材料加工组织性能控制(第五、六章)2006.9.ppt

1、5.5.微合金元素在控制轧制中的作用微合金元素在控制轧制中的作用HSLA钢中常用合金元素及夹杂元素分类：1)微合金化元素：铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、铝(Al)和硼(B)。2)置换元素：硅(Si)、锰(Mn)、钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)。3)夹杂及硫化物形状控制的添加元素：磷(P)、硫(S)、钙(Ca)、稀土金属(REM)及锆(Zr)。控制钢的塑性控制钢的强度、韧性、相变显微组织微合金化元素:特点：与碳、氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物，高温下溶解，低温下析出。作用：(1)加热：阻碍原始奥氏体晶粒长大；(2)轧制：抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；(3)低温：析出强化作

2、用。5.1 溶度积(溶解度乘积)图5-1 中碳化物和氮化物的溶度积 特点：(1)TiN：VC：NbC和TiC：(2)晶格结构：Al，其余元素；(3)氮化物与碳化物的比较；(4)含钛钢：首先形成氮化钛。图5-2 晶粒尺寸与加热温度的关系特点：（1）铌钢：（2）钒钢和Si-Mn钢：（3）钛钢：机理：沉淀对奥氏体晶粒边界起钉扎作用使钛钢具有高于1250的极高的晶粒细化温度。5.2 控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出5.2.1 各阶段中Nb(C、N)的析出状态 (1)出炉前：加热到1200C，均热2h：90%以上铌都固溶到奥氏体基体中，有极少数粗大Nb(C、N)没有固溶到奥氏体中。1260C：保温

3、30min，Nb(C、N)全部溶解。(2)出炉后到轧制前：在轧制前，从固溶体中析出Nb(C、N)数量很少。(3)在变形奥氏体中：图5-3 钢中析出Nb量与变形量和变形停留时间的关系Nb(P):沉淀相中的Nb量占钢中Nb量的%变形温度对含铌低合金钢析出的影响：850880C：变形加剧固溶体的分解，析出粗大 的碳氮化物 固溶体中含铌量，析出的碳氮化物没有参加弥散强化。800700C变形：扩散速度，粗大质点碳化物析出困难，冷却过程中析出大量细小质点。各阶段Nb(C、N)平均析出速度：不同析出温度的影响：终轧温度的影响：高温轧制后冷却到相变温度:铌的平均析出速度不大、析出颗粒较大（200 左右）。原因

4、:低温轧制：加大了冷却过程中铌的析出速度,析出颗粒细小（50100）。原因:控制轧制就是应用这种微细的Nb(C、N)析出质点固定亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶，达到细化晶粒的目的。(4)奥氏体向铁素体转变过程中和在铁素体内Nb(C、N)的析出状态1)碳氮化物在和中的溶解度不同相变后，产生快速析出。相间析出（相间沉淀）：冷却速度大、析出温度低相间沉淀排间距小析出质点也小。析出时间长质点长大。2）相变后内剩余的固溶铌继续析出，质点大小决定于冷却速度。3）冷却到室温，1015左右的铌未从铁素体中析出。5.2.2 影响Nb(C、N)析出的因素(1)变形量和析出时间图5-6 在含有0.06%C、0.041

5、%Nb和0.0040%N的钢中，变形量对沉淀的影响1-67%变形；2-50%变形；3-33%变形；4-17%变形(2)变形温度图5-7 温度-时间-沉淀动力学曲线、形变对沉淀动力学的影响规程1：在再结晶区变形、发生了再结晶规程2：附加有未再结晶区变形、未发生再结晶1）析出量相等时，未再结晶区轧制所需时间短。原因：2）析出量一定时，在高温所需等温时间短，低温所需等温时间长。(3)钢的成分变化曲线钢号铌，%氮，%碳，%钼，%123476320D43D4532675A0.040.040.050.0450.0030.0080.0050.0060.190.100.120.10-0.230.17图图5-8

6、 铌钢经铌钢经50%变形变形后在后在900 C C 时的沉淀时的沉淀图图5.3 再结晶的延迟图5-3 中的静态再结晶动力学(a)Si-Mn钢；(b)含0.04%Nb的钢预应变为0.50图5-4 中的静态再结晶动力学(a)含0.08%Ti的钢；(b)含0.10%V的钢 变形温度900C预应变为0.50（1）微量元素对动态再结晶临界变形量的影响机理：1）合金元素偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的拖拉作用；2）合金元素的碳氮化合物在晶界沉淀而引起的钉扎作用。图5-9 实验钢1000C变形时真应力-真应变曲线（2）微量元素对再结晶数量的影响图5-10 1000C终轧后晶粒再结晶面积百分率与析出Nb量的关

