傳熱學(xué)第4章金屬加熱工藝

塑性加工工程傳熱學(xué)

HeatTransferProcessforMaterialWorkingEngineering

第四章金屬加熱工藝

遼寧科技大學(xué)

材料科學(xué)與工程學(xué)院

井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安第四章金屬加熱工藝

§4.1金屬的熱物理性質(zhì)和力學(xué)性能§4.2金屬的加熱缺陷§4.3金屬的加熱工藝遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安基本知識點：了解金屬的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)，掌握鋼的加熱缺陷，加熱工藝（加熱溫度、加熱速度、加熱制度、加熱時間）。重點：鋼的加熱缺陷和加熱工藝。難點：加熱工藝。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安§4.1

金屬的物理和力學(xué)性能

一.密度二.導(dǎo)熱系數(shù)三.導(dǎo)溫系數(shù)四、金屬的比熱容五、金屬力學(xué)性能遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安一.密度

金屬的密度與金屬化學(xué)成分、組織、溫度及加工條件等有關(guān)。通常將45＃鋼在20℃時的密度7810kg/m3定為鋼的標(biāo)準(zhǔn)密度。室溫下鋼的密度可按下述經(jīng)驗公式計算：

式中x為鋼中雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，△ρ為雜質(zhì)增加1％時密度的增量

表1雜質(zhì)增加1％時鋼的密度的變化量元素△ρ/kg·m-3含量低于此值時適用元素△ρ/kg·m-3含量低于此值時適用C-0.0301.55Cr+0.0011.2P-0.1171.1W+0.0951.5S-0.1630.2Si-0.0733.0Cu+0.0111.0Al-0.1202.0Mn-0.0161.5As+0.1000.15Ni+0.0035.0遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

碳鋼密度在7.8~7.85t/m3，合金鋼密度在7.6~8.7t/m3，鑄錠的密度比軋材低，約為7.2t/m3左右，含碳高的鋼種如T12A的密度低些，含鎢鋼的密度高些，如W18Cr4V為8.70，含鋁及硅高的鋼的密度也稍低。溫度升高時，鋼的密度會因體積膨脹而降低，此時密度與溫度的關(guān)系可用下式表示

內(nèi)部組織狀態(tài)也影響鋼的密度，例如鑄錠內(nèi)部存在大量氣泡、縮孔等缺陷，密度比軋材低。冷軋后的鋼材內(nèi)部出現(xiàn)大量位錯和亞晶，密度比退火后的鋼材低。馬氏體組織鋼的密度比珠光體、奧氏體和鐵素體組織鋼的密度低一些。

一般規(guī)律遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安二.導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)與金屬的化學(xué)成分、組織、雜質(zhì)和夾雜物含量、溫度及加工條件等有關(guān)。

純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)高于合金的導(dǎo)熱系數(shù)，銀（420）＞銅（395）＞金（315）＞鋁（202）＞鑄鐵（20-80）

＞鋼（25-46）。

普通碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)與成分的關(guān)系各種影響因素分析如下遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安1、合金元素影響一般隨碳及合金含量增加而降低，其次序一般為C、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。因此，對高鎳鉻鋼的加熱都是緩慢升溫，并有足夠的保溫與均熱時間。主要原因是合金元素的存在破壞了金屬的晶格點陣，使金屬原子的熱振動受到阻礙或自由電子難以順利通過，從而降低了熱導(dǎo)率。圖2一些典型鋼種的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的曲線純鐵不銹鋼遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安2、溫度影響各種鋼的熱導(dǎo)率隨溫度變化規(guī)律大不一樣，溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響更復(fù)雜；

在800℃以前，碳鋼隨溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)降低，低合金鋼導(dǎo)熱系數(shù)（λ20℃=33~35W·(m·℃)-1）也隨溫度升高降低，而合金鋼導(dǎo)熱系數(shù)（λ20℃=23~26W·(m·℃)-1）隨溫度變化較小。

溫度高于800℃以后，各鋼種的導(dǎo)熱系數(shù)趨于一致，25-27W·(m·℃)-1

。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安3、組織影響一般說來，鐵素體和珠光體鋼導(dǎo)熱性優(yōu)于奧氏體和馬氏體組織的鋼。鋼錠經(jīng)退火后熱導(dǎo)率約增加50％，軋、鍛坯經(jīng)退火后熱導(dǎo)率增加約15~20%。4、非金屬夾雜物影響：含量越高，鋼的熱導(dǎo)率越低。5、晶粒細(xì)化程度影響：晶粒越細(xì)，熱導(dǎo)率越低。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安三.導(dǎo)溫系數(shù)

