低碳鋼晶粒細化后的力學(xué)性能研究

1、東北大學(xué)碩士學(xué)位論文低碳鋼晶粒細化后的力學(xué)性能研究姓名：趙志華申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：材料加工工程指導(dǎo)教師：杜林秀;李長生20040201東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要本文結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（計劃）課題“碳素鋼先進工業(yè)化制造技術(shù)”，通過單軸拉伸試驗、低溫系列沖擊試驗和彎曲試驗，對屈服強度為級、級超細晶粒鋼的力學(xué)性能進行了研究。結(jié)合顯微組織及斷口形貌分析對低碳鋼晶粒細化后的組織性能關(guān)系進行了研究，明確了超細晶粒鋼的強韌化機制。通過實驗室熱軋實驗，確定了低碳鋼晶粒細化并能夠獲得良好綜合力學(xué)性能的軋制條件。論文主要內(nèi)容包括：測定了工業(yè)生產(chǎn)超細晶粒鋼及熱軋實驗鋼的強度與塑性，并結(jié)合微觀組織分析研

2、究了其強韌化機制，結(jié)果表明：超細晶粒鋼的鐵素體晶粒尺寸在之削，顯微組織為鐵素體、珠光體并含有一定量的貝氏體，在細晶強化、固溶強化和相變強化等復(fù)合強化作用下，級超細晶粒鋼的屈服強度達到以上，斷后伸長率達到以上。級超細晶粒鋼的屈服強度達到以上，斷后伸長率達到以上，具有良好的強度與塑性。通過單軸拉伸試驗測定了工業(yè)生產(chǎn)超細晶粒鋼及熱軋實驗鋼的塑性應(yīng)變比值、應(yīng)變硬化指數(shù)值，結(jié)合彎曲試驗對超細晶粒鋼的成形性進行了研究，結(jié)果表明：貝氏體的存在使超細晶粒鋼在大幅度提高強度的同時具有良好的加工硬化能力和深壓延性能，成形性良好。對工業(yè)生產(chǎn)超細晶粒鋼進行了低溫系列沖擊試驗，測定了其低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)果表明：超細晶

3、粒鋼與傳統(tǒng)軋制工藝生產(chǎn)的板材相比，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低了。左右。同時貝氏體的存在使低溫韌性顯著提高，并且在發(fā)生斷裂時能夠阻礙裂紋的進一步擴展，使低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度達到。對工業(yè)生產(chǎn)超細晶粒鋼拉伸過程中組織的變化進行了研究，結(jié)果表明：裂紋不易在超細晶粒鋼中產(chǎn)生也不易傳播，并且在斷裂過程中要消耗更多的能量，從而表現(xiàn)出較高的韌性。同時貝氏體的存在能夠阻礙裂紋在穿越晶界時進一步擴展，使斷裂韌性得到提高。關(guān)鍵詞力學(xué)性能晶粒強度塑性成形性沖擊韌性斷裂東北走學(xué)碩士學(xué)位論文，：，東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，：，東北大學(xué)碩士學(xué)位論文聲明聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標注和致謝的

4、地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其它學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作過的同志對本研究所作的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。本人簽名：日喪七年期：年月日東北大學(xué)碩士學(xué)位論丈緒論緒論引言近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空、航天、汽車、機械制造等各個領(lǐng)域?qū)︿撹F材料的質(zhì)量要求變得尤為嚴格。因此，當今工業(yè)化國家十分重視高性能鋼鐵材料的研制開發(fā)。提高產(chǎn)品質(zhì)量很重要的一點就是最大限度地發(fā)揮其性能潛力，提高產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能。由于細化晶粒具有同時提高強度、韌性且又不損害塑性的獨特作用，所以在鋼鐵材料細化晶粒的研究方面，國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的工作【。同本的等人通過

5、在附近軋制得到了鐵素體晶粒尺寸接近的鋼帶，并認為其細化晶粒的機制是應(yīng)變誘導(dǎo)相變和鐵素體動態(tài)再結(jié)晶共同作用的結(jié)果；澳大利亞的也在研究通過超細化晶粒的途徑來提高鋼的強度：英國對純鐵獲得超細晶粒的方法也進行了細致的研究，并通過楔形擠壓將純鐵的晶粒細化到以下：美國大學(xué)的材料研究中心在美國鋼鐵公司及公司等美國企業(yè)研究所的支持下，系統(tǒng)地對鋼鐵材料組織極限微細化問題進行了研究。同時美國的公司探索了在熱模擬實驗機上細化晶粒的途徑，并通過低溫大壓下變形工藝將平均晶粒直徑細化到以下。證實了在低溫大壓下變形工藝條件下鐵素體晶粒細化的主要機制：形變誘導(dǎo)相變和鐵素體的動態(tài)在結(jié)晶【。鋼鐵材料的性能與其組織形態(tài)密切相關(guān)，而

