内蒙古科技大学硕十学位论文摘要铌在钢中具有固溶强化、沉淀强化以及形成氮碳化物起细晶强化作用钢中加入的铌等微合金元素通过细化晶粒、改变相变动力学、借助于过饱和状态的脱溶及时效过程，可使钢的强度、韧性、工艺性能和物理化学性能得到良好的匹配，从而能大幅度地调整材料的性能本文针对N b 微合金钢生产中经常出现的混晶现象，采用热模拟试验与分析现场实际工艺条件相结合的方法，研究了变形工艺与冷却条件对钢材相变与组织的影响论文主要内容和结论有：1 ．利用G l e e b l e 一1 5 0 0 热／力模拟实验机，采用热膨胀法测定了不同铌含量的含铌钢的在不同冷速下的相变点并进行了会相组织观察结果发现：冷却速度对相变点和显微组织的影响很大，且在不同的冷却速度区间对相变点和显微组织的影响不同；冷却速度较慢时，得到的显微组织为比较粗大的铁素体和少量珠光体组织；中速冷却的显微组织主要由尖角形、多边形铁素体、贝氏体的混合组织；铌具有延迟相变作用，含铌量及碳当量较高的钢在高冷速下出现了针状铁素体组织2 ．利用内蒙古科技大学中1 3 0 二辊实验轧机，对Q 3 4 5 C 连铸坯进行了不同变形量的一道次大压下变形，研究了高温下不同变形量对奥氏体淬火组织的影响。
研究发现：在同样变形温度( 1 0 5 0 ℃) 下，当变形量较小( 1 0℃／s ) ，固溶铌具有特别显著的降l ' g , y —a 相变开始温度的作用，这与固溶N b 在冷却过程中始终保持处于固溶态而很少沉淀析出有关固溶铌在Y ／Ⅸ相界偏聚，降低铁素体长大的驱动力，以溶质拖曳机制起作用有文献【l6 】表明，在同样的重量分数下，固溶铌在降低铁素体相变开始温度方面比M n 的作用要大十倍以上因此结合本实验钢的成分特点以及与普通碳素钢和C ．M n 钢的相变点对照，认为固溶铌在降低v —a 相变温度方面起了重要作用2 - 3 ．3 铌含量对钢微观组织的影响固溶铌能够显著降低v 一0 【相变J r 始温度，因而必然加强相变细化晶粒效果在添加微量铌的微合金钢中，通过合适的轧制形变工艺和冷却工艺的控制可以在钢材中得到针状铁素体组织针状铁素体组织转变温度通常稍高于上贝氏体，且一般均含有部分岛状马氏体针状铁素体与多边形铁素体相比，由于其具有较高的位错密度，因而强度将显著提高在本实验中，由图2 ．6 可以看到，相同冷速下，较高铌含量的钢中出现了较多的贝氏体型铁索体，甚至在高冷速下贝氏体型铁素体体积分数占了绝对优势；而在较低的冷速下，较商铌含量的钢中就出现了大量尖角状铁素体和贝氏体铁素体，而低铌含量钢中则几乎没有贝氏体铁素体。
结合本实验测定的C C T 曲线与金相组织照片，认为溶质铌不仅降低Y —a 相变开始温度，而且有效地提高钢材的淬透性，淬透性的提高也意味着对相同的一般性条件，尤其在高的冷速下，含N b 钢将有更多的低温转变产物，如针状铁素体、贝氏体型铁素体等，这与文献H 9 ㈣I 的结果相符贝氏体本质上是贝氏体铁素体( B F ) 和e ．渗碳体( 或￡一碳化物) 的有机结合体，组织中常夹杂着残余奥氏体、马氏体等相由于贝氏体相变的中间过渡性造成了贝氏体形态极为复杂在较高温度区形成上贝氏体在低碳微合余钢中，形成贝氏体铁素体后，渗碳体尚未析出，贝氏体铁素体| 、日J 仍为奥氏体，碳不断向奥氏体中扩散富集，使奥氏体趋于稳定而保留下来，形成无碳化物贝氏体；当奥氏体冷却到上贝氏体的较高温度区，析出贝氏体铁素体后，由于碳扩散到奥氏体中，使奥氏体不均匀的富碳，不再转变为铁素体，这些奥氏体区域( 岛) 一般呈粒状或长条状，分布在铁素体基体上这种奥内蒙占科技人学硕士学位论文氏体在冷却或等温过程中，可以部分地分解或转变，岛内转变为M ／A 组织，这种组织成为粒状贝氏体有人f 5 5 ] 建议将低碳微合金管线钢在连续冷却中形成的准多边形铁素体、无原奥氏体晶界的贝氏体铁素体、粒状铁素体及M ／A 组元归类到工程用针状铁素体( A F ) 组织的范畴。