導(dǎo)溫系數(shù)反映溫度升高快慢的程度。除與導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)外，還與密度及比熱有關(guān)。

碳素鋼的導(dǎo)溫系數(shù)一般處于0.04~0.06m2/h，合金鋼則低于此值。

碳素鋼的導(dǎo)溫系數(shù)一般隨溫度升高而降低，達(dá)到700-1000℃左右時降至最低，而后稍有升高，高溫時趨于一致。普碳鋼合金鋼遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安四.比熱容

鋼的比熱容與化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、溫度等有關(guān)。在100℃以下至室溫，鋼的比熱容可按下面公式計算

碳鋼的平均比熱容隨鋼中含碳量及溫度的變化規(guī)律如圖4-2所示。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，鋼中化學(xué)成分對比熱容影響不大，但溫度的影響比較大。不論碳鋼還是合金鋼，比熱容均隨溫度的升高而增大，特別是在800℃以下更為明顯，溫度超過900℃則變化不大，即在相變溫度范圍內(nèi)比熱容波動較大。

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安比熱容均隨溫度的升高而增大，特別是在800℃以下更為明顯遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安五.金屬的力學(xué)性能

金屬被加熱時，由于各部分之間產(chǎn)生溫度差而形成溫度應(yīng)力，與此溫度應(yīng)力相關(guān)的是彈塑性指標(biāo)和變形抗力指標(biāo)。金屬的彈性取決于拉伸時的彈性模量E和泊松比ν。ν表示彈性范圍內(nèi)試樣斷面收縮與縱向伸長之比，各種金屬的ν值波動在0.28~0.45之間，鋼的ν=0.3。

低碳鋼Q2350.24～0.28中碳鋼450.24～0.28低合金鋼16Mn0.25～0.30合金鋼40CrNiMoA0.25～0.30灰口鑄鐵

0.23～0.27遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

彈性模量取決于金屬的化學(xué)成分及溫度，有色金屬種類對彈性模量影響很大，常溫下其值波動在39~55GPa之間，而鋼為201~220GPa，鋼種的影響很小。通常金屬的彈性模量隨溫度的升高而減小，圖4-4為碳鋼和低合金鋼彈性模量E隨溫度的變化關(guān)系。低碳鋼Q235200～210中碳鋼45205低合金鋼16Mn200合金鋼40CrNiMoA210灰口鑄鐵60~162鋁合金

LY1271遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

可以看出，鋼在500℃時的E值比常溫下小30％，超過500~550℃時，碳鋼失去彈性而進(jìn)入塑性范圍。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

金屬的塑性指金屬在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力，它可用相對伸長率δ、斷面收縮率ψ、沖擊韌性αk來表示，δ、ψ和αk值越大，表示金屬的塑性越好。一般情況下，金屬的塑性隨著溫度的升高而增加，但如果材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或相態(tài)發(fā)生變化時，金屬的塑性可能出現(xiàn)波動，圖4-5為溫度對碳鋼塑性的影響曲線。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為塑性降低區(qū)，1、2、3為塑性增高區(qū)。Ⅰ區(qū)為低溫脆性區(qū)，由于低溫導(dǎo)致原子熱運(yùn)動能力變差所致。Ⅱ區(qū)為藍(lán)脆區(qū)，位于200~400℃范圍，是由于位錯被擴(kuò)散的碳、氮間隙原子錨固后形成柯垂耳氣團(tuán)導(dǎo)致的。Ⅲ區(qū)為紅脆（熱脆）區(qū)，位于800~950℃范圍，是由于鋼中的硫與鐵形成低熔點的FeS（熔點1190℃）在晶界析出造成的塑性和韌性下降。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安Ⅳ區(qū)為過熱過燒區(qū)，接近金屬的熔化溫度，晶粒迅速長大，晶界發(fā)生氧化，晶間強(qiáng)度大大減弱。區(qū)域1位于100~200℃范圍，塑性增加是由于溫度升高原子活動能力增強(qiáng)的緣故；區(qū)域2位于700~800℃范圍，塑性增加是由于回復(fù)和再結(jié)晶作用所致；區(qū)域3位于950~1250℃范圍，塑性增加是由于鋼的組織為均勻的奧氏體組織。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

