控制軋制過(guò)程的基本原理
歷史背景
歷史上，碳是提高鋼的強(qiáng)度的最重要的化學(xué)元素，但碳對(duì)許多工藝性能如焊接性能、成型性能有不利的影響。因此，用碳強(qiáng)化的鋼的應(yīng)用受到限制。為了保證鋼結(jié)構(gòu)的安全性，要求鋼的強(qiáng)度和韌性達(dá)到優(yōu)良的配合，這種含碳較高的鋼往往要進(jìn)行成本高的熱處理，如淬火加回火。
為了擴(kuò)大成本低的高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，物理冶金學(xué)家們建議用其它強(qiáng)化機(jī)制來(lái)替代碳的強(qiáng)化。圖1顯示，根據(jù)d-1/2規(guī)律（2），晶粒細(xì)化是同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的最有效的方法?？刂栖堉乒に囀沁_(dá)到此目的的工業(yè)技術(shù)，該技術(shù)把成型過(guò)程與顯微組織的控制過(guò)程結(jié)合起來(lái)。
均熱溫度
為了使加熱工藝易于進(jìn)行，傳統(tǒng)方法是采用較高的均熱溫度。因此，軋制工藝從鋼坯加熱開始就要控制晶粒尺寸，而且其效果是明顯的。人們知道，奧氏體晶粒長(zhǎng)大與均熱溫度決定于均熱時(shí)要求產(chǎn)生的冶金反應(yīng)，即使微合金化元素溶于固溶體，其原因?qū)⒂谙旅娴玫浇鉀Q。對(duì)于鋼種而言，最低的均熱溫度決定于鈮、碳含量。如圖2所示，對(duì)于0.10%C、0.03%Nb.的鋼來(lái)說(shuō)，其最低均熱溫度為1150℃。
形成非常穩(wěn)定的TiN，如圖3（3）所示，它可在相當(dāng)高的均熱溫度下控制奧氏體晶粒尺寸。另外鈦還可以?shī)Z走Nb（C、N）相中的N，形成的NbC化合物更易溶解。在鋼中一般氮含量的情況下，Ti的最佳含量，即化學(xué)比含量，一般很低，低于0.02%。
log(Nb)(C)=2.96-7510/T…Nordberg and Aronsson
log(Nb)(C+12/14N)=2.26-6770/T…Irvine
再結(jié)晶控制軋制
鋼在熱變形過(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶?？刂七@一過(guò)程使其發(fā)生多次再結(jié)晶可導(dǎo)致有效晶粒細(xì)化。應(yīng)當(dāng)注意每道次軋制應(yīng)采用的最小變形量，否則將會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，如圖4（4）所示。
圖5（5）顯示出一種典型的軋制制度可獲得大約50μm的平均晶粒尺寸。在有鈮微合金化的情況下，可以得到更細(xì)小的晶粒尺寸。這是因?yàn)閿U(kuò)散控制的過(guò)程，如道次間的晶粒長(zhǎng)大，由于鈮原子的直徑比γ-Fe原子大15.2%，擴(kuò)散過(guò)程受到很大阻礙。
變形前的奧氏體晶粒愈小，軋制溫度愈低，每道次變形量愈大，最終再結(jié)晶后的晶粒尺寸愈小。文獻(xiàn)[6]表明，如果最后三道次變形至少約25%，大于圖5報(bào)道的15%，再結(jié)晶控制軋制的25mm板可以獲得20μm的細(xì)小的奧氏體晶粒。
熱機(jī)械加工工藝
如果變形溫度很低以至于不能發(fā)生再結(jié)晶，奧氏體晶粒則變?yōu)樯扉L(zhǎng)的晶粒。合金元素含量較高的鋼種，其再結(jié)晶的溫度較高。在這一方面，碳、氮化物形成元素，即使含量很少，也是非常有效的，而鈮是最有效的元素。圖6（7）表明，僅含0.03%Nb的鋼，在溫度低于950℃時(shí)，經(jīng)每道次標(biāo)準(zhǔn)變形量的軋制后，不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。
