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1、控制轧制与控制冷却,昆明理工大学多媒体课件,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,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,课程简介,控制轧制冷却技术是近十多年来国内外新发展起来的轧钢新技术，已成功而广泛地应用于生产过程中，能明显改善钢材组织结构，提高钢材的强韧性和使用性能。学生通过学习课程，能进一步理解压力加工过程不仅是解决成型及尺寸精度问题，而且成型过程本身也能影响金属材料的组织转变，最终影响产品性能，通过控制工艺过程的影响因素能在一定条件下获得
2、所需的组织结构及产品性称。,课程简介,本课程作为金属材料加工方向选修课，可使学生扩大和加深本专业的知识，掌握材料加工的前沿技术。 控制轧制的核心就是将轧制的动态过程和热处理的动态过程相结合， 来提高产品的综合性能。,教学要求,理解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力学性能。 了解控制冷却的工艺作用，控制轧制和控制冷却技术在工业生产中的应用。 掌握钢的强韧化理论，变形条件下再结晶和相变的组织行为理论，典型微合金元素在控制轧制中的作用机理及控制冷却中的强化冷却方式等控轧控冷的基本知识。,学习内容,第一篇：控制轧制及
3、控制冷却理论 钢的强化和韧化 钢的奥氏体形变与再结晶 在变形条件下的相变 微合金元素在控制轧制中的作用 钢材控制冷却理论基础 第二篇：控制轧制及控制冷却技术的应用 控制轧制及控制冷却技术在钢板生产中的应用 控制轧制及控制冷却技术在型钢生产中的应用 控制轧制及控制冷却技术在钢管生产中的应用,教学安排,教学：本课程2学分，总课时为32学时，每周2学时，1-16周上课。 考核：总成绩平时成绩(30%)期末大作业(70%) 平时成绩：考勤课堂提问课堂讨论等 期末大作业作为考试 无故缺课达到学校规定的次数者，不能获得本课程学分。,参考书目,教材：王有铭，钢材的控制轧制和控制冷却，冶金工艺出版社，2008
4、.6 刘永铨，钢的形变热处理，冶金工业出版社 李曼云，钢的控制轧制和控制冷却技术手册，冶金工业出版社 田中智夫，钢的微合金化及控制轧制，冶金工业出版社 钢铁冶金学报,控制轧制和控制冷却概念,控制轧制（Controlled Rolling)：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的轧制新工艺。 对低碳钢和低合金钢来说，采用控制轧制工艺主要通过控制工艺参数，细化变形晶粒，经过向和P的相变，形成细化的和较为细小的P球团，从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性能的目的。,控制轧制和控制冷却概念,控制冷却（Co
5、ntrolled 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。,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； 二战时，荷兰等国采用“低温大压下”细化低碳钢的晶粒，提高强韧性； 50年代末和60年代初，美国和原苏联等国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和控制冷却的机理研究和工艺的实践
6、奠定了基础；,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； 二战时，荷兰等国采用“低温大压下”细化低碳钢的晶粒，提高强韧性； 50年代末和60年代初，美国和原苏联等国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了基础；,控轧控冷技术发展过程,60年代中期，英国钢铁研究会对钢的成分与钢的力学性能之间的关系进行了系列研究，提出了相应的控制轧制理论； 在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度； 近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢、钢管及型钢生产和合金钢生产中，并取
7、得了明显的经济效益和社会效益。,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。,第一篇 控制轧制及 控制冷却理论,1 钢的强化和韧化,1.1 钢的强化机制,金属材料的机械性能是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。,载荷的形式,1.1 钢的强化机制,材料机械性能
8、指标,1 钢的强化和韧化,对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其中强度性能又居首位。 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。,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。,圆形拉伸试样,1.1 钢的强化机制,低碳钢和铸铁的拉伸曲线,弹性变形阶段,强化阶段,颈缩阶段,1.1 钢的强化机制,弹性极限（e）：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性