2 ．3 ．4 铌对钢的性能的影响铌在钢中具有固溶强化、细晶强化、沉淀强化作用，这种良好作用来自三方面凶素：( 1 1 在组织中可以形成碳化铌或碳氮化铌，而碳化铌或碳氮化铌沉淀强化作用稳定，其细小品粒在基体上均匀分布，起沉淀强化作用 2 ) 铌直接强化固溶体铌在钢中，除以碳化铌或碳氮化铌形式存在外，还可直接以置换原子或间隙原子形式进入固溶体，强化固溶体，使再结晶温度提高 3 ) 铌间接强化固溶体铌与碳、氨的结合，促使钨、钼等合金元素进入固溶体，使固溶体受到间接强化作用2 ．4 小结本章主要研究了高温加热后含铌钢的连续冷却相变和显微组织变化规律，目的是为制定合理的热变形工艺提供实验和理论依据通过实验，本章得出的结论如下：1 ．低铌含量钢在冷却速度较低时，主要发生铁素体和珠光体转变，在冷却速度较高( 1 0 ℃／s 以上) 时，有贝氏体相变发生；较高铌含量的钢在较低冷速( 3 C ／s ) F 有贝氏体相变发生2 ，低铌含量( ( ) ( d ) 第6 道( 1 2 0 0 0 ×)“0 Ⅲ．二i 垫i 二．≥．，鬈；戚?图4 ．4 能谱图F i 9 44E n e g e r ys p e c l r u m内蒙古科技大学顿』一学侮论文图4 ．5 同一试样中的不同珠光体组织形貌( S E M )F i 9 4 ．5T h ed i f f e r e n ti m a g e so f p e a r l i t ei no n es a m p l e 图4 ．5 中的( a ) 、( b ) 是同一试样不同视场内的微观组织。
从图中可以看到，部分珠光体沿铁素体晶界呈连续或不连续的条片状分布( 如图4 ．5 ( a ) 中黑箭头所示) ，部分为由不连续的短棒状碳化物与多边形铁素体构成的类珠光体团，如图4 ．5 ( b ) 所示4 ．3 讨论4 ．3 ．1 晶粒细化趋势分析根据表4 ．3 所测定的数据，绘制图4 ．6 由图4 ．6 ( a ) 、C o ) 、( c ) 三图可以看出，在C S P 薄板轧制过程中，沿横断面的高度方向上，前面道次变形后试样的表面晶粒尺寸与心部晶粒尺寸差别较大，表面晶粒较细，由表及里，晶粒尺寸逐渐增大，表面与心部最大处晶粒尺寸约差l O u m 左右，而随着轧制道次的增加，晶粒细化的同时，表面与心部的晶粒尺寸大小趋同，差另l j { 艮小经分析认为，连轧前铸坯靠近表面层的组织( 细晶层) 比靠近中心区域( 等轴晶甚至是枝晶) 的组织细小，因此前几道次轧后轧件表面和心部的组织差异是由于铸坯组织沿纵断面的不均匀分布引起的组织遗传结果说明，在薄板坯连铸连轧的轧制阶段，随轧制道次增加，铸坯表面和心部存在的晶粒尺寸差异会逐渐减小由图4 ．6 ( d ) 、( c ) 、( f ) 比较可以看出，在前面道次中板坯边部晶粒尺寸要大于中心部位晶粒尺寸，随着轧肯4 i i ￡次增多，中心部位晶粒显著增大，其中尤其以在表面处的边部晶粒与中心处晶粒差别最大( 最大处约差1 7 u r n ) ，而轧制结束，边部与中心处晶粒尺寸几乎相同。
经分析认为，开始道次边部晶粒较大，主要是由于铸坯边部冷却较快，在加热前部分奥氏体已相变为铁素体，相变晶粒与未相变晶粒共存，再加热时由于大小晶粒不均，未相变晶粒更为粗大因而边部平均晶粒尺寸较大；而中间儿道次，中部晶粒较4 8内蒙占科技大学硕士学位论文大主要是出于塑性功转化为热，边部散热较快而中部散热较慢，边部过冷度较大，所以边部再结晶形核率大而发生再结晶后的边部晶粒长大速率较小，而中部过冷度相对较小所以再结晶形核率较低且再结晶晶粒长大的快，因而中心处晶粒甚至比前两道次还要大后面道次轧件变薄，温差减小，从而变形均匀，所以沿宽向断面晶粒尺寸趋于一致o 慷一V ——一一{ 一笔笔‰{ }囊2 0⋯∥2 竺] 5童 叶7 《艰2 52 0L 51 050l23456道次—●～边部I 叫} ～距边部 1 ／4 处 ，—●r ～中心( e ) 距卜表面l ／4 2 的部位一～I —◆一边部^ 4 0 曼3 0 荽2 0蠢1 00l23456道次( c ) 板坯# 截面中心# 位( f ) 距E 表面l ／2 处的部位3 0童：2 5 飘丑皿：矧窿』3 6童：3 0 芝2 1 0 5莲1 ：0懋攀躐X鎏海12 3456道次【—■一距边部l ／4 处—●r 一中心—●一边部—l 一跆边部} I ，7 4 处7 —●r 一中心幽4 ．