塑性加工時金屬抵抗變形的能力稱為變形抗力。變形抗力與塑性是兩個不同的概念，塑性反映金屬變形的能力，變形抗力則反映金屬變形的難易程度，金屬的塑性好，變形抗力不一定低，反之亦然。通常用單向拉伸時的屈服極限σs作為金屬變形抗力的指標(biāo)，σs愈小表示其變形抗力愈小。當(dāng)金屬無明顯的屈服點時，一般以塑性變形0.2％時所對應(yīng)的應(yīng)力σ0.2來代替，有時也用強(qiáng)度極限σb代替高溫狀態(tài)下的σs值，因為這時σb和σs比較接近。

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安金屬的變形抗力一般隨溫度的升高而下降，圖4-6為低碳鋼在不同溫度下的拉伸曲線。從圖可知，隨溫度升高，低碳鋼的強(qiáng)度在300℃之前下降不多，超過300℃之后明顯下降。

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安§4.2

金屬的加熱缺陷

一.氧化二.脫碳三.過熱、過燒四.加熱溫度不均

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安加熱目的

提高金屬塑性，降低變形抗力，便于對其進(jìn)行熱加工。改善金屬錠或坯的內(nèi)部組織，使組織更均勻；使鋼錠或鋼坯內(nèi)外溫度均勻；改變金屬組織狀態(tài)，為相變做組織準(zhǔn)備。經(jīng)過冷加工的金屬一般會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，通過加熱使之發(fā)生再結(jié)晶后可以消除或減弱加工硬化程度，達(dá)到要求的使用性能；

由于加熱質(zhì)量直接影響軋材質(zhì)量、產(chǎn)量、成品率、能耗及設(shè)備（爐子和軋機(jī)）壽命，因此軋鋼生產(chǎn)中應(yīng)重視加熱工序。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安一.鋼的氧化1、氧化機(jī)理氧化鐵皮的形成是鋼中Fe與O元素之間的擴(kuò)散反應(yīng)的結(jié)果。氧化性氣氛主要來源：燃料、空氣、水等。氧化性強(qiáng)弱：

SO2>O2>H2O>CO2遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安2、氧化鐵皮層的結(jié)構(gòu)

最外層是Fe2O3熔點為1565℃,接著是Fe3O4熔點為1538℃，緊貼金屬表面的是FeO熔點為1377℃。因此可以認(rèn)為氧化鐵皮的平均成分接近Fe3O4，含鐵量為75％。

大致比例10％Fe2O3

＋50％Fe3O4＋40％FeO；

FeO是氯化鈉型離子晶體，具有天然的最大空隙率，容易被腐蝕；Fe3O4是具磁性的黑色晶體，是由Fe2+、Fe3+、O2-通過離子鍵組成的復(fù)雜離子晶體，離子間的排列方式與尖晶石構(gòu)型相仿，比較致密，難于腐蝕；Fe2O3晶體結(jié)構(gòu)為密排六方的剛玉型，難溶于酸。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安StripSteelSubstrateOxideLayerResin遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

鋼在加熱過程中，每加熱一次約有總重量0.5％~3%的氧化燒損量，加上熱加工過程中的二次氧化燒損時，可達(dá)到4％～5％以上。氧化燒損造成如下危害:

造成鋼的直接經(jīng)濟(jì)損失，提高生產(chǎn)成本；侵蝕爐體，造成爐體壽命降低；造成清理困難，增加工作量；造成鋼的表面質(zhì)量缺陷(表面麻點、表面裂紋)；惡化傳熱，降低了爐子的熱效率和生產(chǎn)率，增加加熱成本；

3、氧化燒損的危害遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安常溫干燥條件下很緩慢；溫度達(dá)到200～300℃時亦較慢，氧化物主要是Fe2O3；之后隨溫度升高氧化加快，若以900℃時的氧化量為1，則1000℃時的氧化量可達(dá)到2，1100℃時的氧化量為3.5，1300℃時的氧化量達(dá)到7，此時氧化鐵皮開始熔化，擴(kuò)散阻力減小，氧化速度大增。經(jīng)驗表明，600～1200℃范圍內(nèi)，碳鋼的氧化燒損量與溫度的關(guān)系為：4、影響氧化的因素（1）加熱溫度的影響g/cm2遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安圖4-5加熱溫度對燒損量的影響1－重油、天然氣、焦?fàn)t煤氣；2－高爐煤氣遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安（2）加熱時間的影響加熱時間越長，鋼的氧化燒損量越多，可由經(jīng)驗公式看到：因此，實際加熱時應(yīng)盡量縮短加熱時間，尤其是鋼在高溫階段的加熱時間越短越好。圖4-6燒損量與加熱時間的關(guān)系遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安（3）爐膛內(nèi)氣氛的影響

