材料加工組織性能控制(第六章)

1、6.軋后冷卻過(guò)程中鋼組織變化控制冷卻概念：熱軋變形奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度(Ar3)相變后的鐵素體晶粒易長(zhǎng)大造成力學(xué)性能降低?？刂评鋮s實(shí)質(zhì)：對(duì)控制軋制后的奧氏體用高于空冷的速度從Ar3以上的溫度控制冷卻至相變溫度區(qū)域，使鐵素體進(jìn)一步晶粒細(xì)化。快冷強(qiáng)化機(jī)理與控軋機(jī)理存在本質(zhì)區(qū)別:Go工藝：從Ar3以上的溫度開(kāi)始，在相變終了溫度附近(550500)結(jié)束，然后進(jìn)行空冷。組織：細(xì)晶粒鐵素體和微細(xì)彌散型貝氏體的混合組織。對(duì)強(qiáng)度及韌性的影響:控制冷卻設(shè)備：必須能均勻控制長(zhǎng)、寬、厚方向鋼板的性能。冷卻方式：同時(shí)冷卻型、通過(guò)冷卻型。6.1 CCT曲線及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物目的： 等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)：反映過(guò)冷奧氏體等

2、溫轉(zhuǎn)變的規(guī)律；連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)：在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過(guò)程中，鋼中的奧氏體在不斷降溫的條件下發(fā)生轉(zhuǎn)變的。CCT曲線的測(cè)量:膨脹法測(cè)CCT曲線原理：各相具有不同的比容：馬氏體體素體珠光體奧氏體碳化物。靜態(tài)CCT曲線、動(dòng)態(tài)CCT曲線。實(shí)驗(yàn)步驟：選定奧氏體化溫度及保溫時(shí)間：確定冷卻速度：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：02004006008001000-2024681012溫度 膨脹率x10-35/s02004006008001000-4-2024681012膨脹率X10-3溫度0.08/sAc1=750Ac3=902Ar1=764Ar3=823圖6-1 共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 轉(zhuǎn)變中止線：表示冷卻曲線與此線相

3、交時(shí)轉(zhuǎn)變并未最后完成，但奧氏體停止了分解，剩余部分被過(guò)冷到更低溫度下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。兩個(gè)臨界冷卻速度：圖6-2 冷卻速度對(duì)共析鋼奧氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域(a)及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(b)的影響1- 1-珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線;2-珠光體轉(zhuǎn)變終了線3-珠光體轉(zhuǎn)變終止線;4-馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線;5-馬氏體轉(zhuǎn)變終了線圖6-3 0.30%C鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線奧氏體化溫度:930C;時(shí)間:30min6.2控制冷卻各階段的冷卻目的和冷卻方式的選擇各階段冷卻目的：1)高溫終軋：a)奧氏體狀態(tài)：b）慢冷的結(jié)果：2)低溫終軋：a)奧氏體狀態(tài)：b)變形的影響：c）慢冷的結(jié)果：3)高碳鋼和高碳合金鋼：軋后控冷分三階段：一次冷卻：從終軋溫度A

4、r3或Arcm溫度范圍。目的： （1）控制變形奧氏體的組織狀態(tài)；（2）固定位錯(cuò)；（3）降低相變溫度。一次冷卻開(kāi)始快冷溫度的影響：二次冷卻：從相變開(kāi)始相變結(jié)束。目的：控制相變過(guò)程（具體：），保證鋼材快冷后得到所要求的金相組織和力學(xué)性能。 圖6-6 控制軋制CCT曲線在不同冷卻速度時(shí)的組織形態(tài)實(shí)線：Nb鋼；虛線：Si-Mn鋼三次冷卻(空冷）：相變后至室溫范圍內(nèi)的冷卻。目的： 對(duì)低碳鋼：沒(méi)有什么影響。對(duì)含Nb鋼：發(fā)生碳氮化物析出。對(duì)高碳鋼或高碳合金鋼：冷卻方法： 1)噴水冷卻(噴流冷卻)：水從壓力噴嘴中以一定壓力噴出水流，而水流為連續(xù)的，沒(méi)有間斷現(xiàn)象，但是呈紊流狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：穿透性好，在水膜比較厚的時(shí)

5、候采用。應(yīng)用：中厚鋼板軋后冷卻和鋼板淬火時(shí)；在型鋼冷卻中進(jìn)行局部冷卻。缺點(diǎn)：水的噴濺利害，水的利用率較差。 2)噴射冷卻：將水加壓由噴嘴噴出的時(shí)候，如果超過(guò)連續(xù)噴流的流速時(shí)則水流發(fā)生破斷，形成液滴群沖擊被冷卻的鋼材表面。應(yīng)用：一般冷卻及各種用途的噴嘴。缺點(diǎn)：控制的冷卻能力范圍不太寬，需要比其它方法施加更高的壓力。 3)霧化冷卻：用加壓空氣使水霧化，水和高壓高速氣流一起從噴嘴噴出形成霧狀。缺點(diǎn)：系統(tǒng)比較復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)用增加、噪音大、車(chē)間霧氣較大。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整冷卻能力的范圍較大，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)風(fēng)冷、弱水冷、噴水冷，且冷卻比較均勻。 4)層流冷卻：給以一定壓力的水從噴嘴噴出形成噴流，當(dāng)噴射的出口速度比較低

