材料加工組織性能控制第三章XXXX9通用PPT課件

1、3.熱形變過程中組織的變化3.1 控制軋制概念 控制軋制(Controlled rolling)：熱軋過程中通過對金屬加熱制度、變形制度和溫度制度的合理控制，使熱塑性變形與固態(tài)相變結(jié)合，獲得細小晶粒組織，使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能的軋制新工藝。TMCP(Thermo Momechanical Controlled Processing)： 圖3-l 各種軋制程序的模式圖 CR-控制軋制；AcC一控制冷卻圖3-2 控制軋制和控制冷卻奧氏體和鐵素體的組織變化模式圖(軋制溫度向右邊降低。上層的組織表示軋制帶來的奧氏體組織的變化，下層表示奧氏體開始相變后不久的組織，特別是下層表示鐵素體核的生成地點)

2、軋制三個階段：控冷作用：控制軋制的實質(zhì)： (1)盡可能降低加熱溫度，將開始軋制前的奧氏體晶粒微細化。 (2)使中間溫度區(qū)(如900C 以上)的軋制道次程序最佳化，通過反復(fù)再結(jié)晶使奧氏體晶粒微細化。 (3)加大奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的累積壓下量，增加奧氏體每單位體積的晶粒界面積和變形帶面積?？刂栖堉茩C理：（1）Hall-Petch關(guān)系式： （1） （2）斷口轉(zhuǎn)變溫度FATT(Fracture Appearance Transition Temperature) ： (2) 圖3-3 多道次軋制時軋制溫度的影響(實驗室數(shù)據(jù))0.18C-1.36Mn鋼，各道次壓下率20，9個道次軋制到20mm 軋制溫度變

3、化范圍(開始一結(jié)束)為200C 圖3-4 軋制溫度對鐵素體結(jié)晶粒直徑和屈服點斷口轉(zhuǎn)變溫度的影響 實驗室數(shù)據(jù)：0.14C-1.3Mn-0.03Nb系鋼，RT為加熱溫度，F(xiàn)T為終軋溫度控制軋制的類型：控制軋制方式示意圖(a) 奧氏體再結(jié)晶區(qū)控軋；(b) 奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控軋；(c) (+)兩相區(qū)控軋 （1）奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制軋制(又稱I型控制軋制)條件：950以上 再結(jié)晶區(qū)域變形。主要目的：對加熱時粗化的初始晶粒軋制再結(jié)晶反復(fù)進行細化 相變后細小的晶粒。相變前的晶粒越細，相變后的晶粒也變得越細。（2）奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控制軋制(又稱為型控制軋制)條件： 950CAr3之間進行變形。目的：晶粒沿軋制方

4、向伸長，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生形變帶。晶界面積，的形核密度 ，進一步促進了晶粒的細化。(3) (+)兩相區(qū)軋制 條件：Ar3點以下軋制。目的：未相變晶粒更加伸長，在晶內(nèi)形成形變帶，相變形成微細的多邊形晶粒；已相變后的晶粒變形，于晶粒內(nèi)形成亞結(jié)構(gòu)，因回復(fù)變成內(nèi)部含有亞晶粒的晶粒。組織：大傾角晶粒和亞晶粒的混合組織。強度升高，脆性轉(zhuǎn)變溫度（亞晶的出現(xiàn)）。控制軋制三階段示意圖和各階段的組織變化3.2 控制軋制工藝特點 (1)控制加熱溫度 加熱溫度決定軋制前奧氏體晶粒的大小，溫度越低晶粒越細。圖3-5 含微量添加元素的奧氏體晶粒成長情況低溫加熱優(yōu)點： （1）避免奧氏體晶粒變粗大。（2）縮短延遲冷卻時間，粗軋和精

5、軋幾乎可連續(xù)進行。缺點：（1）要減小板坯的厚度。（2）含鈮鋼中鈮未固溶，達不到預(yù)期的析出強化效果。 (2)控制軋制溫度奧氏體區(qū)軋制：要求最后幾道次的軋制溫度要低。一般要求終軋溫度盡可能接近奧氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，起到相似于正火的作用。 低碳結(jié)構(gòu)鋼的終軋溫度:含Nb鋼的終軋溫度:采用(+)兩相區(qū)軋制：要根據(jù)對鋼材性能的不同要求而確定其終軋溫度。 (3) 控制變形程度 ：(+) 兩相區(qū)軋制：壓下率的增加會使位錯密度增大，亞晶發(fā)達和產(chǎn)生織構(gòu)等，結(jié)果可使鋼材的強度升高，低溫韌性得到改善。1）軋制不含Nb的普通鋼 ：2）軋制含Nb鋼 ：奧氏體區(qū)軋制 原則：1)連續(xù)軋制，不要間歇，尤其在的高溫側(cè)(動態(tài)再結(jié)晶區(qū)