爐氣成份分取決于燃料成分、空氣消耗系數(shù)、燃料完全燃燒的程度等，爐氣成分一般包括CO2、N2、O2、H2O以及CO、H2、CH4等，有的甚至含有少量的SO2、H2S。

根據(jù)爐氣對金屬的氧化程度可將爐氣分為氧化性氣氛、中性氣氛、還原性氣氛;

屬于氧化性氣體的有O2、H2O、CO2、SO2等，其中SO2的氧化能力最強(qiáng)，其次是H2O、O2、CO2。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安（3）爐膛內(nèi)氣氛的影響屬于還原性氣體的有CO、H2、CH4、H2S。N2屬于中性氣氛，一般不與鋼發(fā)生反應(yīng)。爐氣對鋼的氧化需借助于平衡曲線來分析，即氣氛的性質(zhì)與CO/CO2

及H2/H2O的比值（平衡常數(shù)）有關(guān)。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安對Fe+CO2→FeO+CO↑反應(yīng)來說，當(dāng)t=1000℃時，

Kp=PCO/PCO2=2.84時，氧化和還原處于動態(tài)平衡狀態(tài)；Kp=PCO/PCO2＜2.84時，發(fā)生氧化；Kp=PCO/PCO2＞2.84時發(fā)生還原。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安對H2O+Fe=FeO+H2↑

反應(yīng)來說，原理同上，但Kp不同。對SO2+3Fe=2FeO+FeS來說，只要SO2存在就發(fā)生氧化反應(yīng)。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安爐氣的綜合影響實際生產(chǎn)中，普通軋鋼加熱爐在加熱時，CO及H2的濃度很小，爐氣均呈氧化性，故一般情況下都是發(fā)生氧化反應(yīng)。

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安（4）鋼的成分的影響一般含碳量增加，氧化燒損量下降；對于一般碳鋼，隨鋼中碳含量增加，氧化燒損率下降，可能是因為鋼中的碳優(yōu)先與氧反應(yīng)生成的CO阻礙了氧化性氣體的進(jìn)一步作用。

合金元素含量燒損增加，氧化燒損量下降；鋼中含有Cr、Ni、Si、Mn、Al等元素時，由于這些元素氧化后能生成致密的氧化膜，阻礙金屬原子向外擴(kuò)散，結(jié)果使氧化速度大大降低。不銹鋼、耐熱鋼在高溫下具有較強(qiáng)的抗氧化能力，就是因為生成了一層致密而不易脫落的氧化層阻止了繼續(xù)氧化的結(jié)果。如Cr19Ni10、Cr25Ni20、Cr18Ni25Si2、FeCrAl合金

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安快速加熱：減少鋼在高溫區(qū)停留時間，出爐后立即開軋，盡量避免高溫待軋。控制爐內(nèi)氣氛：控制空氣消耗系數(shù)；調(diào)解爐膛壓力，保持微正壓；注意爐體密封；使用保護(hù)氣層：在出料端送入還原性氣體。采用保護(hù)涂料：鋼坯表面涂涂料。使鋼料與氧化性氣氛隔絕：馬弗爐，輻射管，如圖。敞焰無氧化加熱：高發(fā)熱量的燃料分兩段燃燒，前期不完全燃燒，后期完全燃燒。5、減少氧化的措施遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安1、脫碳機(jī)理脫碳是爐氣中的H2O、CO2、O2、H2與鋼中Fe3C擴(kuò)散反應(yīng)造成鋼的表面層含碳量下降的現(xiàn)象。Fe3C+H2O=3Fe+CO

+H2↑Fe3C+CO2=3Fe+2CO↑Fe3C+O2=6Fe+2CO↑Fe3C+2H2=3Fe+CH4↑脫碳?xì)夥諒?qiáng)弱：H2O

>CO2

>O2>H2二.鋼的脫碳遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安二.鋼的脫碳Purityferritelayer(Decarburizationlayer)遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安脫碳的危害脫碳后最明顯的是表面硬度下降，彈簧鋼的疲勞強(qiáng)度降低，需要淬火的鋼還容易出現(xiàn)表面裂紋。要清除鋼的脫碳層需增加額外的工作量。合金鋼中除不銹鋼外大多屬于高碳鋼，工具鋼、滾珠軸承鋼、彈簧鋼等都不希望發(fā)生脫碳現(xiàn)象,脫碳都被認(rèn)為是缺陷。