9、零件的设计依据。 屈服极限（ 屈服强度s）：表示金属开始发生明显塑性变形的抗力，铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（0.2 ）来表示：产生0.2%残余应变时的应力值。 强度极限（抗拉强度b ）：表示金属受拉时所能承受的最大应力。 e 、s 、b 是机械零件和构件设计和选材的主要依据。,1.1 钢的强化机制,金属强度的影响因素 化学成分：W(C) 0.9%时，碳钢随含碳量的增加，其强度增加。 加工工艺过程：纯Cu和纯Al的s分别为60MPa和40MPa，经过冷加工后强度明显增加。 热处理工艺： W(C) 0.4%的碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，其强度由500MPa增至700800
10、MPa。,1.1 钢的强化机制,强化：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。 屈服强度：指金属抵抗塑性变形的抗力，来源于金属原子间的结合力，理论值为G/2，奥罗万修正值为G/30（G为晶体的弹性模量）。由于实际金属中存在各种晶体缺陷，特别是存在位错，位错很容易运动，因而不能充分发挥原子间结合力的作用，故金属的实际强度远低于理论值,1.1 钢的强化机制,金属和合金塑性变形包含晶内变形和晶间变形。晶内变形是通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动，最基本的是滑移、孪生和扭折。 在T0.5Tm时，可能出现晶间变形和晶界滑移，这类变形不仅同位错运动有关，而且扩散过程也
11、起重要作用.,1.1 钢的强化机制,室温时，金属的塑性变形实质上就是位错运动（或者更全面的说是晶体缺陷运动，但位错运动是基本的，主要的）。提高位错源开动所需要的应力和位错运动的阻力，就提高了金属材料的屈服强度，也就提高了金属材料的强度，故提高钢的强度首先要提高钢的屈服强度。,1.1 钢的强化机制,一、冷变形强化(strain strengthening) （或应变硬化、应变强化、冷作硬化、加工硬化、位错强化) 1、基本概念 冷变形：金属材料在再结晶温度以下的变形。 冷变形强化：金属材料在冷塑性变形过程中，随着变形程度增加，其强度和硬度提高而塑韧性显著降低的现象,1.1 钢的强化机制,2、强化机
12、理 冷变形使金属内位错大量增殖,密度增大; 位错运动过程中彼此交截，形成割阶，使位错的可动性减小； 许多位错经交互作用后缠结在一起，形成位错缠结，使位错运动更困难，以致需要更大的力才能使位错克服障碍而运动。 变形量越大，材料变形阻力越大，强度越高。,1.1 钢的强化机制,3、特点 金属材料的冷变形强化程度随变形量的增加而增加，而塑性随之减少； 金属材料的晶体结构不同，其加工硬化率（或称应变硬化系数）也不同，HCP金属的应变硬化系数较小，而BCC特别是FCC金属的应变硬化系数较大。,1.1 钢的强化机制,原因： BCC和FCC晶体的滑移系统很多，几何软化现象不会象HCP晶体可能出现的那样强烈；
13、BCC和FCC晶体滑移系统多，容易出现多系滑移和交滑移，也就容易出现较强烈的物理强化。 BCC：3个1104个=12个滑移系 FCC：4个1113个=12个滑移系 HCP：1个00013个=3个滑移系,1.1 钢的强化机制,4、应用 特别适用于纯金属及热处理不强化的合金,尤其是导电材料（原因：虽然冷变形使延性、导电性和耐蚀性降低，但与其它方法如固溶强化相比，其冷变形后的导电性的降低要小得多），故用冷加工方法加工输电铜导线； 在实践中利用，如冷拔线材、深冲薄板异型件等。,1.1 钢的强化机制,二、固溶强化 (solid solution strengthening) 1、基本概念 固溶强化：当合
14、金元素（溶质）固溶到基体金属（溶剂）中形成固溶体时，合金的强度和硬度则会提高，称为固溶强化。如黄铜(Cu-Zn)强度要高于紫铜。,1.1 钢的强化机制,2、强化机理 弹性交互作用：溶质原子和位错周围均存在应力场，为了使系统应变能降低，二者会发生交互作用（比如溶质原子对正刃型位错的偏聚），形成柯氏气团（围绕位错而形成的溶质原子聚集物），阻碍位错运运动； 合金元素与基体金属原子价不同，产生电化学交互作用。,1.1 钢的强化机制,3、影响因素 溶质与溶剂的原子半径差别越大，强化效果越好； 有限固溶体中溶质元素溶解量越大，强化效果越好； 溶质元素在溶剂中的饱和溶解度越小，强化效果越好；,1.1 钢的强
15、化机制,形成间隙固溶体的溶质元素（C、N、B等）的强化效果好于形成置换固溶体溶质元素（如Mn、Si、P等）。,1.1 钢的强化机制,4、特点 提高合金的屈服强度、抗拉强度和硬度的同时，对其它影响如下： 几乎都使合金的塑性低于纯金属，但少数例外(如Cu-Zn合金的强度和韧性同时提高)； 使合金的导电性低于纯金属； 提高合金的抗蠕变性能，减少高温下强度损失；,1.1 钢的强化机制,三、沉淀强化(preciptation strengthening)或时效强化(aging strengthening) 1、基本概念 沉淀强化：通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出第二相产生的强化.钢中常加入微量Nb
16、、V、Ti元素，形成碳化物、氮化物或碳氮化合物，在轧制中或轧后冷却时析出，起到第二相沉淀强化作用。,1.1 钢的强化机制,2、沉淀强化条件 能形成有限固溶体； 固溶度随温度的降低而减小。 有析出的位置晶体缺陷。 3、强化机理 位错与析出第二相颗粒之间的相互作用，包括对提高强度有积极作用的绕过过程和对强度作用较小的剪切过程。,1.1 钢的强化机制,4、沉淀强化影响因素 析出相的颗粒尺寸和其体积百分比，质点越小，百分比越大，强化效果越大。但质点尺寸又不能过分小，质点之间的距离也不能过分小，否则位错不能在质点直径弯曲，变绕过机制为切过机制，强化效果下降。根据计算，一般的质点为20-50个原子间距，体积占2%左右时效果最佳。,1.1 钢的强化机制,析出相的特性：析出颗粒分布于整个基体上比晶界析出好；球状颗粒比片状好；颗粒弥散度越大，效果越好;比如：形变热处理使基体中位错密度增大，甚至形成亚晶，有利于沉淀相的形核和更弥散析出，增加强化效果。 时效时间：时间越长，析出相颗粒越大，颗粒