6、鋼鐵材料的顯微組織形態(tài)是由化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝決定的，通過對組織的有效控制可決定鋼鐵材料的性能水平。對相同化學(xué)成分的鋼材，在晶粒細化或超細化后，強韌性將顯著提高。同時在晶粒細化的基礎(chǔ)上，通過適當?shù)南嘧儚娀?、沉淀強化以及固溶強化等?fù)合強化方式的配合，可以使鋼材的綜合性能得到改善，能夠滿足不同使用性能的要求口。在這方面，控軋控冷技術(shù)是進行組織控制、實現(xiàn)低成本高性能鋼材生產(chǎn)的有效途徑。軋制過程及軋后冷卻過程的組織演變規(guī)律是控軋控冷理論的基礎(chǔ)。并且除了要求嚴格的控制軋制溫度、形變量和道次間停留時間、軋后冷卻速度外，其它工藝方面與普通熱軋帶鋼并無區(qū)別。所以隨著控軋控冷技術(shù)的成熟進步，超細晶粒鋼得東北大學(xué)碩

7、士學(xué)位論文緒論到了快速的發(fā)展。從目前國內(nèi)外所發(fā)展的超細晶粒鋼的情況和趨勢可知：新代的超細晶粒鋼在具有高強度的同時，還具有良好的塑性和冷成形能力，以及較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和較高的沖擊韌性。力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同形式的外加載荷作用下或在外加載荷與環(huán)境因素等共同作用下所表現(xiàn)的損傷、變形和斷裂的行為。這種行為又稱為力學(xué)行為，通常表現(xiàn)為金屬材料的變形和斷裂。因此，金屬材料的力學(xué)性能可以理解為金屬材料抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力，它是金屬材料使用性能當中最重要的一項。金屬材料的力學(xué)性能包括強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等性能，因為金屬機件的承載條件一般用各種力學(xué)參量來

8、表示，因此，人們便將表征金屬材料力學(xué)行為的力學(xué)參量的臨界值或規(guī)定值稱為金屬力學(xué)性能指標。金屬材料力學(xué)性能的優(yōu)劣就用這些指標的具體數(shù)值來衡量。強度強度是工程技術(shù)上最重要的力學(xué)性能指標之一，它包括屈服強度（心）與抗拉強度（。）。結(jié)構(gòu)鋼在拉伸過程中，其拉伸曲線在彈性變形后出現(xiàn)一段屈服平臺，屈服平臺上有上屈服強度（心）和下屈服強度（）。它們的出現(xiàn)是由于位錯與溶質(zhì)原子交互作用而形成的柯氏氣團所引起的。出現(xiàn)上屈服強度是因為當柯氏氣團出現(xiàn)以后，必須施加比正常位錯運動要高的應(yīng)力，才能夠使位錯開動起來。而當位錯在移動一定距離后，就會擺脫氣團的阻力而在正常的應(yīng)力下運動，所以出現(xiàn)了下屈服強度。其中上屈服強度對微小的

9、應(yīng)力集中、試件偏心和其它因素很敏感，因而試驗結(jié)果相當分散，下屈服強度則相對較差。因此，取下屈服強度作為金屬材料的屈服強度。圖為拉伸過程中，不同類型拉伸曲線的上、下屈服強度。但是，有些材料在拉伸時拉伸曲線看不到屈服平臺。因此，規(guī)定當試件發(fā)生一定殘余塑性變形量時的應(yīng)力作為材料的規(guī)定非比例延伸強度。圖為常用的規(guī)定非比例延伸強度（。），表示殘余變形量為時的應(yīng)力。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論應(yīng)堅應(yīng)力圖不同類型拉伸曲線的上、下屈服強度皿力應(yīng)變（）應(yīng)查圖規(guī)定非比例延伸強度，（）拉伸試樣在出現(xiàn)屈服后隨后發(fā)生連續(xù)均勻的塑性變形。當達到最大拉伸力時所對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強度，它標志著金屬材料的實際承載能力。東北大學(xué)碩士學(xué)

10、位論文緒論塑性塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。金屬材料在斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成。金屬材料常用的塑性指標為斷后伸長率（一）和斷面收縮率（）。它們是工程上廣泛使用的表征金屬材料塑性好壞的二個力學(xué)性能指標。斷后伸長率（爿）是拉伸試樣在斷后標距的殘余伸長（厶）與原始標距（厶）之比的百分率：（上。）×（）斷面收縮率（）是拉伸試樣在斷后頸縮處最小橫截面積（）與原始橫截面積（島）之差與原始橫截面積（）之比的百分率：（一甌）×（）圖為斷面收縮率的斷后頸縮處最小橫截面積（蜀）的測量方法。防？二杉妙矗？砌矗媳圈斷面收縮率的測量除了用斷后伸長率（

11、爿）表示金屬材料的塑性外，還可用最大力總伸長率（）（三。厶）（）最大力總伸長率（）實際上就是金屬材料在拉伸時產(chǎn)生的最大均勻塑性變來表示。最大力總伸長率（彳。）是指拉伸試樣拉至最大力時標距的總伸長與原始標距的百分比。也是在用引伸計得到的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖上測定最大力時的總延伸（上。）與引伸計標距（厶）的百分比：形（工程應(yīng)變）量。有些材料在最大力拉伸時拉伸曲線呈現(xiàn)一平臺，當出現(xiàn)這種東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論情況時，取平臺中點的最大力對應(yīng)的總伸長率，如圖所示。金屬材料的塑性指標通常并不能直接用于機件的設(shè)計，因為塑性與材料服役行為之間并無直接聯(lián)系，但對在靜載荷作用下工作的機件，都要求材料具有一定的塑性