電工鋼要求脫碳：脫碳后可提高磁性能；因此，為提高鋼材的合格率，減少由于脫碳造成的廢品量，有必要掌握脫碳的規(guī)律，以減少或防止脫碳現(xiàn)象的發(fā)生。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安2、影響脫碳的因素加熱溫度：溫度越高，脫碳程度越深。鋼的脫碳速度取決于碳原子向外擴(kuò)散速度，碳的擴(kuò)散服從菲克第二定律，即

式中D為擴(kuò)散系數(shù)，x為距表面的深度，cm。D是溫度的函數(shù)，其值隨溫度增加而增加，當(dāng)鋼中碳含量為0.1~1%時，在750~1250℃時，γ-Fe中擴(kuò)散系數(shù)為遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安圖4-19為不同鋼種在不同溫度下可見的脫碳層厚度的變化。從圖中可以看到，曲線1和2隨著溫度增加，可見脫碳層厚度幾乎呈直線增加，但曲線3和4卻呈現(xiàn)有“峰值”的曲線。導(dǎo)致這種情況的原因是脫碳速度受到氧化速度的影響，當(dāng)氧化速度大于脫碳速度時，可以減少鋼的脫碳。此外，在加熱爐中溫度對脫碳的影響還表現(xiàn)在爐溫的均勻性上，局部高溫可能造成大量脫碳。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安加熱時間：低溫下脫碳程度差，高溫下時間越長，脫碳程度深；一般不允許易脫碳鋼在高溫保溫待軋，遇有故障停軋時應(yīng)及時將鋼坯退出爐外。

鋼的成分：含碳越高，越容易脫碳；Al、Co、W促進(jìn)脫碳，Cr、Mn、B減少脫碳，Ni、Si、V影響不大。一般情況下，凡能生產(chǎn)結(jié)實致密氧化鐵皮時就可減少脫碳，反之則增加脫碳。常見的碳素工具鋼、模具鋼、硅彈簧鋼、滾珠軸承鋼、高速鋼等均是易脫碳鋼。

爐內(nèi)氣氛：氧化性和還原性氣氛都能引起鋼的脫碳。但還原性氣氛引起的脫碳程度要小一些。N2是中性氣氛，CO和CH4具有還原性，能使鋼表面發(fā)生增碳。但由于加熱爐燃燒產(chǎn)物中的CO和CH4含量很少，故不論是氧化性氣氛還是還原性氣氛都屬于脫碳?xì)夥铡?/p>

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安3、減小脫碳的措施

前述減少鋼氧化的措施也適用于減少脫碳。例如采取“低溫軋制”技術(shù)，在接近鋼的加熱溫度的下限進(jìn)行軋制，在低溫下（＜900℃）緩慢加熱，盡量使鋼坯斷面溫度均勻，在高溫下快速加熱，盡量縮短鋼在高溫下的停留時間，出爐后立即開軋，達(dá)到減少脫碳的目的；遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安3、減小脫碳的措施另外，對脫碳鋼應(yīng)正確選擇加熱溫度，避開其脫碳峰值范圍，甚至使其氧化速度大于脫碳速度，以減少脫碳。最有效的辦法是在控制氣氛下進(jìn)行加熱，即將鋼放置于[C]濃度較高的氣氛下加熱。加熱工藝中的一個特例是對硅鋼的加熱，硅鋼必須在脫碳?xì)夥障逻M(jìn)行加熱，以獲得良好的電磁性能。

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過熱：如果鋼的加熱溫度超過臨界溫度Ac3過多，并在此高溫下停留時間過長，鋼內(nèi)部的晶粒過分長大，晶粒之間的結(jié)合力減弱，鋼的機(jī)械性能顯著降低，這種現(xiàn)象叫做鋼的過熱。三.鋼的過熱和過燒碳鋼過熱后出現(xiàn)的魏氏組織

過熱的鋼在軋鍛時容易產(chǎn)生裂紋，特別是在坯料的棱角、端頭部位尤為顯著。在熱處理時，過熱常使淬火零件內(nèi)應(yīng)力增大，產(chǎn)生變形或開裂。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