6、)，使晶粒來不及長大； 2)道次變形量應(yīng)大于臨界變形量，使全部晶粒能進行再結(jié)晶。混晶現(xiàn)象： (4)控制軋后冷卻速度 鋼材于軋后冷卻除采用空冷外，還可以采用吹風(fēng)，噴水，穿水等冷卻方式。由于冷卻速度的不同，鋼材可以得到不同的組織和性能。3.3 控制軋制的效應(yīng) (1)使鋼材的強度和低溫韌性有較大幅度的改善。原理：細化晶粒。常規(guī)軋制工藝：鐵素體晶粒78級；控制軋制工藝：鐵素體晶?？蛇_12級，直徑可為5m。(2)可節(jié)省能源和使生產(chǎn)工藝簡化 途徑：降低鋼坯的加熱溫度；取消軋后的常化處理或淬火回火處理。表3-1 36CrSi鋼用控軋工藝和用常規(guī)工藝后的機械性能 機械性能加工方式b(N/mm2)0.2(N/m

7、m2)5(%)(%)(Jcm2)HRC高溫控制軋制工藝常規(guī)工藝1000103085085078583560064012148384640426075404531-（3）可以充分發(fā)揮微量合金元素的作用 常規(guī)軋制，加入Nb、V： 控制軋制，加入Nb、V： 采用控制軋制工藝時要考慮到軋機的設(shè)備條件。 3.4鋼的奧氏體形變與再結(jié)晶3.4.1熱變形過程中的奧氏體再結(jié)晶行為3.4.1.1 動態(tài)再結(jié)晶冷加工：高溫變形：真應(yīng)力-應(yīng)變曲線由三階段組成：第一階段：加工硬化及軟化共存，但硬化程度超過軟化程度；第二階段：發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)再結(jié)晶臨界量c ：OABC曲線的最大應(yīng)力值p(或s)、 、T之間可用Zener

8、-Hollomon因子Z表示：式中 Z ：溫度補償變形速率因子；A：常數(shù)；n：應(yīng)力指數(shù)；Q：變形活化能；R：氣體常數(shù)；T：絕對溫度。為什么金屬的變形應(yīng)力高于原始狀態(tài)(即退火狀態(tài))的變形應(yīng)力？OABC第三階段，兩種情況：1）連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶 條件：cr 圖3-3 Q235鋼變形條件對真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的影響(a)變形溫度的影響，變形速度 ；(b)變形速度的影響，變形溫度T=1000C3.4.1.2 動態(tài)再結(jié)晶的控制（1）動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生條件為什么動態(tài)再結(jié)晶難發(fā)生？影響動態(tài)再結(jié)晶的因素：1）c；2）應(yīng)力大小；2）材料的初始晶粒尺寸的影響。18-8不銹鋼起始晶粒尺寸（D0）對高溫形變組織和加工因子（Z、

9、 、）關(guān)系的影響（2） 動態(tài)再結(jié)晶的組織動態(tài)再結(jié)晶是一個混晶組織，平均晶粒尺寸 只由加工條件（變形溫度、變形速率）決定，變形溫度低、變形速率大，則 愈小。與初始晶粒尺寸D0無關(guān)。 s：奧氏體的屈服應(yīng)力； 1：變形量為1時的應(yīng)力； ： 變形后恒溫保持t時間以后再次發(fā)生塑性變形的應(yīng)力值。 1x=1：全部靜再結(jié)晶 0 xIB型過渡IA型，型最細。圖3-5 非合金低碳鋼和含Nb或V的低碳鋼變形75%時的軋制溫度與轉(zhuǎn)變類型之間的關(guān)系3.4.5 細化再結(jié)晶奧氏體晶粒的控制軋制(a)Si-Mn鋼變形后1s淬火； (b)含Nb鋼變形后3s淬火圖3-16 再結(jié)晶細化晶粒的下臨界變形溫度和上臨界變形溫度提高切口韌