12、，以防機件偶然過載時，會產(chǎn)生突然破壞。這是因為塑性變形有緩和應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰的作用。而通過細化晶粒的途徑能夠使塑性增加，在細晶粒范圍內(nèi)，隨著晶粒的細化，金屬材料的塑性逐步提高。成形性成形性是指鋼板在承受變形過程中抵抗失效的能力。通常成形性是通過屈強比（。）、最大力總伸長率（甜）、應(yīng)變硬化指數(shù)值及塑性應(yīng)變比，值來反映材料本身的特性。金屬板材的成形性一直是人們感興趣的研究課題。為了生產(chǎn)一個滿意的最終產(chǎn)品，在沖壓過程中，鋼板承受形狀變化能力的好壞是鋼材的一項重要工藝性能。金屬材料在冷加工過程中，要想不斷的塑性變形，就需要不斷增加外應(yīng)力。這表明金屬對塑性變形的抗力是隨形變量的增加而增加的，這種應(yīng)力

13、隨著應(yīng)變的增加而增加的現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。隨著晶粒的細化，阻礙滑移的晶界增多，硬化越快。因此，隨著高強度鋼板的應(yīng)用，成形性試驗的發(fā)展和成形性機理的探討，促進了材料成形技術(shù)的進步，而成形技術(shù)的發(fā)展又促進了高強度鋼的應(yīng)用。材料的應(yīng)變硬化指數(shù)、應(yīng)變速率敏感指數(shù)、平均塑性應(yīng)變比、顯微組織中的夾雜物及分布情況、晶粒度等都會影響材料的成形性。韌性韌性是指金屬材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，也就是指金屬材料抵抗裂紋擴展的能力。一般情況下，為了改善鋼材的低溫韌性，低溫容器用通常采用韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為衡量金屬材料韌性的性能指標。目前采用來衡量韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因其受試樣尺寸影響較小，更接近于金屬材料的特性。一

14、般來講金屬材料隨著晶粒尺寸的變小，韌性增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度下降。鋼中往往添加價格昂貴的合金。但利用超細晶粒的優(yōu)點，不添加合金元素也可確保鋼材的低溫韌性。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論這是因為隨著鐵素體晶粒直徑平均尺寸的變小，阻礙裂紋擴展的晶界增多，阻力增大，并且在晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力的集中，同時晶界總面積的增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。因此，韌脆轉(zhuǎn)變溫度迅速降低。由此可見細化晶粒可以在大幅度提高強度的同時使韌脆轉(zhuǎn)交溫度降低。而其它能夠有效提高鋼材強度的強化方式都將導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。斷裂斷裂是機械和工程構(gòu)件失效的主要形式之一。斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，在不

15、同的材料、溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度的環(huán)境條件下，會有不同的斷裂形式。根據(jù)斷裂前發(fā)生塑性變形的情況，大體可分為兩類：一是韌性斷裂。在斷裂前試樣已經(jīng)歷了大量的塑性變形；二是脆性斷裂。在表觀上沒有明顯的塑性變形跡象，只有細致的觀測才能在斷口發(fā)現(xiàn)少量塑性變形的痕跡。韌性斷裂有兩種形式：一種是由于連續(xù)的切變或滑移引起的斷裂；另一種是由于微孔洞的形成，長大和聚集引起的斷裂。韌性斷裂在斷裂前通常已經(jīng)發(fā)生了大量的塑性變形，斷裂是一個緩慢撕裂的過程，需要消耗相當多的能量。脆性解理斷裂是指金屬材料在應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭到破壞，而嚴格的沿一定的結(jié)晶學(xué)平面劈開而造成的。高強度鋼和超高強度鋼的機件或構(gòu)件，以及

16、中、低強度鋼的大型件，經(jīng)常在工作應(yīng)力低于屈服強度的條件下發(fā)生脆性斷裂。這種在低于屈服強度的條件下產(chǎn)生脆性斷裂稱為低應(yīng)力脆性斷裂。它往往是由宏觀裂紋失穩(wěn)擴展引起的。在實際金屬機件中，宏觀裂紋往往難以避免。它可能是在冶煉和加工工藝過程中形成的，也可能是在服役過程中形成的。當這種裂紋達到一定尺寸后，會影響機件或構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)和材料的斷裂性質(zhì)。晶粒的大小和顯微組織對斷裂有著很大的影響。晶粒越細小，則阻礙裂紋擴展的晶界增多，阻力增大，避免了脆性解理斷裂的生成。疲勞金屬材料在變化載荷作用下，經(jīng)過較長時間或較長應(yīng)力循環(huán)周次運轉(zhuǎn)后，會產(chǎn)生突然失效或破壞，稱作金屬的機械疲勞。據(jù)統(tǒng)計，在各類零件部件的失效中，