這里有兩個(gè)方面的原因（8）：首先，固溶態(tài)下鈮原子在某種程度上會(huì)推遲再結(jié)晶的發(fā)生；還有，鈮在這樣一種位錯(cuò)多的組織中將以碳化物或碳氮化物形式快速析出。這些應(yīng)變誘導(dǎo)析出的粒子最終完全抑制了再結(jié)晶的發(fā)生。圖7說(shuō)明了這一原理。
奧氏體/鐵素體轉(zhuǎn)變
在純凈鋼中，在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)，最合適的形核位置是奧氏體晶粒邊界。當(dāng)變形奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)帶也可成為形核位置。形核后，鐵素體晶粒長(zhǎng)大直到晶粒間緊密接觸。在一定的冷卻溫度下，有細(xì)小的奧氏體晶粒，特別是拉長(zhǎng)的奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變成的鐵素體晶粒將變的更細(xì)，因?yàn)閵W氏體晶粒表面積與體積之比增加了。已報(bào)道過(guò)一些描述鐵素體晶粒尺寸的回歸公式。就實(shí)際的軋制條件和空冷而言，一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的關(guān)系式，即鐵素體的晶粒尺寸dα略小于垂直于軋制面的奧氏體晶粒尺寸hγ的一半，很好地描述了已再結(jié)晶或變形的奧氏體的轉(zhuǎn)變（9）。
dα≈0.4×hγ
圖8為表示經(jīng)不同的軋制過(guò)程所得到的鐵素體晶粒尺寸的示意圖。
加速冷卻
采用較快的冷卻速度，可以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，這由于相變開始溫度降低，在過(guò)冷奧氏體中形核更多。控制冷卻最早在熱帶軋鋼廠得到應(yīng)用（10），其后在其它軋鋼廠推廣和優(yōu)化（11），特別是板材的TMCP軋制工藝中，控冷得到了很好的應(yīng)用。TMCP代表熱機(jī)械控制工藝，該工藝將熱機(jī)械加工和冷卻結(jié)合起來(lái)。
圖9顯示了被應(yīng)用的冷卻制度：結(jié)構(gòu)鋼空冷后得到鐵素體-珠光體組織，加速冷卻避免了珠光體轉(zhuǎn)變而得到鐵素體-貝氏體組織。實(shí)際上，加速冷卻一般在約550℃時(shí)終止，接下來(lái)是空冷。
加速冷卻對(duì)晶粒細(xì)化有雙重作用：
1）如上所述，多邊形鐵素體晶粒尺寸得到細(xì)化。冷卻速率愈快，鐵素體晶粒越小。圖10（12）說(shuō)明為什么在實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)先采用熱機(jī)械軋制和加速冷卻相結(jié)合的工藝。
2)當(dāng)加速冷卻時(shí)，大約50%的組分是貝氏體組織，這種貝氏體的晶粒尺寸較鐵素體更細(xì)小，約為1μm，并具有較高的位錯(cuò)密度，如圖11所示（13），這樣鋼的強(qiáng)度顯著增加，同時(shí)韌性也得到一定程度的改善。
結(jié)果
由細(xì)晶粒組織導(dǎo)致優(yōu)異的力學(xué)能力，這種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼可應(yīng)用于惡劣的工作條件。圖12（14）給出了鐵素體晶粒尺寸對(duì)低碳鋼性能的影響。可以通過(guò)仔細(xì)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的軋制條件—時(shí)間、溫度和形變來(lái)獲得晶粒細(xì)化。
在過(guò)去的十年里，上述工藝應(yīng)用于低合金高強(qiáng)度鋼的大生產(chǎn)中，用這種工藝生產(chǎn)的鋼大約占世界鋼的總產(chǎn)量的百分之十。
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