鋼的過熱不僅取決于加熱溫度，而且與加熱時間、鋼的成分和初始晶粒度有關(guān)。

合金元素大多可以減小晶粒的長大趨勢，故一般合金鋼的過熱敏感性比碳素鋼低一些，細(xì)晶粒鋼的過熱敏感性比粗晶粒鋼的過熱敏感性低一些。由于產(chǎn)生過熱的直接原因是加熱溫度偏高和待軋保溫時間過長，因此為避免鋼的過熱缺陷，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和加熱時間，當(dāng)軋機(jī)發(fā)生故障時，在待軋時間內(nèi)必須適當(dāng)降低爐溫。

防止辦法：禁止高溫區(qū)停留時間過長。采取的補(bǔ)救措施：正火或退火處理。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安過燒：加熱溫度高于過熱溫度，晶粒長大且晶粒周圍晶界處低熔點物質(zhì)開始熔化，氧進(jìn)入晶界，促進(jìn)晶界熔融，使晶界結(jié)合力大降，塑性變壞、加工中開裂。過燒主要受以下因素影響：（1）加熱溫度越高和高溫停留時間越長就越容易發(fā)生過燒。（2）爐膛內(nèi)氧化性氣氛越強(qiáng)越容易發(fā)生過燒，還原性氣氛下過燒的溫度一般比氧化性氣氛時高60~70℃。（3）鋼的含碳量越高，發(fā)生過燒的溫度越低。50A鋼過燒后的組織

遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

與過熱相同，發(fā)生鋼的過燒也是在高溫區(qū)停留時間過長導(dǎo)致，例如軋機(jī)發(fā)生故障、換輥等，因此，遇到這種情況應(yīng)及時采取措施，設(shè)法降低爐溫并減少進(jìn)入爐膛內(nèi)的空氣量。

過燒的鋼無法補(bǔ)救，只能重熔。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安現(xiàn)象：沿鋼坯斷面上溫度不均勻（內(nèi)外溫度不均）、沿鋼坯長度上溫度不均勻、鋼坯上下面溫度不均勻、角部溫度過高、頭尾溫度偏低等現(xiàn)象。產(chǎn)生后果：板形不良、內(nèi)裂、表面裂紋、沿長度上周期性超差、頭尾超差、產(chǎn)生角部裂紋等現(xiàn)象。四.鋼的加熱溫度不均勻遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安現(xiàn)象：由于操作不慎，坯料表面溫度過高，可能使氧化鐵皮熔化，如果持續(xù)時間過長，可能導(dǎo)致過熱過燒。表面熔化的鋼容易產(chǎn)生粘結(jié)，粘結(jié)嚴(yán)重的鋼出爐后分不開，甚至不能軋制。此外，表面燒化的鋼出爐后容易暴露皮下氣孔，導(dǎo)致氣孔內(nèi)壁氧化，產(chǎn)生表面發(fā)裂缺陷。粘鋼一般多發(fā)生在推鋼式加熱爐上，由于加熱溫度較高，裝料較多，推力較大，長時間加熱時極易粘鋼。粘結(jié)在一起的鋼應(yīng)使用撬棍及時撬開，并及時調(diào)整爐溫。

產(chǎn)生后果：粘鋼、表面裂紋、龜裂、發(fā)裂、過熱、過燒等。五.表面燒化及粘鋼遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安現(xiàn)象：表面裂紋和內(nèi)部裂紋。

表面裂紋：往往由于原料表面缺陷（皮下氣泡、夾渣、裂紋等）或溫度應(yīng)力作用引起。

內(nèi)部裂紋：由于加熱過快或裝爐溫度過高引起。尤其對高碳和高合金鋼可能性更大。產(chǎn)生后果：軋后表面產(chǎn)生缺陷、軋裂、軋斷等。六.加熱裂紋遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安§4.3

金屬的加熱工藝一、加熱溫度二、加熱速度三、加熱制度（供熱制度）四.、加熱時間遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安加熱溫度：指金屬加熱完畢后出爐時的表面溫度。選取依據(jù)：加熱溫度主要根據(jù)熱加工工藝要求、金屬的塑性和變形抗力等性質(zhì)、熱加工設(shè)備性能以及能量消耗等方面來確定。一般來說，鋼的加熱溫度需要參考Fe-C合金狀態(tài)圖、塑性圖、變形抗力圖、再結(jié)晶圖，同時考慮熱加工工藝、產(chǎn)品質(zhì)量以及能量消耗等方面綜合確定。