17、大約有是由于疲勞破壞所引起的。隨著大容量、大功率、高速度、高效率機東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論械設(shè)備的出現(xiàn)，那些承受往復(fù)或振動載荷零件的工作條件更加苛刻，疲勞斷裂的問題更加突出，除了一般的疲勞斷裂外，在特殊環(huán)境（如高溫、低溫、腐蝕介質(zhì)等）下的疲勞問題也越來越多。因此疲勞問題越來越引起人們的重視。研究表明，金屬材料中晶粒尺寸的大小對疲勞強度有著很大的影響。晶粒細化對高周疲勞強度的影響程度取決于材料及基體的晶體結(jié)構(gòu)、試樣尺寸和應(yīng)力集中等因素。當存在應(yīng)力集中時，晶粒尺寸對疲勞強度的影響會減弱，但細小晶粒仍然表現(xiàn)出較高的疲勞強度。在低周疲勞條件下，晶粒細化也可表現(xiàn)出有利的影響。在同一應(yīng)力條件下，不同晶粒尺

18、寸的試樣，疲勞壽命的主要差異在于裂紋的萌生階段。而晶粒越細小，萌生階段的壽命越長，疲勞強度越大卜【。晶粒尺寸對疲勞強度的顯著影響，最主要的是由于晶界的作用。在一定意義上，晶界能夠阻礙裂紋的進一步擴展。如果已有一些裂紋，則細小晶粒意味著較多的裂紋阻礙作用和較短的裂紋長度。此外，細小晶粒也意味著材料的整個加工工藝過程都是良好的，為材料具有更高的疲勞性能準備條件。低碳鋼晶粒細化后的強韌化理論屈服強度標志著金屬材料對起始塑性變形的抗力。金屬材料的屈服是位錯增殖和運動的結(jié)果，凡影響位錯增殖和運動的各種因素，必然要影響金屬材料的屈服強度。一般多相合金的塑性變形主要沿著基體相進行，這表明位錯主要分布在基體相

19、中。如不計合金成份的影響，則一個基體相晶粒就相當于純金屬單晶體。純金屬單晶體的屈服強度從理論上來說就是使位錯開始運動的臨界切應(yīng)力，其值由位錯運動所受的各種阻力決定。這些阻力有晶格阻力、位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力等等。而晶粒大小的影響是晶界影響的反應(yīng)，因為晶界是位錯運動的障礙，在一個晶粒內(nèi)部必須塞積足夠數(shù)量的位錯才能提供必要的應(yīng)力使相鄰晶粒中的位錯源開動并產(chǎn)生宏觀可見的塑性變形。因而減小晶粒尺寸將增加位錯運動障礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)部位錯塞積群的長度，才能夠使屈服強度提高。低碳鋼在晶粒細化后的強化機制包括細晶強化、固溶強化、析出強化、相變強化、位錯和亞晶強化，是多種強化方式的復(fù)合。超細晶粒鋼的強度主

20、要是由細品強化來提供，同時貝氏體的相變強化和金屬的固溶強化對強度也有很大貢獻。晶粒的細化和貝氏體的生成都可以通過調(diào)節(jié)控軋控冷軋制工藝參數(shù)來實現(xiàn)。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論在超細晶粒鋼的研制開發(fā)中，應(yīng)集中研究使晶粒細化和控制貝氏體生成的方法從而獲得具有優(yōu)良綜合性能的新型鋼材。細晶強化實際使用的結(jié)構(gòu)金屬材料幾乎全部是多晶體。多晶體材料的晶粒細化從來就是金屬材料組織控制的第一目標【鋼鐵材料晶粒超細化的主要目的就是提高常溫下的機械性能，特別是強度。在結(jié)構(gòu)鋼中，細晶強化是最佳的強化方式，因為它即能提高鋼材的強度，又能改善韌性。大約有一半的強度來自于晶粒細化。結(jié)構(gòu)鋼的細晶強化可以用公式來描述嘲：盯，盯。（）

21、式中：仃。位錯在晶體中運動的總阻力；，晶界對強度影響程度的常數(shù)；多晶體中各晶粒的平均直徑尺寸；細化晶粒的方法包括細化相變前的奧氏體晶粒、增加奧氏體內(nèi)部的形核質(zhì)點和快速冷卻等方法。晶粒長大是通過晶界遷移來實現(xiàn)的，所以影響晶界遷移的因素都會影響晶粒長大，這些因素主要包括有：（）溫度。由于晶界遷移的過程就是原子的擴散過程，所以溫度越高，晶粒長大速度就越快。通常在一定溫度下晶粒長大到一定程度就不會再長大，但是溫度升高后晶粒又會繼續(xù)長大；（）雜質(zhì)及合金元素。雜質(zhì)及合金元素溶入基體后都能阻礙晶界運動，特別是晶界偏聚現(xiàn)象顯著的元素，其作用更大。一般認為被吸附在晶界的溶質(zhì)原子會降低晶界的界面能，從而降低晶界的

