应变继续增加，软 化速率增大，部分位错消失、 亚晶形成，曲线趋于平缓 阶段：动态再结晶 随变形量增加金属内部畸变 能增加，达到一定程度时驱动 形变奥氏体产生动态再结晶 阶段：动态再结晶稳定阶段 动态再结晶全部完成后，继 续变形时，应力基本不变或呈 规律的稳定状态,图5 典型应力应变曲线的三个阶段,2.2热变形后的静态软化过程,热加工过程中所形成的不稳定组织， 在热加工的间隙时间里或加工后的缓冷 过程中将继续发生静态软化。以右图所 示
6、0.68C钢，780对应不同应变值变 形后保温不同时间的软化规律如下： (a)当变形量远小于静态再结晶的临界变形量时，加工硬化组织不能完全消除软化过程为：静态回复 (b)当变形量大于静态而小于动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复静态再结晶 (c)当变形量刚超过动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复亚动态再结晶静态再结晶 (d)当变形量达到动态再结晶稳定阶段的变形量时，软化过程为：静态回复亚动态再结晶,2.2热变形后的静态软化过程,图6 0.68%C钢不同变形量时的软化行为,2.2热变形后的静态软化过程,热变形后的再结晶行为因变 形量和轧制温度的变化可分 为再结晶区、部分再结晶
7、区 和回复区等三个区域。 采用再结晶区轧制时，整个 体积发生再结晶，形成均匀 的细晶粒组织 在部分再结晶区轧制时，形 成部分再结晶和未再结晶的 混合组织 在回复区域轧制时，多数晶 粒产生回复，部分晶粒生成 粗大晶粒,图7 变形温度和变形量对含铌钢再结晶行为和再结晶晶粒直径的影响,图8 Q345钢不同温度不同变形量时的奥氏体组织,从图8可以看出，随 着变形温度的降低， 奥氏体发生再结晶的 临界变形量增大： 高温区轧制，1020%的变形量足以使再结晶充分进行； 部分再结晶区轧制时，临界变形量在30%以上，否则道次间隙时间内静态再结晶来不及发生,1100,1000,950,900,10%,20%,3
8、0%,40%,2.2热变形后的静态软化过程,2.2热变形后的静态软化过程,图9 Q345钢奥氏体再结晶区域图 未再结晶区；部分再结晶区；完全再结晶区,图10 不同变形量和不同温度 对Q345钢奥 氏体平均晶粒尺寸的影响,2.3再结晶奥氏体长大过程,中厚板控轧时，为了避免在部分再结晶区轧制，保证未再结晶区内有足够的变形量，粗轧结束至进精轧之前必须实行严格的待温制度。为了了解再结晶奥氏体在停隔时间内的演变过程，进行了如下热模拟实验：,图11 再结晶奥氏体演变过程 热模拟试验方案,(a),(b),返回,2.3 再结晶奥氏体的长大过程,图12 奥氏体晶粒的长大过程,a,b,c,d,e,f,图13 待温
9、冷却速度与奥氏体 平均晶粒尺寸的关系,返回,2.3再结晶奥氏体的长大过程,图14 Q345钢不同停隔时间的奥氏体组织,2.3再结晶奥氏体的长大过程,从图12和图14可以看出： 变形结束后随停隔时间的延长，沿着原来的奥氏体晶界，再结晶核心不断形成，在形变储存能的驱动下形变奥氏体发生再结晶的数量不断增加，奥氏体平均晶粒尺寸不断减小，当奥氏体平均晶粒尺寸达到最小值时说明再结晶过程完成。其后随时间的延长，再结晶奥氏体逐渐长大，达到某一阀值时趋于稳定。由于试样心部和边部变形不均匀程度的差别，再结晶完成的时间略有差别。 从图13可以看出： 随待温冷却速度的变化，奥氏体平均晶粒尺寸无明显变化，因为在再结晶过
10、程中过冷度不是影响奥氏体晶粒大小的主要因素，所以不能采用增加过冷度的方法细化再结晶晶粒。,2.4 再结晶行为对力学性能和组织的影响,图15 道次变形量对强度的影响,图16 道次变形量对室温冲击和延伸率的影响,（a）12.9% （b） 28.2% （c）39.57% 图17 Q345钢1050不同变形量轧制试样的室温组织,2.4 再结晶行为对力学性能和组织的影响,（a）10.8% （b）18.9% （c）41% 图18 Q345钢 900不同变形量轧制试样的室温组织,返回,2.5 双道次压缩热模拟试验,对于多道次的热轧过程，轧制道次间往往不能发生完全软化，前一道次的变形会对下一道次的变形产生累积