10、性(notch ductility)：1)降低軋制后期的軋制溫度；2)規(guī)定出一些道次的最低道次壓下量；3)控制開軋溫度。3.5 未再結(jié)晶區(qū)奧氏體的變形3.5.1 再結(jié)晶的延遲圖3-1 熱軋態(tài)及加熱態(tài)普碳鋼中，相變瞬間前的晶粒尺寸與、相變率（晶粒尺寸與晶粒尺寸的比值）之間的關(guān)系（1）0.10%C-0.25Si%-1.4%Mn鋼；(2)0.05%.C-0.25%Si-1.20%Mn鋼.控制軋制過程的三個階段及各階段微觀組織隨變形而變化的示意圖常規(guī)軋制與控制軋制的根本區(qū)別：總結(jié)：由變形 的轉(zhuǎn)變比由已再結(jié)晶的無應(yīng)變轉(zhuǎn)變所生成的晶粒要細得多，得到變形非常重要，可以通過變形后抑制或延遲再結(jié)晶的進行來實現(xiàn)。

11、延遲回復(fù)和再結(jié)晶的因素有兩個：1)溫度；2)合金元素。圖3-3 不同含鈮量的0.002%C-1.54%Mn鋼中，鈮含量對軟化行為的影響實驗條件：900C以l0s-1的應(yīng)變速率壓下69時的軟化行為。圖3-4 含鈮或不含鈮的0.002%C-1.56%Mn鋼的軟化行為與溫度的關(guān)系圖3-5 含鈮0.097%的鋼中，溫度和含碳量對軟化行為的影響從圖中得出：900C和850：1000C： 圖3-6 0.002%C-0.097%Nb鋼、0.006%C-0.097%Nb鋼、0.019%C-0.095%Nb鋼于900C時，碳氮化鈮應(yīng)變誘發(fā)沉淀析出的過程 圖3-7 0.002%C鋼、0.002%C-0.097%N

12、b鋼和0.019%C-0.095%Nb鋼的再結(jié)晶速度-溫度-時間和沉淀析出-溫度-時間曲線的疊加 溶質(zhì)鈮只有在應(yīng)變誘發(fā)沉淀出現(xiàn)時，才能起到延遲回復(fù)和再結(jié)晶作用。 3.5.2 變形帶的形成和作用圖3-8(a)具有變形帶的拉長晶粒，其中變形帶是非再結(jié)晶區(qū)變形所產(chǎn)生的；(b)部分轉(zhuǎn)變的晶粒組織中形成的先共析變形帶的作用：提供鐵素體形核點，使晶粒細化。影響變形帶的因素：1)變形量：變形30時，迅速增加。2)變形溫度：變形帶密度幾乎不受非再結(jié)晶區(qū)變形溫度的影響（超過1000C時，迅速減少 ）。圖3-9 含0.03%Nb的鋼中，晶界面積(a)和變形帶密度(b)同非再結(jié)晶區(qū)壓下率的關(guān)系常規(guī)熱軋和控制軋制的根

13、本區(qū)別：前者的晶粒全部在晶界處成核，后者則在晶粒內(nèi)部和晶界成核。 對成核率而言，變形帶等價于晶界，意味著一個晶?？梢员蛔冃螏Х指畛蓭讉€小的部分。圖3-10 熱軋態(tài)及熱處理態(tài)鋼中晶粒成核地點及所生成的晶粒組織 圖3-12表明，非再結(jié)晶區(qū)軋制變形30的工具鋼中，珠光體相變的成核地點不同：a)相變初期，珠光體優(yōu)先于晶界成核；b)隨著變形的進行，珠光體在退火孿晶界和晶界處均發(fā)生成核；c)珠光體于變形帶上成核；d)珠光體于晶粒內(nèi)部成核。 圖3-12-1 不規(guī)則珠光體球形核地點示意圖 (a)無應(yīng)變晶界交點；(b)形變晶界及其交點 3.6 兩相區(qū)控制軋制3.6.1 （+）兩相區(qū)的變形行為 必須弄清兩個問題：