一、鋼的加熱溫度的確定

鐵碳合金中的Fe和C可形成鐵素體（F）、奧氏體（A）、滲碳體、貝氏體、馬氏體等。這些基本相以機(jī)械混合物的形式結(jié)合還可形成珠光體（P）和萊氏體（Le)等組織。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安1、Fe-C狀態(tài)圖單相奧氏體具有最好的塑性，Tmax

比固相線低100～150℃，Tmin

由終軋溫度（一般在850℃左右）決定，應(yīng)在Ac3

以上30～50℃，但也不能太高，否則軋后晶粒過分粗化，力學(xué)性能降低。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

根據(jù)終軋溫度再考慮到鋼在出爐和加工過程中的熱損失，便可確定鋼的最低加熱溫度。終軋溫度對鋼的組織和性能影響很大，終軋溫度越高，軋后晶粒聚集長大的傾向越大，奧氏體晶粒越粗大，鋼的力學(xué)性能越低。所以，終軋溫度也不能太高，最好在850℃左右，不要超過900℃，也不要低于700℃。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

另外，對微合金鋼來說，還應(yīng)注意微合金元素的溶解和析出效應(yīng)。在軋制溫度范圍內(nèi),各化合物的溶解度由低到高排列為:TiN、AlN、NbN、TiC、ⅤN、NbC、ⅤC。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安圖表明鈮、釩、鈦的溶解度與碳及氮含量的關(guān)系。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安鈮在碳錳鋼中的一般溶解度關(guān)系可用下式表示:lg[Nb][C]=-6770/T+2.261g[Nb][C+12/14N]=-6770/T+2.26lg[Nb][N]=-8500/T+2.80釩在碳錳鋼中的一般溶解度關(guān)系：lg[V][N]=-8830/T+3.46lg[V][C]=-9500/T+6.72釩的溶解與錳含量有一定關(guān)系:1g[V][N]=-8830/r+3.46+0.12%Mn鈦在一般碳錳鋼中的溶解度關(guān)系:lg[Ti][C]=-7000/T+2.75lg[Ti][N]=-15200/T+3.9遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

變形奧氏體中Nb(C、N)的析出狀態(tài)在變形中析出Nb(C、N)的過程是動態(tài)析出過程。只有當(dāng)變形速度很低的情況下,才能產(chǎn)生這種析出相。另外在變形過程中析出的碳化物也難以和變形后快速冷卻下析出的碳化物區(qū)分開。變形后停留時間里的析出為靜態(tài)析出過程。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

變形使微合金碳氮化物在奧氏體中的溶解度積降低,也就是變形使過飽和度加大，使析出量加大，而且析出溫度越高,這種差異就越大。從圖4-5中可以看到，變形使鋼中Nb的析出大大加快，而且隨著變形后停留時間的延長，析出量不斷增加。在900℃變形后,析出的質(zhì)點非常小,為3~5nm，而在900~1000℃析出的Nb(C、N)約為5~12.5nm，在1000~1200℃之間析出的Nb(C、N)約為11.5~27nm。一般看來，在熱軋短時間內(nèi)Nb(C、N)析出量是不大的。但是如延長軋后停留時間，例如軋后將試樣冷卻到相變溫度前并淬水，此時試樣中的Nb(C、N)析出量很多。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

對高合金鋼來說，合金元素的加入對加熱溫度影響很大，表現(xiàn)在合金元素對奧氏體區(qū)域和碳化物的影響。某些合金元素，如鎳、銅、鈷、錳，它們具有與奧氏體相同的面心立方晶格，都可無限溶于奧氏體中，使奧氏體區(qū)域擴(kuò)大，鋼的終軋溫度可以相應(yīng)低一些，同時因為提高了固相線，開軋溫度（最高加熱溫度）可以適當(dāng)高一點。另外一些合金元素，如鎢、鉬、鉻、釩、鈦、硅等，它們的晶格與鐵素體相同，可無限溶于鐵素體中，它們的加入縮小了奧氏體區(qū)域，要保證終軋溫度還在奧氏體單相區(qū)內(nèi)，就要提高鋼的最低加熱溫度。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

