軋鋼-控軋控冷第1章綜述

1、Controlled Rolling & Controlled Colling 1.鋼的強(qiáng)化和韌化鋼的強(qiáng)化和韌化1.1 強(qiáng)化和強(qiáng)度強(qiáng)化和強(qiáng)度通過合金化、塑性變形和熱處理等手段提高金屬強(qiáng)度的方法稱為金屬的強(qiáng)化。所謂強(qiáng)度是指材料對塑性變形和斷裂的抗力，用給定條件下所能承受的應(yīng)力來表示。1.2 金屬屈服的實(shí)質(zhì)金屬屈服的實(shí)質(zhì)金屬的屈服過程是一種塑性變形過程，它是在結(jié)晶學(xué)的優(yōu)先平面上產(chǎn)生一種間斷的滑移步驟，從而形成了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。因此增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的困難就意味著屈服強(qiáng)度的提高。根據(jù)金屬點(diǎn)陣中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙物的類別，金屬學(xué)方面對應(yīng)用的強(qiáng)化機(jī)制可有以下幾種：1.3 金屬材料的缺陷金屬材料的缺陷（1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)

2、缺陷點(diǎn)缺陷的類型及形成點(diǎn)缺陷的類型及形成 點(diǎn)缺陷對性能的影響點(diǎn)缺陷對性能的影響 點(diǎn)缺陷使運(yùn)動(dòng)電子散射電阻增大 點(diǎn)缺陷 ( 空位 ) 增加密度減小 過飽和點(diǎn)缺陷提高金屬的屈服強(qiáng)度（2）線缺陷）線缺陷刃形位錯(cuò)、螺形位錯(cuò) （3）面缺陷）面缺陷固態(tài)材料的界面：表面、晶界、亞晶界、相界 晶界特性晶界特性 當(dāng)晶體中存在能降低界面能的異類原子時(shí)，這些原子將向晶界偏聚內(nèi)吸附 晶界上原子具有較高的能量，且存在較多的晶體缺陷，使原子的擴(kuò)散速度比晶粒內(nèi)部快得多 常溫下，晶界對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，故金屬材料的晶粒越細(xì)，則單位體積晶界面積越多，其強(qiáng)度，硬度越高 晶界比晶內(nèi)更易氧化和優(yōu)先腐蝕 大角度晶界界面能最高，故其晶

3、界遷移速率最大。晶粒的長大及晶界平直化可減少晶界總面積，使晶界 能總量下降，故 晶粒長大是能量降低過程 ，由于晶界遷移靠原子擴(kuò)散，故只有在較高溫度下才能進(jìn)行 由于晶界具有較高能量，固態(tài)相變時(shí)優(yōu)先在母相晶界上形核 1.4 強(qiáng)化的六種機(jī)制強(qiáng)化的六種機(jī)制1）固溶強(qiáng)化）固溶強(qiáng)化 要提高金屬的強(qiáng)度可使金屬與另一種金屬(或非金屬)形成固溶體合金。固溶體合金或以固溶體為基的合金(如碳鋼等)一般具有較純金屬高的強(qiáng)度。這種采用添加溶質(zhì)元素使固溶體強(qiáng)度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。因此固溶強(qiáng)化是通過改變金屬的化學(xué)成分來提高強(qiáng)度。強(qiáng)化的金屬學(xué)基礎(chǔ)是由于運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與異質(zhì)原子之間的相互作用的結(jié)果。固溶強(qiáng)化的效果如何取決于一系

4、列的條件根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)有以下規(guī)律。(1)溶質(zhì)元素溶解量；(2)溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度；(3)形成間隙出溶體的溶質(zhì)元素(如c、N、s等元素在Fe中)其強(qiáng)化作用大于形成置換式固溶體(如Mn、si、P、Cr、Ni、Cu等元素在Fe中)的溶質(zhì)元素；(4)溶質(zhì)與基體的原子大小差別愈大，強(qiáng)化效果也愈顯者。 對于非合金的和低合金的鋼而言，可以把因溶強(qiáng)化看作是基體的強(qiáng)化機(jī)制，與軋制制度無關(guān)。鋼中最主要的合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Cu和P都能構(gòu)成置換固溶體，并促使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈線性增加 塑性變形意味著在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)之外還不斷形成新的位錯(cuò)，因此位錯(cuò)密度值隨著變形而不斷增高，一直可達(dá)到1012