14、1)一定變形程度下，性能隨變形體積分數(shù)的變化關(guān)系；2)變形體積百分數(shù)一定時，性能與變形程度的關(guān)系。 圖3-2 拉伸強度和沖擊功同（+）區(qū)變形程度的關(guān)系(a)普碳鋼；(b)含鈮鋼；1200C時壓下率為62.5%，850C時壓下率為50%，710C時的熱變形壓下率連續(xù)變化圖3-3 含鈮鋼微觀組織與（+）區(qū)壓下率的變化關(guān)系(a)和(b)壓下率為0%；(c)和(d) 壓下率為30%變形引起的微觀組織變化：區(qū)變形：僅產(chǎn)生由低位錯密度等軸晶粒組成的微觀組織；兩相區(qū)變形：能生成一種混合晶粒組織：變形轉(zhuǎn)變成多邊晶粒，變形依賴回復(fù)轉(zhuǎn)變成胞狀組織和亞晶粒。圖3-4 普碳鋼、含釩鋼和含鈮鋼中，在-區(qū)進行壓下率為50

15、%軋制時，變形體積百分數(shù)與拉伸性能的關(guān)系圖3-5 0.16%C-0.3%Si-1.9%Mn鋼中，變形速率為7S-1時，變形溫度對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響總結(jié)：變形引起的強化主要來自于胞狀組織和亞晶硬化。變形溫度較高：發(fā)生動態(tài)回復(fù)和隨后的靜態(tài)回復(fù)及靜態(tài)再結(jié)晶，強化主要來自于晶粒的細化。變形溫度較低：回復(fù)和再結(jié)晶受到延遲，強化主要來自于胞狀組織和(或)亞晶粒。兩相區(qū)變形引起的強化取決于回復(fù)和再結(jié)晶程度，而回復(fù)和再結(jié)晶程度又依賴于變形溫度、變形量、變形后冷卻速率和微合金元素的添加量。3.6.2 兩相區(qū)軋制時組織和性能的變化3.6.2.1 兩相區(qū)控制軋制(1)溫度的影響實驗條件：方案1（簡稱I型軋制）：加

16、熱溫度為1200C，為了使晶粒發(fā)生再結(jié)晶，在1100C和1020C進行一道次軋制，壓下率為50%。于再結(jié)晶的晶粒的晶界上析出的稱為I。方案2（簡稱II型軋制）：為使在未再結(jié)晶區(qū)軋制時產(chǎn)生形變帶，在780C和740C進行同I型軋制相同的壓下。在晶粒內(nèi)形變帶上析出的稱為II。在（+）或在相當(dāng)于的725C550C區(qū)間以一道次50%的壓下率進行軋制。 不論哪個鋼種和軋制方法，抗拉強度和屈服強度均隨軋制溫度的降低而單調(diào)地加。（2）壓下量的影響不論軋制類型和鋼種如何，TS、YS均隨壓下率增加而單調(diào)增加。圖3-7 采用I型和II型軋制，于（+）兩相區(qū)軋制50%壓下率的Nb鋼抗拉強度與夏氏沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度間關(guān)

17、系3.6.2.2 （+）兩相區(qū)控制軋制時強韌化的定量關(guān)系強度關(guān)系式： （7-1）式中 i-內(nèi)摩擦應(yīng)力；d-大角度晶粒直徑；fs-亞晶占的體積分數(shù)；ky-僅由大角度晶浪構(gòu)成時y跟晶粒直徑相關(guān)的系數(shù)；ks-全部組織由亞晶粒構(gòu)成時y跟亞晶粒直徑相關(guān)的系數(shù)；ds-亞晶粒直徑。韌性關(guān)系式： （7-2）式中 T-由化學(xué)成分決定的值；A、B、C-常數(shù)； -由亞晶界存在位錯引起的硬化量；de-亞晶粒集團尺寸（有效晶粒直徑），并ddeds；p-沉淀強化； d-位錯強化。3.6.3 （+）兩相區(qū)軋制時顯微組織的變化（1）微觀組織圖3-17 采用I型軋制法，在700C和600C，50%壓下軋制前后Si-Mn鋼的顯微