6 同一轧什不同部位不同道次变形后的晶粒尺寸F i 9 4 ．6 T h eg r a i ns i z eo f t h es a m es t e e li nd i f f e r e n ts e c t i o n sa f t e rd i f f e r e n tr o l l i n gp a s s内蒙古科技大学颂十学位论文4 ．3 ．2 微观组织演变规律国内外研究[ 1 t , 3 7 , 3 8 1 认为，在C S P 生产中连轧阶段总的变形率通常有两方面作用：S ∑= 占丹+ 占f 、其中，岛所起的作用是细化铸坯组织，并将其转化为均匀的再结晶组织；毋所起的作用是增加铁素体形核地点，提商y 一值的相变驱动力，以便在相变后得到均匀细小的铁素体组织，使铸坯的铸态组织发生再结晶的临界变形量岛> ／5 0 ％1 5 ”。
从实验钢的轧制工艺来看，在连轧阶段的前两道次变形温度较高，在1 0 0 0 C 以上，但1 、2 道变形量均在4 0 ％左右，第三道变形温度1 0 0 0 ℃左右，变形量约为3 4 ％，而且由前面的实验结果分析可知，微量元素固溶铌的存在，提高了再结晶温度，静态再结晶终止温度约在9 8 0 “ C ，所以在静态再结晶终止温度以上存在部分再结晶区，发生了部分再结晶因此室温组织中，晶粒尺寸不均匀在连轧阶段的后面几个道次，温度继续降低，同时变形量也减小，使奥氏体的再结晶变得更为困难可以判断在连轧过程中的低温Y 区，由于变形量较小、道次间隔时间很短( 甚至不到I s ) ，回复和再结晶进行的不充分，应变会在后续的变形道次中积累在最后的轧制阶段随轧制温度降低轧件继续变形，造成应变不断累积，晶界上成核速率大大增加，晶内累积有大量的畸变能和变形带，同时晶粒拉长而使奥氏体晶界面积增加这些原因都提高了戗相在单位体积Y 相内的形核地点数量和成核速率变形后由于轧件较薄因此冷速较快，而且边部与中心温差较小，很快就发生了相变，铁素体在奥氏体晶界和晶粒内部( 尤其是晶粒内部) 大量形核因此终轧组织明显细化，但是后面道次的变形仍未消除因前面道次发生部分再结晶而引起的混晶组织，最终组织晶粒尺寸仍不均匀。
室温组织中珠光体团的数量和尺寸取决于铁素体的形核率在低温y 区，随着轧制过程的进行，应变逐渐累积，铁素体在奥氏体晶界形核速率增加，并且在奥氏体晶粒内部形核地点增加，在相变过程中，晶界上已形核的铁素体向晶内长大，形变带上形核的铁索体向周围长大铁素体推进的前端存在富碳区，铁素体形核数量越多，形成富碳区的部位越分散，使随后共析转变形成的珠光体团更加弥散而在高温Y 区轧制时，奥氏体因为再结晶发生细化，也造成随后的相变中铁素体形核率增加，影响到珠光体的形态4 ．3 ．3 第二相质点阻碍晶粒长大的作用C S P 工艺生产过程中低碳钢由凝固到成品钢板所经历的转变过程包括：6 一Y 相变；T 相的形变再结晶；Y 相冷却时的分解以及在6 、小0 【相中可能发生的第二相粒子内蒙古科技大学硕士学位殓史析出等发生相变时，一个新相的形成包括彤核、长大和粗化三个阶段变形金属发生再结晶时，则是通过新的再结晶晶粒的形核、长大和粗化过程实现的因此不论是通过再结晶细化晶粒还是通过y 一Ⅱ相变细化晶粒都涉及到新晶粒的形核、长大和粗化问题凼而细化晶粒的方法大体包括两个方面：( 1 ) 提高形核率、生成尽可能多的新相核心( 或再结。