7、系（3）微量元素对再结晶速度的影响图5-11 铌对含有0.05%C、1.8%Mn钢再结晶速度的影响5.3.4 微量元素对静态再结晶临界变形量的影响 图5-13铌对奥氏体再结晶临界压下率的影响（1道次）1-加热温度1250C，0.13%Nb，晶粒度：1.7级2-加热温度1250C，0.03%Nb，晶粒度：2.8级3-加热温度1150C，0.03%Nb，晶粒度：2.4级4-加热温度1250C，不含Nb，晶粒度：0.4级5.3.5 微量合金元素对再结晶晶粒大小的影响图5-15 在普碳钢和含铌钢中，单道次的变形量和变形温度对再结晶奥氏体晶粒尺寸的影响图5-14 铌对热轧1道次后的再结晶晶粒度的影响（不

8、含铌钢和含0.03%铌的钢的基本成分相同）1-加热状态下含0.03%Nb的钢2-加热到1250C后压下65%并且再结晶终了的不含铌钢3-加热到1250C后压下70%并且再结晶终了的含0.03%铌钢总结：铌在奥氏体中存在形式：1)加热时尚未溶到奥氏体中的Nb(C、N)；2)固溶到奥氏中的铌；3)加热时溶解、轧制过程中又由奥氏体中重新析出的Nb(C、N)。轧制的不同阶段，其阻止奥氏体再结晶是不同的。图5-16 含铌钢在变形50%以后等温时间内的再结晶与沉淀（0.10%C、0.99%Mn、0.04%Nb、0.008%N）1-100%再结晶；2-50%再结晶；3-0%再结晶；4-20%沉淀；5-50%

9、沉淀；6-75%沉淀；7-100%沉淀5.4 晶粒细化和沉淀硬化 基本化学成分:0.10%C0.25%Si1.50Mn，加热温度及终轧温度分别为1100和780，900以下的总压下率为70。图5-5 强度和韧-脆转变温度与含铌量和含钛量的关系铌的碳化物或氮化物和碳化铌引起的晶粒细化和沉淀硬化。后者的强化效果与加热时溶解的铌或钛的含量有关。图5-6 0.035%Nb钢和0.15%Mo-0.035%Nb钢，强度和韧-脆转变温度与含铌量和含钒量的关系(1)Nb：晶粒细化和中等的沉淀强化。含量万分之几，增大含量不会引起重大改进。(2)Ti：含Ti量强烈的沉淀强化 产品的强度，晶粒细化是中等的。含量高时

10、：(3)V：中等程度的沉淀强化和较弱的晶粒细化，与它的重量百分比成正比。6 6 冷轧带钢的组织性能冷轧带钢的组织性能6.1 冷轧带钢 特点：(1)生产薄的产品；(2)非常好的表面；(3)屈服强度范围很宽的材料品种范围；(4)比热轧带钢好的多的成型性能。6.1.1 多辊轧机连轧机组中的变形 变形及伴随变形的两个重要过程：润滑和冷却。图6.1 连轧机组图示 6.1.2 冷轧带钢的材料性能和表面特性(1)强度及韧性图6-3软钢St14和各种含钛和铌微合金钢的加工硬化曲线l-含钛微合金高强钢；2-含铌微合金高强钢；3-含铌Stl4；4-Stl4(2)对轧制织构和退火中形成的再结晶织构 r：厚向异性系数

11、 r:厚向异性系数r在板面上随方向的变化，决定凸耳的形成程度，不影响板料成形性能。图6.5冷轧压下率对软钢薄板法向各向异性(rm)的影响(高温卷取)图6.4冷轧压下率对铝镇静钢薄板织构和各向异性值的影响 r-平面各向异性；rm-平均法向各向异性(3)对第二相的影响 冷轧过程中，基体组织及基体组织中的第二相也通过延伸得以改变。作用：（4）很大的摩擦力和很大的剪切应力使带钢表面产生特别强烈的变形，并导致钢质点的撕裂。（5）带钢表面具有一定的粗糙度目的：图6.6 冷轧后冷硬态带钢表面的裂缝和剥落的钢屑 6.2 冷轧带钢的退火 目的：工艺：退火方式：罩式退火、连续退火(1)罩式退火定义：时间:持续几天