5、/cm2。如果要繼續(xù)塑性變形就要提高應(yīng)力值，也就是說材料被加工硬化了。冷變形的加工硬化機(jī)制在實(shí)踐中是先全可以利用的。如冷拔線材、冷拔鋼材、預(yù)應(yīng)力鋼筋、深沖薄板異形件等都是通過冷加工后使材料的強(qiáng)度得到提高的。3 ） 沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化 在普通低合金鋼中經(jīng)常加入微量Nb、v、Ti，這些元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物在軋制中或軋后冷卻時(shí)它們可以析出，起到第二相沉淀強(qiáng)化作用。這些強(qiáng)化在低合金鋼的控制軋制中是不可忽視的。例如加熱到1250的Nb鋼，沉淀強(qiáng)化的作用平均每0.01Nb可提高屈服強(qiáng)度196MPa 第二相沉淀的過程就是過飽和固溶體的分解過程。沉淀強(qiáng)化的機(jī)制沉淀強(qiáng)化的機(jī)制是位錯(cuò)和顆粒

6、之間的相互作用，可以通過兩種機(jī)制來描述：(1)對提高強(qiáng)度有積極作用的繞過過程；(2)對提高強(qiáng)度作用較小的剪切過程。第二相引起的強(qiáng)化效果第二相引起的強(qiáng)化效果質(zhì)點(diǎn)的平均直徑成反比，與其體積百分?jǐn)?shù)的平方根成正比沉淀相的部位、形狀對強(qiáng)度都有影響晶粒愈小，晶界就相對愈多，晶界阻力也愈大因而使材料的屈服強(qiáng)度提高。下式是根據(jù)位錯(cuò)理論計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系：Hall-Petch 公式2110DKs低溫加工的材料因動(dòng)態(tài)、靜態(tài)回復(fù)形成亞晶，亞晶的數(shù)量、大小與變形溫度、變形量有關(guān)。亞晶強(qiáng)化的原因是位錯(cuò)密度增高。另外有些亞晶間的位向差稍大，也如同晶界一樣阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。鋼經(jīng)淬火轉(zhuǎn)變成馬氏體，這是使鋼強(qiáng)化的常

7、用手段之。馬氏體能獲得高強(qiáng)度和硬度其強(qiáng)化不是靠單一機(jī)制。而是靠幾種強(qiáng)化機(jī)制共問作用的結(jié)果。(1)馬氏體點(diǎn)陣為碳所固溶強(qiáng)化。(2)馬氏體轉(zhuǎn)變過程中晶粒得到細(xì)化。(3)位錯(cuò)密度增加。(4)馬氏體變形時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生過飽和固溶體的分解，析出新相，從而阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。馬氏體形成過程馬氏體形成過程馬氏體形成過程定義： 韌性是材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。1.6 金屬的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)金屬的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)拉伸實(shí)驗(yàn)測試條件普通玻璃氫氟酸中浸蝕幾個(gè)小時(shí)液態(tài)氮溫度抗拉強(qiáng)度（MPa）13.8138345013790玻璃為什么具有這么高的脆性？這是因?yàn)楸砻嫔洗嬖谌笨诨蛄鸭y，它們是引起活動(dòng)裂

8、紋源，及其裂紋源迅速在材料中傳播導(dǎo)致斷裂。舉例：金屬的優(yōu)點(diǎn)：玻璃與金屬的區(qū)別 金屬的缺點(diǎn)：金屬的缺點(diǎn)：金屬的脆性轉(zhuǎn)變金屬的脆性轉(zhuǎn)變1912年，世界上最為豪華、號稱永不沉沒的泰坦尼克泰坦尼克號（號（Titanic）首航沉沒于冰海。為什么不會(huì)沉沒的船在撞上一個(gè)冰山后3小時(shí)就沉沒了 ?圖 Titanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果 由于早年的Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。 水線上下都由水線上下都由10 張張30 英尺長的高含硫量脆性鋼板焊接成英尺長的高含硫量脆性鋼板