18、組織(a)軋制前于700C冰鹽水淬火， (b)于700C軋制后立即水淬火； (c)于700C軋制后空冷； (d)于600C軋制后空冷在兩相區(qū)溫度內(nèi)當(dāng)軋制溫度一定時，隨著壓下率的增加晶粒發(fā)生如下變化：（1）晶粒的形狀基本不變，產(chǎn)生較均勻的位錯；（2）晶粒伸長，晶粒內(nèi)的位錯密度仍然很高；（3）伸長的晶粒進行回復(fù)，并開始形成亞晶，晶粒內(nèi)的位錯密度下降；（4）形成清晰的亞晶粒，在亞晶粒內(nèi)位錯密度非常低；（5）加工引起再結(jié)晶。圖3-19 （+）兩相區(qū)軋制條件與顯微組織和織構(gòu)發(fā)達的關(guān)系圖（2）鐵素體晶粒尺寸圖7-20 （+）兩相區(qū)軋制，軋制溫度740C時壓下率對平均直徑的影響1-方案I；2-方案II變形程

19、度增加， 晶粒變細。 軋制溫度變 化引起晶粒 大小的變化。3.6.4 （+）兩相區(qū)軋材的織構(gòu)和分層3.6.4.1 （+）兩相區(qū)軋材的織構(gòu)和各向異性圖3-25 （+）兩相區(qū)軋制的Nb鋼三維織構(gòu)圖 圖3-27 各理想取向的屈服強度各向異性（計算值） 3.6.4.2 分層兩相區(qū)軋材，即使極低硫化，在以脆性斷口溫度為中心相當(dāng)廣泛的試驗溫度范圍內(nèi)也有平行于軋制面的分層。原因：帶狀層由100和111織構(gòu)組成，100容易被壓縮，111難以被壓縮。 溫度顯微組織強度缺口韌性屈服強度加工硬化析出硬化轉(zhuǎn)變溫度ESA100析出物的數(shù)量（100）織構(gòu)第I階段950C再結(jié)晶區(qū)由于反復(fù)的再結(jié)晶而細化dr=2040m低（取

20、決于晶粒尺寸）00高（取決于晶粒尺寸）高無無第II階段950CAr3不發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)晶粒被拉長導(dǎo)入變形帶和位錯使晶粒細化低（取決于晶粒尺寸）00低（取決于晶粒尺寸）高微量無第III階段 Ar3 （+）區(qū)晶粒不再進一步細化，析出硬化和（100）織構(gòu)的產(chǎn)生高（晶粒尺寸和其它的影響）少量大量極低（晶粒尺寸和其它的影響）低大量形成表3-2 控制軋制三個階段的物理性能變化3.7 鐵素體區(qū)控制軋制3.7.1 概述為什么提出鐵素體軋制？3.7.2 鐵素體軋制適宜的參數(shù)（1）鐵素體軋制適應(yīng)的產(chǎn)品（2）鐵素體軋制工藝要求1）直接應(yīng)用的熱軋薄帶鋼，可以替代常規(guī)冷軋退火薄板；2）一般用冷軋用鋼；3）深沖、超深沖冷軋

21、用鋼；4）鐵素體區(qū)域熱軋后直接退火的鋼板。粗軋在盡可能低的溫度下使奧氏體發(fā)生變形，以增加鐵素體的形核率，精軋在鐵素體區(qū)進行，隨后采用較高的卷取溫度，以得到粗晶粒的鐵素體，降低熱軋板卷的強度及硬度。 3.7.2 成份控制表1 SPHC鋼化學(xué)成分控制 單位：%成分標(biāo)準CSiMn不大于PS內(nèi)控0.050.040.180.300.0150.0083.7.2.2 精軋入口和終軋溫度終軋溫度一般控制在73010。碳含量為0.04%的低碳鋼，入口溫度應(yīng)控制在850800。原因：1）的溫度在867左右；2）鐵素體較奧氏體軟，在800變形不會引起軋機負荷的過高變化。3.7.2.3 卷取溫度卷取溫度過高：使帶鋼晶粒粗大，影響產(chǎn)品力學(xué)性能；溫度過低：加大卷取功率，且不易卷緊。卷取溫度設(shè)定在69010。有利于利用軋后余熱使帶卷實現(xiàn)再結(jié)晶退火。表2 鐵素體軋制試驗序號鋼號規(guī)格mmReLRmA1SPHC2.3*125019030545.02SPHC2.3*125018528030.03SPHC2.3*125018030042.54SPHC1.8*125019029032.55SPHC1.8*125018028042.06SPHC3.0*125018528544.0最大19030545.0最小18028030.0平均18529039.0表3 非鐵素體軋制板卷產(chǎn)品性能檢測情況 序號鋼種規(guī)格R