22、驅(qū)動力，使晶界不易移動。在結(jié)構(gòu)鋼中，通過加入能夠形成碳、氮化物的極微量的金屬（）對于鐵素體晶粒細化具有明顯的作用，而且由于加入量很少成本增加的不多，所以應(yīng)用極微量的金屬是提高結(jié)構(gòu)鋼強度的途徑之一：（）相鄰晶粒的位向差，晶界的界面能與相鄰晶粒的位相差有關(guān)，小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移動的驅(qū)動力又與界面能成正比例。因此，前者的移動速度要小于后者。析出強化微合金元素的碳、氮化物的析出強化也是結(jié)構(gòu)鋼中最重要的強化方式。強化東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論作用主要是通過微合金元素的碳、氮化物在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時在鐵素體中析出而產(chǎn)生的。高溫時在奧氏體內(nèi)形成的粒子雖然對控制晶粒的長大很有效，

23、但因粒子尺寸太大而且相距太遠，不會造成強化。強化粒子是低溫時在鐵素體內(nèi)形成的。特別是在熱軋帶鋼冷卻后卷取過程中，析出物的尺寸大小是很重要的。通過控制轉(zhuǎn)變溫度可以控制析出物的尺寸。卷取溫度越低，冷卻速度越快，則析出物顆粒越細，因此使強度增加。這些在鐵素體中細小彌散的析出物不僅產(chǎn)生顯著的強化效果，而且能夠釘扎晶界，具有強烈阻礙在轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)變后的鐵素體晶粒長大的作用，從而獲得細化的晶粒。但是，過快的冷卻速度會抑制析出，因而在低溫卷取時，雖然鐵素體晶粒尺寸十分細小，但由于析出數(shù)量減少，屈服強度不會得到顯著的提高。這時，很細的鐵素體晶粒幾乎提供了所有的強度，因而強度不是太高，但有良好的塑性和韌性。微合金元

24、素碳、氮化物在控制軋制時的析出可以分為三個階段：（）均熱未溶的微合金碳、氮化物質(zhì)點并通過釘扎晶界機制，阻止均熱時奧氏體晶粒的粗化，保證細小的均熱奧氏體晶粒得以生成；（）在控軋過程中應(yīng)變誘導(dǎo)析出相通過釘扎晶界和亞晶界的作用顯著地阻止輿氏體再結(jié)晶和晶粒的長大，如果這部分組織在冷卻時能保留到室溫，將會產(chǎn)生一定的強化效果；（）殘留在奧氏體中的微合金元素進一步在鐵素體中析出，產(chǎn)生顯著的析出強化效果。微合金氮化物在奧氏體中的溶解度要比碳化物的溶解度高，在鐵素體中的溶解度也是同樣。一般來說，微合金碳、氮化物的析出強化作用隨著在奧氏體中溶解度的提高而增強。在其它的條件相同時，析出強化的強度隨析出物體積分數(shù)增加

25、和質(zhì)點尺寸減小而增高。相變強化熱軋后加速冷卻是提高鋼材性能的有效途徑。與常規(guī)熱軋相比，其產(chǎn)品的室溫組織將從多邊形鐵索體和珠光體過渡為貝氏體、多邊形鐵素體和珠光體為主的組織，從而顯示出了優(yōu)良的力學(xué)性能。合理的控軋控冷工藝可以在降低微合金元素含量或含碳量的情況下，在強化的同時又能保持較高的低溫韌性。在加速冷卻過程中起作用的主要是相變強化以及加強鐵素體晶粒細化和加強碳、氮化物析出強化效果。通過軋制后的加速冷卻，可以使未相變的奧氏體晶粒發(fā)生相變生成微細的多邊形鐵索體晶粒，使鐵索體晶東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論粒更加細小，且內(nèi)部還可能包含亞晶粒。這種包含亞晶粒的混合組織可以使強度增加。結(jié)構(gòu)鋼在軋制后經(jīng)過加速

26、冷卻，當終冷溫度在適當范圍內(nèi)時，將產(chǎn)生貝氏體組織，從而顯著地提高鋼材的強度。固溶強化和是低碳錳鋼中的主要合金元素，這兩個元素除了具有珠光體強化作用之外，二者都是奧氏體穩(wěn)定化元素，對奧氏體再結(jié)晶過程和應(yīng)變誘導(dǎo)相變都有影響，因而在結(jié)構(gòu)鋼軋制過程中的組織性能控制上具有重要作用。提高含量可以有效地提高強度，然而在室溫下它在鐵素體中的溶解度十分有限。因此，其固溶強化的作用受到限制。并且含量對抑制奧氏體的再結(jié)晶過程作用不明顯。金屬對常規(guī)軋制工藝來說，對強度的貢獻主要來自固溶強化和珠光體強化，但金屬宙量的提高會使帶狀組織加重。而對于控軋控冷工藝來講，金屬對奧氏體的再結(jié)晶過程具有一定的抑制作用，擴大了奧氏體未

27、再結(jié)晶區(qū)的溫度范圍和時間范圍，可以在較大的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的控制軋制，對鐵素體晶粒細化有明顯的作用。而且金屬使得在終軋溫度較低時應(yīng)變誘導(dǎo)相變不會發(fā)生或析出的量很小，所以不會產(chǎn)生兩相區(qū)變形引起的帶狀組織，同時由于軋后的冷卻速度很快，也抑制了緩冷過程中產(chǎn)生的帶狀組織。此外，由于金屬增加了奧氏體的穩(wěn)定性，推遲了過冷奧氏體的分解，降低了生成貝氏體的臨界冷卻速度。因此，容易在組織中引入適量的貝氏體，實現(xiàn)相變強化。在固溶強化方面的作用僅次于金屬，但是過多的會降低鋼材的韌性。金屬通常作為脫氧劑加入鋼中，但金屬也有一定的強化作用，氮化鋁能像其他析出物一樣提高鋼材的強度。但由于金屬的固溶度很低，所