9、焊接成300英尺的船體。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而英尺的船體。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開時(shí)，脆性的焊縫無異于一條裂開時(shí)，脆性的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)生英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。這是鋼材韌性與人身安很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。這是鋼材韌性與人身安全的一個(gè)突出例證。全的一個(gè)突出例證。 定義： 韌性是材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。工業(yè)上我們通常使用缺口沖擊韌性 Ak(J)或a(Jcm2)作為韌性指標(biāo)V形缺口方試樣 U形缺口方試樣沖擊韌性沖擊韌性 材料抵抗沖擊

10、載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌性。性。 擺錘式一次沖擊試驗(yàn)。擺錘式一次沖擊試驗(yàn)。 小能量多次沖擊試驗(yàn)。如圖所示。小能量多次沖擊試驗(yàn)。如圖所示。試樣錘頭橡膠夾頭多次沖擊彎曲實(shí)驗(yàn)示意圖多次沖擊彎曲實(shí)驗(yàn)示意圖用斷口面積上出現(xiàn)50結(jié)晶狀斷口時(shí)的溫度為Tx，以50FATT表示1.8 斷裂分類斷裂分類 材料中往往存在微小孔洞和夾雜物，如鋼中的硫化物和氧化物。在材料承載而發(fā)生塑性變形后，這些夾雜物往往與材料本體（基體，基體，Matrix）脫開，相當(dāng)于在材料內(nèi)形成了一些微孔。下圖是Griffith給出的板狀試樣受力時(shí)長度為C的孔洞的應(yīng)力分布示意圖。無限寬板中心的缺口將產(chǎn)生

11、應(yīng)力集中效應(yīng) 圖中縱向線段的長短表示應(yīng)力的大小。試樣受力時(shí)微孔的兩端部應(yīng)力大于平均值，即應(yīng)力集中應(yīng)力集中現(xiàn)象現(xiàn)象。試樣中的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后，隨著縮頸的形成，微孔便會(huì)在試樣內(nèi)形成并逐漸增多。 微孔的應(yīng)力集中效應(yīng)導(dǎo)致微孔間的區(qū)域剪切斷裂，使微孔合并而不斷增大，以致于試樣中部斷開。最后，試樣外圈在45最大剪應(yīng)力作用下剪切斷裂，形成一端為杯狀（另一端為錐體狀）邊緣比較光滑的斷口。在掃描電鏡（SEM）下，延性斷口如圖所示。暗的部分對應(yīng)拉伸時(shí)形成的孔洞，可稱之為韌窩 塑性斷口的SEM照片，可見大量韌窩 塑性斷裂試樣的杯狀斷口 有些材料在應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)突然斷裂，而且只產(chǎn)生很小的永久變形。這種斷裂方

12、式就稱為脆性斷裂。不僅是脆性材料才會(huì)產(chǎn)生這種斷裂，材料內(nèi)部存在微裂紋，或者某些材料在低溫下受到?jīng)_擊等都有可能產(chǎn)生脆性斷裂。圖是脆性斷裂后的試樣，斷口比較平齊。 1.9 斷裂的機(jī)理斷裂的機(jī)理1）裂紋源的形成機(jī)制位錯(cuò)塞積理論位錯(cuò)反應(yīng)理論位錯(cuò)反應(yīng)理論位錯(cuò)銷毀理論位錯(cuò)銷毀理論位錯(cuò)墻側(cè)移理論位錯(cuò)墻側(cè)移理論裂紋擴(kuò)展的條件裂紋擴(kuò)展的條件Griffith理論是一切脆性斷裂理論的起點(diǎn)，它為裂紋擴(kuò)展定義了下列準(zhǔn)則：當(dāng)形成裂紋所釋放的彈性應(yīng)變能至少等于產(chǎn)生新裂紋表面所需要的能量時(shí)，裂紋即擴(kuò)展。 1）成分的控制2）氣體和夾雜物控制 3）壓力加工工藝的控制4）熱處理工藝的選擇斷裂韌性是材料的一種性能，如同強(qiáng)度一樣，也取