另外，一些高熔點合金元素的加入，如鎢、鉬、鉻、釩等，與鋼中的碳結(jié)合形成碳化物，碳化物的熔點很高，可以適當(dāng)提高這類鋼的加熱溫度。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安2、塑性圖：尋找塑性最高和變形抗力最低的溫度區(qū)加工。W18Cr4V高速鋼的塑性圖由圖可見：在900~1200℃范圍內(nèi)具有最好的塑性，故可將鋼錠加熱溫度定在1230℃，超過此溫度，鋼錠將產(chǎn)生裂紋。變形終了溫度不應(yīng)低于900℃，否則鋼的強(qiáng)度顯著增大。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安盡量避開脆性的溫度區(qū)

碳鋼的塑性隨溫度變化圖溫度，℃塑性圖中用I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低區(qū)域(凹谷)，用1、2、3表示塑性增高區(qū)域(凸峰)。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安盡量避開脆性的溫度區(qū)遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安3、變形抗力圖：應(yīng)使變形處于抗力最小的溫度區(qū)間。在不同變形溫度和變形速度條件下含碳量對碳鋼變形抗力的影響（實線為靜壓縮，虛線為動壓縮）遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安4、再結(jié)晶圖：加熱溫度保證軋制在規(guī)定的再結(jié)晶區(qū)域進(jìn)行高溫下加熱時，晶粒的長大傾向較大。變形前的晶粒度越大，變形后也越大。終軋溫度不能太低。因高溫合金具有再結(jié)晶溫度高、再結(jié)晶速度低及硬化傾向大等特點，終軋溫度太低再結(jié)晶不完全，組織不均勻，產(chǎn)生帶狀組織和高殘余應(yīng)力。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安5、工藝方面：工藝道次多（可逆軋制、開坯軋制時）T↑；軋制速度高（高線軋制）T↓穿軋T↓；硅鋼加熱應(yīng)適當(dāng)提高溫度；6、鋼的成分：鋼中含擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素（如Ni、Cu、Co、Mn）時，可適當(dāng)降低加熱溫度；鋼中含縮小奧氏體區(qū)的元素（如W、Mo、Cr、V、Ti、Si）時，可適當(dāng)提高加熱溫度；鋼中含碳化物形成元素（如W、Mo、Cr、V、Ti、Nb）時，可適當(dāng)提高加熱溫度。7、能量消耗方面：從節(jié)約能量角度，盡量降低加熱溫度。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安二、鋼的加熱速度的確定加熱速度：指單位時間內(nèi)，金屬表面溫度升高的度數(shù)?！?h℃/minmm/minmin/mm

選取依據(jù)：生產(chǎn)率；加熱質(zhì)量；爐子的供熱；鋼的塑性等。一般期望提高生產(chǎn)率，但受系統(tǒng)供熱條件及鋼坯應(yīng)力影響。首先是熱應(yīng)力：加熱時外部首先受熱膨脹，內(nèi)部溫度低，造成內(nèi)部受拉應(yīng)力，外表面受壓應(yīng)力狀態(tài)。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安

除了加熱時內(nèi)外溫差所造成的熱應(yīng)力外，金屬在冷卻過程中，由于表面冷卻較快產(chǎn)生收縮，中心冷卻較慢妨礙表面收縮，因此，表面受張應(yīng)力，中心受壓應(yīng)力，不過此時金屬溫度較高，金屬本身會通過塑性變形而使溫度應(yīng)力得到松弛。等到表面冷卻到周圍介質(zhì)溫度，而中心溫度尚高時，中心溫度的進(jìn)一步降低就會對表面施加壓應(yīng)力，此時中心則受到表面層的張應(yīng)力作用，等到整個金屬內(nèi)外溫度完全相等時，在金屬內(nèi)部仍然存在應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小還和其它因素有關(guān)，如鋼中的氣體，尤其是氫氣危害更大，可能引起很大的殘余應(yīng)力。遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院井玉安鋼中的偏析、縮孔、夾渣、碳化物等均能造成殘余應(yīng)力，有些鋼錠（如硅鋼），當(dāng)冷卻速度較大時內(nèi)應(yīng)力較大，甚至可以聽到聲音。為了減小鋼錠或鋼材在冷卻時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，實際生產(chǎn)中常采取緩冷或退火處理。此外，金屬在冷卻過程中產(chǎn)生相變時，常常伴有體積變化，如鋼淬火時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積膨脹也會造成不同部位之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，稱為組織應(yīng)力。這些應(yīng)力如果很大，也會使金屬產(chǎn)生裂紋或斷裂。

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實踐表明，單純的溫度應(yīng)力往往還不致引起金屬的破壞，大部分破壞