28、以其強化效果很有限。位錯和亞晶強化位錯強化也是金屬材料中有效的強化方式。自從位錯理論提出后，人們就對位錯之間的相互作用進行了大量的研究，在位錯強化（加工硬化）方面取得了長足的進展。在易于交滑移的金屬中，當應(yīng)變量超過一定程度后，位錯將排列成三維亞結(jié)構(gòu)，當這些亞結(jié)構(gòu)的位錯墻呈松散的纏結(jié)形貌時，稱為“胞狀結(jié)構(gòu)”，當東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論位錯墻變窄且輪廓分明時，則稱為亞晶。亞晶強化實質(zhì)仍是位錯強化。通常，貝氏體具有比多邊形態(tài)的鐵素體更高的位錯密度。位錯密度和顯微組織可以通過熱處理進行更改。部分原始奧氏體的位錯組織可以遺留在貝氏體中，從而獲得額外的強化。不規(guī)則的組織和位錯密度是低溫相變，即從奧氏體區(qū)開

29、始連續(xù)冷卻階段產(chǎn)物（貝氏體、針狀鐵素體）的典型特點。總的來說，當位錯密度很低時，僅考慮晶界的作用，當位錯密度很高時，主要考慮位錯和位錯胞狀結(jié)構(gòu)的作用；當這些位錯重新排列而組成發(fā)達的亞晶時，亞晶內(nèi)部位錯密度很低，這時主要考慮亞晶的作用。應(yīng)力一應(yīng)變曲線單軸拉伸試驗是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗方法之一。結(jié)構(gòu)鋼在單軸拉伸試驗的變形特征包括彈性變形、屈服、塑性變形（加工硬化）和斷裂。有關(guān)參量則用工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線表示的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、最大力總伸長率、塑性應(yīng)變比以及用真實應(yīng)力應(yīng)變曲線表示的應(yīng)變硬化指數(shù)。這些特征參量對結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量控制、新鋼種的評價和開發(fā)都具有重要意義。？圖拉伸試驗的工程

30、應(yīng)力一應(yīng)變曲線、，圖為結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線。工程應(yīng)力（）是指拉伸過程中，任一時刻的負荷除以原始橫截面積的商。工程應(yīng)變（）是指拉伸過程中，任一時刻的原始標距增量與原始標距之比的百分數(shù)。但在實際的拉伸過程中，載荷與橫截東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論面積每一時刻都在變化中，試樣將會產(chǎn)生伸長、截面積收縮的現(xiàn)象。因此，用真實應(yīng)力（口）與真實應(yīng)變（）來分析拉伸試樣在拉伸過程中瞬時的變化。真實應(yīng)力是拉伸過程中，任一時刻的負荷除以試樣瞬時橫截面積的商：仃（）（）（）真實應(yīng)變是拉伸過程中，任一時刻的試樣標距與原始標距之比的自然對數(shù)：（）通過結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)力一曲線上可以看出，拉伸的初期為彈性變形階段。這是因為金屬

31、材料在一定外加載荷作用下都會產(chǎn)生彈性變形。彈性極限（）是金屬材料由彈性變形過渡到彈一塑性變形時的應(yīng)力。應(yīng)力超過彈性極限以后，便開始發(fā)生塑性變形。而屈服現(xiàn)象則是金屬材料開始發(fā)生塑性變形的標志，提高屈服強度，便能夠提高金屬材料對起始塑性變形的抗力，可以減輕機件的重量，使其不易產(chǎn)生塑性變形而失效?？剀埧乩浼夹g(shù)對低碳鋼晶粒細化的作用控軋控冷技術(shù)是二十世紀鋼鐵工業(yè)取得的最重要的成就之一。結(jié)構(gòu)鋼通過控制軋制和控制冷卻，可以顯著的細化晶粒，使鋼材的強度和低溫韌性有較大改善，同時能夠節(jié)省能源和使生產(chǎn)工藝簡化，并充分發(fā)揮微合金元素的作用【“”?？刂栖堉剖侵冈跓彳堖^程中，在低溫段通過強化軋制改善鋼材強度和韌性的方

32、法稱為控制軋制卜“】。控制軋制的主要目的是要使晶粒細化，得到期望的組織，提高材料的性能。對于結(jié)構(gòu)鋼而言，發(fā)生奧氏體向鐵素體相變時，應(yīng)盡可能多的產(chǎn)生晶核，這對細化鐵素體晶粒十分重要。按照弗，過程中的組織變化，控制軋制可以分為三個階段。（）奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制軋制。在這一階段，奧氏體變形過程中會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，或者在變形之后的道次間隔時間內(nèi)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，通過再結(jié)晶過程的反復(fù)進行，奧氏體晶粒能夠得到細化：（）奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控制軋制。在這一階段，不僅奧氏體變形過程中不會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而且在變形之后的道次間隔時間內(nèi)靜態(tài)再結(jié)晶也很難發(fā)生，奧氏體晶粒變成扁平狀，晶粒內(nèi)位錯密度增加，且有形變帶、形變孿晶等