13、決于材料的組織結(jié)構(gòu)：材料的成分與缺陷（缺位、位錯(cuò)、晶界、缺口裂紋等）。而材料的工藝:冶煉、鑄造、加工、熱處理等又決定了材料的結(jié)構(gòu)，因此必須從工藝入手改變材料的結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善材料的韌性的目的。1）成分的控制）成分的控制 般的說，加入基體(鐵)的合金元素對基體形成間隙式固溶強(qiáng)化或置換式固溶強(qiáng)化有明顯的效果。在一定的條件下還可形成析出強(qiáng)化使材料的強(qiáng)度提高。但同時(shí)合金含量的增加造成了基體內(nèi)缺陷的增加，從而降低了材料的塑性和韌性。Si、P在提高材料的屈服強(qiáng)度同時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度也提高，只有Mn、Ni元素例外，此外現(xiàn)已知少量的V、Nb、Ti、Al、Zr元素由于能形成細(xì)化晶粒，因此成為既能提高強(qiáng)度又能提高韌性

14、的重要元素。S、P 是不可避免的元素，P導(dǎo)致回火脆性，S則增加夾雜物顆粒使材料韌性降低。C使鋼中重要的成分，碳的增加使珠光體量增加，會(huì)使50FATT上升。2）氣體和夾雜物控制）氣體和夾雜物控制 鋼中的氣體主要指：O、H、N夾雜主要指：氧化物和硫化物H 可以引起白點(diǎn)和氫脆，應(yīng)該盡量降低。N與位錯(cuò)結(jié)合力較強(qiáng)，通過形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)而阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使鋼的韌性下降。O以氧化物的形式存在。氧化物和硫化物形成的夾雜會(huì)降低材料的韌性。鋼中氣體量和夾雜物量的多少與冶煉、澆注方法有直接關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明：鋁脫氧鋼和鎮(zhèn)靜鋼要比錳脫氧鋼和沸騰鋼的夾雜和氣體含量少。3）壓力加工工藝的控制）壓力加工工藝的控制壓力加工能控制晶粒

15、大小及晶粒取向，從而改變材料的韌性。4）熱處理工藝的選擇）熱處理工藝的選擇熱處理可以改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，從而控制材料性能的重要工藝。熱熱處處理理普通熱處理退火完全退火、擴(kuò)散退火不完全退火、球化退火、周期退火再結(jié)晶退火、低溫退火正火淬火馬氏體淬火固溶處理等溫淬火回火低溫回火中溫回火高溫回火表面熱處理表面淬火感應(yīng)加熱（高頻、中頻、工頻）火焰加熱電接觸加熱電解液加熱化學(xué)熱處理滲碳、滲氮、碳氮共滲滲金屬滲硼、滲硫、硫氮共滲、多元素共滲其它熱處理形變熱處理可控氣氛熱處理真空熱處理退火：退火：指指金屬金屬加加熱熱道一定道一定溫溫度後，度後，維維持一段持一段時(shí)間時(shí)間，再，再慢慢慢慢冷卻冷卻，可使，可使金

16、屬金屬增加延展性。增加延展性。正火：正火：金屬加熱到金屬加熱到Ac3Ac3以上適當(dāng)溫度，保溫后空冷。以上適當(dāng)溫度，保溫后空冷。得到珠光體類組織。目的獲得一定的硬度、細(xì)化晶得到珠光體類組織。目的獲得一定的硬度、細(xì)化晶粒，得到均勻的組織和性能。粒，得到均勻的組織和性能。淬火：淬火：指指冷卻冷卻時(shí)時(shí)，將金屬將金屬直接直接進(jìn)進(jìn)入水中或油中及速入水中或油中及速冷冷卻卻，可使，可使金屬金屬又硬又脆。又硬又脆?；鼗穑夯鼗穑褐钢笇⒋慊鸫慊疬^過的的金屬金屬，再一次加，再一次加溫溫到一定到一定溫溫度度后后，使其慢慢，使其慢慢冷卻冷卻，如此可以，如此可以維維持持金屬金屬的硬度，也可的硬度，也可提高其延展性和提高其延展性和韌韌性。性。固溶強(qiáng)化的影響：間隙式固溶強(qiáng)化對韌性不利。位錯(cuò)強(qiáng)化的影響：雙重作用。沉淀強(qiáng)化的影響：看細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的比例。晶界強(qiáng)化的影響：既能使材料強(qiáng)化又能韌化。相變強(qiáng)化的影響：淬火造成很高的內(nèi)應(yīng)力使韌性降低，必須回火處理材料使用。1.12 組織對韌性的影響組織對韌性的影響1)細(xì)化奧氏體晶粒，從而可細(xì)化轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，對提高韌性是有益的。2)轉(zhuǎn)變溫度愈低則回火后的韌性愈高，因而對