6、時(shí)，形成平滑的噴射噴流，平滑的層狀噴流落到一定距離時(shí)，由于水的加速度影響而破斷成液滴流，破壞了層流狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：噴流可在一較長(zhǎng)距離內(nèi)保持水的層流狀態(tài)，獲得很強(qiáng)的冷卻能力。應(yīng)用：一般在要求強(qiáng)冷時(shí)使用。目前鋼板生產(chǎn)中采用管層流和板層流二種方式。 圖6-7 各種冷卻方法的冷卻能力 熱軋寬帶鋼機(jī)組輸出輥道上冷卻布置6.3 顯微組織對(duì)控制冷卻材的強(qiáng)度和韌性的影響6.3.1 鐵素體晶粒度的影響 圖6-5 再結(jié)晶晶粒度與晶粒度的關(guān)系冷卻速度：1-44C/s；2-22C/s ；3-14C/s ；4-0.7C/s圖6-6 晶粒度與脆性轉(zhuǎn)化溫度的關(guān)系（Si-Mn）1-軋制溫度1000C ；2-軋制溫度950C ；3

7、-軋制溫度850C現(xiàn)象：（1）鐵素體晶粒度與vTrs 關(guān)系。（2）在相同的鐵素體晶粒度下，降低終軋溫度可使韌性得到改善（原因）。6.3.2 貝氏體的影響圖6-7 抗張強(qiáng)度隨貝氏體和（或）珠光體的體積分?jǐn)?shù)的變化圖6-8 貝氏體（+珠光體）的體積百分?jǐn)?shù)與vTrs的關(guān)系，N-晶粒度6.3.3 馬氏體的影響 圖6-9 馬氏體對(duì)沖擊性能的影響 生成10%的馬氏體可使vTrs提高30。因此，作為控制冷卻材料，基本上不應(yīng)使其生成馬氏體。6.3.4 混合組織的影響總結(jié)： (1)細(xì)小鐵素體生成量較少的軋制條件(高溫加熱、低溫區(qū)壓下率小、高溫終軋等)下，多邊形鐵素體生成量少，控制冷卻時(shí)未轉(zhuǎn)變的晶粒粗大，易生成比較

8、粗大的貝氏體+鐵素體。(2)細(xì)小鐵素體生成量較多的軋制條件(低溫加熱，低溫區(qū)壓下率大、低溫終軋等)下，多邊形鐵素體生成量較多，控制冷卻時(shí)未轉(zhuǎn)變的晶粒細(xì)小，發(fā)生鐵素體+馬氏體的細(xì)小混合組織，抑制貝氏體的轉(zhuǎn)變。 6.3.5 軋后控制冷卻強(qiáng)化增量的分析控冷材強(qiáng)度提高量表達(dá)式： pptysdK)(21BBtppbfKdK)(216.4 控制軋制工藝參數(shù)對(duì)控制冷卻材料的強(qiáng)度和韌性的影響6.4.1 加熱溫度的影響圖6-15 不同加熱溫度對(duì)強(qiáng)度和韌性的影響6.4.2 終軋溫度的影響 圖6-17 熱軋的終軋溫度同抗拉強(qiáng)度及夏比斷口轉(zhuǎn)折溫度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)條件：碳鋼加熱至1100，于800700間改變終軋溫度。結(jié)果：

9、(1) 700終軋，水冷溫度高，組織為珠光體+鐵素體，水冷溫度低，生成細(xì)小的鐵素體+馬氏體組織；(2)800終軋，生成等軸組織，多邊形鐵素體量減少，水冷溫度對(duì)材料組織的影響變小，韌性的變化基本相同。6.4.3 壓下率的影響 圖6-19 低于再結(jié)晶溫度時(shí)機(jī)械性能與壓下率的關(guān)系6.4.4 冷卻開(kāi)始和停止溫度對(duì)強(qiáng)度和韌性的影響圖6-20 加速冷卻開(kāi)始和停止時(shí)的溫度對(duì)強(qiáng)度、脆性斷口轉(zhuǎn)變溫度的影響6.5 高溫形變熱處理圖6-16 高溫形變淬火示意圖（1）變形溫度對(duì)性能的影響圖6-17 變形溫度與奧氏體晶粒大小、屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系 圖6-18 變形溫度與延伸率、斷面收縮率和沖擊功的關(guān)系（2）變形程度

10、對(duì)性能的影響圖6-19 變形溫度與屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系 圖6-20 變形溫度與延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性的關(guān)系 （3）冷卻速度對(duì)性能的影響為得到淬火馬氏體組織必須采用連續(xù)浸水冷卻方式。（4）回火溫度對(duì)性能的影響圖6-23 軋制溫度900C，軋后水冷，600C回火的電鏡照片 10000圖6-24 軋制溫度900C，軋后水冷，700C回火的電鏡照片 10000隨著滲碳體顆粒尺寸的減小和顆粒間距離的減小，滲碳體顆粒的強(qiáng)化作用增大；隨著滲碳體的體積分?jǐn)?shù)的增大，滲碳體顆粒的強(qiáng)化作用也增大 。形變奧氏體的位錯(cuò)密度越高，轉(zhuǎn)變后的馬氏體的位錯(cuò)密度也越高，高溫回火后形成的亞晶數(shù)量也會(huì)增加。鋼材經(jīng)“控軋+水冷+高溫回火” 處理后，另一重要強(qiáng)化機(jī)制便是位錯(cuò)和亞晶，位錯(cuò)密度越高，亞晶數(shù)量越多和越細(xì)小，鋼材的強(qiáng)度自然也會(huì)提高。 6.6 熱軋鋼材水冷后溫度場(chǎng)的計(jì)算穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) ：非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：6.6.1 軋件冷卻過(guò)程的分析物體熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。軋制過(guò)程三個(gè)階段的傳熱情況（表面）：軋件內(nèi)部： ),(zyxft 6.6.2 溫度場(chǎng)計(jì)算的基本原理首先建立鋼材內(nèi)部熱量傳遞的導(dǎo)熱微分方程。傅里葉定律 ： 能量守恒定律