33、缺陷形成，增加了隨后冷卻過程中奧氏體向鐵素體相變的形核部位，因而能夠有效地細化鐵素體晶粒：（）兩相區(qū)控制軋制。在這一階段變形過程中，先共析鐵素體由于變形而形成亞晶，奧氏東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論體仍然為未再結(jié)晶狀態(tài)，轉(zhuǎn)變后會發(fā)生位錯強化和晶粒細化，從而使鋼材進一步提高強度與韌性?？刂评鋮s為軋后加速冷卻，是控制軋制技術(shù)的發(fā)展和完善。在特定溫度區(qū)內(nèi)增加冷卻速度，使未相變的奧氏體晶粒發(fā)生相變而變成微細的多邊形鐵素體晶粒。并且使鐵素體晶粒更加細密，內(nèi)部包含亞晶粒，這種包含亞晶粒的混合組織可使強度增加。由于冷卻速度增加，析出物的尺寸變的更為細小，同時也增加了強度。一般熱軋鋼得到的晶粒尺寸為左右，而通過控制

34、軋制后加速冷卻可以得到約哪尺寸的晶粒。但是，過快的冷卻速度會抑制析出，雖然鐵素體的晶粒尺寸十分細小，但由于析出強化減弱，屈服強度不會得到顯著的提高。從根本上講，控軋控冷技術(shù)是通過控制加熱溫度、軋制條件（軋制溫度、變形量）和軋后冷卻，得到細小晶粒的組織，從而使強度和韌性提高。超細晶粒鋼可以通過合理的控制軋制和控制冷卻等形變熱處理工藝達到理想的組織和性能。通過從板坯加熱至軋后冷卻進行綜合控制，生產(chǎn)出細晶?；虺毦Я５匿摬?。因此，可以在規(guī)定尺寸板厚的基礎(chǔ)上得到較高的力學(xué)性能。課題的研究背景和研究內(nèi)容研究背景近年來，隨著我國國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的迅猛增長，對鋼鐵材料的需求進一步的增加，為鋼鐵工業(yè)的發(fā)展提供

35、了難得的發(fā)展機遇。為了滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展對鋼鐵材料的需求和解決鋼鐵工業(yè)面臨的可持續(xù)發(fā)展問題，開發(fā)研制性能更好的新一代鋼鐵材料具有重要的經(jīng)濟和戰(zhàn)略意義。日本、韓國、美國等先進工業(yè)化國家都在研制開發(fā)超細晶粒結(jié)構(gòu)用鋼【”。我國科學(xué)技術(shù)部在年月批準了“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究項目”，其目標是研究新一代鋼鐵材料生產(chǎn)和使用過程中的重大基礎(chǔ)問題，目前級超細晶粒鋼已經(jīng)取得重大進展。經(jīng)過兩年多的研究工作，在鋼熱加工過程中的組織演變、形變奧氏體一鐵素體相變理論、低鋼鐵素體晶粒細化機制以及超細晶粒鋼工業(yè)生產(chǎn)的控軋控冷技術(shù)等方面取得了許多研究成果，并且已經(jīng)能夠在工業(yè)生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出鐵素體晶粒尺寸接近，屈服強度超過

36、的新一代結(jié)構(gòu)帶鋼，并成功的應(yīng)用于汽東北大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論車工業(yè)領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟效益【”“】。本文結(jié)合東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室承擔的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（）課題“碳素鋼先進工業(yè)化制造技術(shù)”項目中的子課題一鞍山鋼鐵公司“級超細晶粒鋼的開發(fā)”，對鞍山鋼鐵公司級、級以及實驗室熱軋實驗鋼進行強度、塑性、韌性、成形性的力學(xué)性能研究，并通過其力學(xué)性能的變化對低碳鋼在軋制過程中的奧氏體再結(jié)晶行為、應(yīng)變誘導(dǎo)相變以及軋后加速冷卻過程中奧氏體的組織演變和控制的理論問題進行系統(tǒng)的分析研究，以期為在細化晶粒的基礎(chǔ)上綜合利用相變強化、固溶強化等多種強韌化機制，實現(xiàn)低碳鋼在晶粒細化后綜合力學(xué)性能

37、大幅度提高方面打下理論基礎(chǔ)，對于開發(fā)適于控軋控冷技術(shù)的新鋼種和合理的制訂控軋控冷工藝都具有重要的參考價值。研究內(nèi)容本文通過單軸拉伸試驗、低溫系列沖擊試驗和彎曲試驗，對屈服強度為級、級超細晶粒鋼的力學(xué)性能進行了研究。結(jié)合顯微組織及斷口形貌分析對低碳鋼晶粒細化后的組織性能關(guān)系進行了研究，明確了超細晶粒鋼的強韌化機制。通過實驗室熱軋實驗，確定了低碳鋼晶粒細化并能夠獲得良好綜合力學(xué)性能的軋制條件。研究內(nèi)容包括：（）分析超細晶粒鋼的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線，測定其屈服強度、抗拉強度，并結(jié)合顯微組織研究其強韌化機制。（）分析超細晶粒鋼的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線，研究超細晶粒鋼的塑性。（）測定超細晶粒鋼在塑性變形過程中