11、作用。这种道次间的软化程度常用软化率FS表示。 式中： m 第1道次变形的最高应力 y0第1道次加载时的屈服应力 y 第2道次加载时的屈服应力 显然，道次间隔时间内完全软化时，FS=1；完全不出现静态回复时FS=0；通常情况下0FS1,图19 热轧道次间软化率测定示意图,返回,2.5 双道次压缩热模拟试验,由图19可以看出，在道次间隔时间之内将发生以下3种类型的硬化和软化的相互作用： 1）发生奥氏体晶粒再结晶和晶粒长大，使第二道次变形的屈服应力没有提高，甚至降低，这时软化的影响占主导地位。如图中的1000变形下道次间隔时间为10秒的情形，这种现象发生在普通热轧工艺条件下。 2) 发生了奥氏体再
12、结晶，但晶粒细化而不是粗化，造成第二道次的屈服应力增大，但增加的幅度不大，这时软化的影响与硬化大体相当，或稍弱。如图中的900 变形下道次间隔时间为10秒的情形，这种现象多发生在再结晶控轧工艺条件下。 3）没有发生奥氏体再结晶，奥氏体晶粒仍以变形状态进入下一道变形，使第二道次变形的屈服应力大大提高，这时应变累积效应的影响占据主导地位。如图中800 变形下的情形，这种现象多发生在未再结晶控轧工艺条件下。,2.5 双道次压缩热模拟试验,图20 Q235、Q345钢双道次压缩试验方案示例,2.5 双道次压缩热模拟试验,图21 Q235钢静态再结晶软化 率与道次间隔时间的关系,图22 含铌Q345钢静
13、态再结晶软化 率与道次间隔时间的关系,2.5 双道次压缩热模拟试验,图23 Q345钢道次间静态再结晶软化曲线,2.6 应变累积效应及精轧工艺参数确定 为了提高精轧阶段奥氏体部分再结晶区及未再结晶区内应变累积的百分数，选择合适的精轧温度区间是确定TMCP工艺的关键。因此在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的300mm多功能实验轧机上进行热轧试验确定精轧工艺参数，试验钢取自80mm厚中间坯 ，其化学成分如表1所示：,表1 试验钢的化学成分，wt%,2.6 应变累积效应及精轧工艺参数确定,表2 Q345钢控轧试验压下规程,实验室热轧试验的具体轧制规程如表2所示：,2.6 应变累积效应及精轧
14、工艺参数确定,图24 控轧温度与力学性能的关系,图25 终轧温度对力学性能的影响,2.6 应变累积效应及精轧工艺参数确定,图26 不同精轧温度区间控轧时的室温组织 控轧温度：a 800 b880 c 950 终轧温度：a 756 b822 c 884,表3 试验钢不同精轧温度区间控轧时的力学性能,a,b,c,图27试验钢精轧阶段累积形变量与强度和冲击功的关系,2.6 应变累积效应及精轧工艺参数确定,从图27可以看出： 屈服强度随累积变形量的增加而增加，尤其是当累积变形量达到70%时，屈服强度升高约30MPa，达到380MPa左右； 随累积变形量的增加冲击值几乎呈线性递增，可见增加精轧阶段的累积
15、变形量对提高Q345钢的冲击韧性非常有效。,2.6 应变累积效应及精轧工艺参数确定,图28 不同累积变形量试样的金相照片 其中（a）38%；（b）55%；（c）66%；（d）73%,3.形变奥氏体的相变过程模拟,3.1奥氏体/铁素体相变行为,图29 形变奥氏体的不同形态,3.1奥氏体/铁素体相变行为,图30 热加工钢材的奥氏体/铁素体相变形态示意图,3.2 动态CCT曲线的测定,图31 动态CCT曲线测定试验方案举例,3.2 动态CCT曲线的测定,图32 由温度膨胀量曲线确定相变点,图33 由温度膨胀量曲线绘制动态 CCT曲线,a温度膨胀量曲线 b动态CCT曲线,热膨胀系数的大小排序为： 奥氏
16、体铁素体珠光体贝氏体马氏体,3.2 动态CCT曲线的测定,图34 奥氏体晶粒尺寸对CCT曲线的影响,随奥氏体晶粒变细，整个曲线向上、向左方向移动,图35 奥氏体未再结晶变形量对CCT曲线的影响 42；27；0,随奥氏体未再结晶区变形量的增大，整个曲线向上、向左方向移动,3.2 动态CCT曲线的测定,图36 奥氏体未再结晶区变形温度对CCT曲线的影响 900；850；800,随奥氏体未再结晶区变形温度的降低，整个曲线向上、向左方向移动,图37 Q345钢低冷却速率范围内的动态CCT曲线,由图可见，Q345钢的贝氏体形成温度范围比较宽，应注意终了冷却温度的控制,3.3 轧后冷却制度的确定,图38 不同冷却速度下试验钢的力学性能,a,b,c,图