12、（原因：）。图6.8 罩式退火时带钢的退火曲线特点：（1）氢气、氮气和其它气体混合作为保护气体；（2）依靠强制对流传热的设备，钢卷的升温加热主要取决于保护气体的对流传热和钢卷本身的传导传热。全氢罩式炉特点：（1）采用强对流循环的大功率电机；（2）采用100H2作保护气氛，生产效率大大提高；（3）采用金属封闭炉台、气水组合冷却罩及优化设计的扩散器和对流板改善了钢板表面质量。图6.8.2 罩式退火炉的退火周期松卷退火：各圈带卷之间有一定的距离退火气氛自由地与板带表面接触，钢和气体间也可以进行化学反应。优点：应用：带钢表面洁净度要求很高；需要把化学反应与热处理联系起来。紧卷退火：（2）连续退火连续退

13、火炉中进行，分三段：预热段：把钢表面的残余油脂清除掉。还原段：把表面的氧化铁皮还原成纯铁层，完成钢的再结晶退火。冷却段：带钢冷却到入锌锅的温度。退火步骤：1)快速加热到A1温度线附近或以上。2)在这一温度下停留很短的时间。3)快速冷却到约为400的过时效温度或冷却到室温。4)几分钟的过时效处理。图6.9 连续退火的退火过程1-保温段；2-气体喷射冷却；3-快速冷却；4-过时效段；5-淬火冷却；6-过时效段（退火）NKK-CAL法图6.10 冷轧薄板连续退火和罩式退火过程1-连续退火炉中的带钢温度；2-过时效；3-紧卷退火带钢芯部温度；4-松卷退火带钢芯部温度；5-移去加热罩，放上冷却罩优点：性

14、能均匀；板形好；表面质量好；退火周期短；退火温度范围高。缺点：图6.11 罩式退火和连续退火的退火和冷却特征参数6.3 冷轧板的退火再结晶规律（1）退火温度的影响图6.11.1 IF钢再结晶退火后的硬度变化规律a-加热温度与硬度（保温2h）；b-保温时间与硬度T1-Ti-IF钢；N1-Ti+Nb-IF钢（2）保温时间对硬度的影响图6.11.1 IF钢再结晶退火后的硬度变化规律a-加热温度与硬度（保温2h）；b-保温时间与硬度T1-Ti-IF钢；N1-Ti+Nb-IF钢（3）卷取温度的影响图6.11.2 热轧卷取温度对IF钢再结晶温度的影响6.4 冷轧板的再结晶织构 r值的地位及影响r值的因素：

15、钢板成形最有利的织构：111110和111112织构，554225次之。钢板具有优异深冲性能的条件：钢板同时具有等强度111110和111112织构的原因：IF钢再结晶织构的形成理论定向形成理论：选择生长理论：6.5 退火过程对退火带钢组织和力学性能的影响6.5.1 退火过程中进行的反应及对组织、性能的作用影响因素：（1）冷轧铁素体组织的再结晶（2）碳化物、氮化物的溶解及析出（3）铁素体晶粒度和晶粒形状（4）位错密度（5）第二相（6）时效行为图6.14 罩式退火软钢薄板中很低的位错密度图6.5.2 罩式退火时的组织形成特征 图6.17 影响铝镇静钢等温再结晶行为的因素组织特征：(1)粗大、伸长

16、的铁素体组织。(2)有利的织构。(3)很小的位错密度。(4)氮稳定结合成氮化铝。(5)相对粗大的渗碳体析出物。力学性能：低的屈服强度和抗拉强度，非常好的冷成型性能和平整前显著的、平整后消失的屈服平台。6.5.3 连续退火的组织形成特征 图6.18 连续退火过程中组织和固溶碳含量的关系两阶段：第一阶段：再结晶和晶粒长大，包括加热、保温和以中等速度冷却，形成对成型性能很重要的组织和织构特征。第二阶段：快速冷却到过时效温度和过时效处理，决定了组织中的碳化物分布和过饱和固溶的碳含量。图6.19 热轧带钢卷取温度对冷轧带钢再结晶晶粒度的影响图6.20 冷却速度对连续退火薄板时效行为的影响（钢中含0.036%C和0.0013%N）组织特征：（1）更细小的、球状的、含有在热轧带钢中就已析出的氮化物；（2）由时效行为确定的碳化物弥散分布的铁素体组织6.2.5 冷轧软带钢生产特点 获得软钢的条件：罩式退火：低的加热速度、高的退火温度、缓慢的冷却。特征：晶粒长大、过饱和固溶原子析出、低的屈服强度和抗时效性。连续退火：高的卷取温度，对碳含量的要求。图6.24 卷取温度对冷轧连续退火薄板力学性能的影响图6.2