38、的塑性應(yīng)變比，值，并根據(jù)其真實應(yīng)力一應(yīng)變曲線，測定其應(yīng)變硬化指數(shù)值，同時結(jié)合彎曲試驗，研究超細晶粒鋼的成形性。（）分析超細晶粒鋼低溫系列沖擊試驗的結(jié)果及其沖擊斷口形貌，研究超細晶粒鋼的沖擊韌性。（）分析對超細晶粒鋼進行的單軸拉伸試驗，并結(jié)合顯微組織的變化和拉伸斷口形貌的分析，研究超細晶粒鋼拉伸過程中組織的變化及其塑性失穩(wěn)后斷裂的類型、斷裂的機制。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文低碳鋼晶粒細化后的強度與塑性低碳鋼晶粒細化后的強度與塑性為了研究低碳鋼在晶粒細化后的強度與塑性，對鞍山鋼鐵公司熱連軋廠所生產(chǎn)，采取低溫大壓下控軋控冷軋制技術(shù)的級、級超細晶粒鋼進行了力學(xué)性能研究，并結(jié)合顯微組織對強度與塑性的變化進行了

39、分析。東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室進行了熱軋實驗，通過不同的軋制實驗條件，并結(jié)合其顯微組織的變化，對超細晶粒鋼強度與塑性的變化進行研究。實驗裝置與方法強度與塑性的實驗裝置為電子機械拉伸試驗機。主要試驗參數(shù)如下：拉伸力；夾頭位移速度，試驗采用；軸向引伸儀標距為；試驗精度為最大顯示值的士；試驗溫度為室溫；且。圖拉伸試驗用試樣尺寸東北大學(xué)碩士學(xué)位論文低碳鋼晶粒細化后的強度與塑性強度與塑性的實驗方法按照國家標準金屬材料室溫拉伸試驗方法進行。并采用非比例拉伸試樣，試樣尺寸如圖所示。原始標距三；平行長度三。厶萬：標距內(nèi)寬度；平行長度和夾持端之間以過渡弧連接，過渡弧半徑，。拉伸試樣按縱向（方向

40、）、橫向（方向）、斜向（方向）三個方向取樣，取樣方向如圖所示。圖拉伸試樣的取樣方向材料的顯微組織金相試樣取自材料軋制方向的橫斷面（方向），經(jīng)砂紙逐級打磨后機械拋光，用硝酸酒精溶液腐蝕，在多功能光學(xué)金相顯微鏡下和掃描電鏡下觀察。對試樣進行線切割并經(jīng)砂紙逐級打磨后，用高氯酸酒精溶液雙噴腐蝕，在透射電鏡下觀察其顯微組織。級超細晶粒鋼的強度與塑性年月在鞍山鋼鐵公司熱連軋廠熱連軋機進行了第一次工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)了級超細晶粒鋼，加熱溫度為。投入了個罐號（、），表為化學(xué)成分，表為軋制工藝參數(shù)。年月在鞍山鋼鐵公司熱連軋廠熱連軋機進行了第二次工業(yè)生產(chǎn)，化學(xué)成分與生產(chǎn)工藝生產(chǎn)了級超細晶粒鋼，加熱溫度為。表為化學(xué)成分，

41、表為軋制工藝參數(shù)。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文低碳銅晶粒細化后的強度與塑性￥表第二次工業(yè)生產(chǎn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量，）（，、）表第二次工業(yè)生產(chǎn)鋼軋制工藝參數(shù)擁巍縣”。規(guī)格中間坯粗軋開軋粗軋終軋精軋開軋精軋終軋溫度卷取溫度溫度溫度肚溫度¨實驗結(jié)果對第一次工業(yè)生產(chǎn)的其中個鋼卷取樣進行拉伸試驗。圖為工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線。表為強度與塑性的力學(xué)性能實驗結(jié)果。并對鋼卷號東北大學(xué)碩士學(xué)位論文低碳鋼晶粒細化后的強度與塑性按照軋制方向的頭部、中部和尾部分別取樣進行實驗。表第一次丁業(yè)生產(chǎn)鋼實驗結(jié)果、口“渤善柵邶姍瑚瑚日：、鐾黑已鄔?；绵w，東北大學(xué)碩士學(xué)位論文；雪嚴低碳鋼晶粒細化后的強度與塑性馳；卯亂一一一一，、窖薹眵姜酸：。：一一伯：、口；、拍¨侶圖試樣工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線東北大學(xué)碩士學(xué)位論文低碳鋼晶粒細化后的強度與塑一生對第二次工業(yè)生產(chǎn)的其中個鋼卷取樣進行拉伸試驗。圖為工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線。表為強度與塑性的力學(xué)性能實驗結(jié)果。蛐時蚰時軸帖”