屈服强度390MPa级低合金钢的组织演变与力学性能研究

摘要

近年来，伴随着控轧控冷技术和微合金化技术的不断发展与成熟，高强度低合金钢技术在钢铁行业中得到了快速发展并取得了大量的研究成果。高强度低合金钢主要用于建筑结构、工业厂房、起重运输及其他载荷较高的焊接结构件。最具代表的是Q345高强度低合金钢。但是随着建筑、加工等行业的发展，用户对材料的强度、焊接、成型等性能的要求越来越高。在某种程度下，Q345已不能满足用户对钢材力学性能的要求。开发和生产更高级别强度的低合金钢是一种必然的趋势。Q390以其良好的综合力学性能，而广泛应用于建筑、桥梁、锅炉、石油储罐及其他较高载荷的焊接结构件等。由于Q390钢中添加较多的合金元素Mn和微合金元素Nb、V、Ti，其生产成本较高。因此开发一种低成本的屈服强度为390MPa级的低合金钢具有重要的意义。 基于此，本文对Q390的化学成分进行了重新设计:将钢中Mn的含量控制在0.9％以下，同时省去钢中贵重的微合金元素Nb和V，仅添加适量的廉价的Ti。通过Ti的细晶强化和析出强化并结合控轧控冷工艺实现了屈服强度390MPa级低合金钢的低成本、低负荷和高效率生产。本文利用热模拟实验、热轧实验结合力学性能检测及显微组织分析技术，对实验钢的控轧控冷工艺、组织演变和力学性能进行了系统的研究，为工业生产提供实验数据和控制思路。本文的主要研究工作及研究结果如下: (1)通过单道次压缩实验，对实验钢奥氏体的高温变形行为进行了研究，并建立了实验钢的变形抗力模型和动态再结晶动力学模型。结果表明:在加工硬化阶段，变形抗力随着变形速率和变形程度的增加、变形温度的降低而增大;低的应变速率、高的变形温度和大的变形量促进了再结晶的发生;根据实验数据回归得到了实验钢的动态再结晶激活能为Qd=257.142kJ/mol;经过实验数据的验证，变形抗力模型和动态再结晶动力学模型具有较高的精度。 (2)通过热模拟实验，对实验钢的动态连续冷却相变行为进行了研究，绘制了实验钢的动态CCT曲线。结果表明:随着冷却速度的增大，实验钢的A3温度逐渐下降、铁素体和珠光体的含量逐渐减少、贝氏体含量逐渐增多且组织更加细小，同时宏观硬度值逐渐增大。 (3)通过控轧控冷工艺热模拟实验，研究和分析了冷却速度和卷取温度对实验钢组织性能的影响。结果表明:随着冷却速度的增大和卷取温度的降低，铁素体和珠光体含量逐渐减少、贝氏体含量逐渐增多且组织逐渐细化、硬度逐渐增大;随着卷取温度的降低，第二相粒子TiC的析出量略有减少、平均粒子尺寸逐渐减小、精细组织中珠光体片层间距以及铁素体板条宽度逐渐减小。 (4)通过热轧实验，研究和分析了控轧控冷参数工艺对实验钢的组织性能的影响。结果表明:随着冷却速度的增加、卷取温度和终轧温度的降低，实验钢的组织逐渐变得细小，强度逐渐提高，延伸率逐渐降低;当卷取温度控制在480～630℃范围内，冷却速度控制在26～70℃/s范围内，终轧温度取860℃左右时，能获得良好的综合力学性能，均能达到Q390低合金钢的力学性能要求。在国内某钢厂对屈服强度390MPa级低合金钢进行工业生产试制，实现了屈服强度390MPa级低合金钢的低成本、批量、稳定生产。

目录

声明

摘要

1．1前言

1．2高强度低合金钢的概述

1．2．1高强度低合金钢中各化学元素的作用

1．2．2高强度低合金钢的强韧化机制

1．2．3高强度低合金钢在国内外的发展及趋势

1．3控制轧制与控制冷却技术

1．3．1控制轧制技术

1．3．2控制冷却技术

1．3．3基于超快冷的新一代控轧控冷技术

1．4本文的研究背景及意义

1．5本文的研究内容

第2章实验钢高温奥氏体的变形行为研究

2．1．1实验材料

2．1．2实验方法

2．2实验结果及分析

2．2．1变形温度对变形抗力的影响

2．2．2变形量对变形抗力的影响

2．2．3变形速率对变形抗力的影响

2．3．1变形抗力模型的建立

2．3．2变形抗力模型的验证

2．4动态再结晶动力学模型的建立及验证

2．4．1模型特征值的确定

2．4．2动态再结晶激活能和Z参数的确定

2．4．3动态再结晶动力学模型的建立

2．4．4变形量对奥氏体再结晶的影响

2．4．5动态再结晶动力学模型的验证

2．5本章小结

第3章实验钢的动态连续冷却相变行为研究

3．1．1实验材料

3．1．2实验方案

3．2实验结果及分析

3．2．1相变温度点的确定

3．2．2动态CCT曲线的绘制

3．2．3冷却速度对实验钢Ar3的影响

3．2．4冷却速度对实验钢组织的影响

3．2．5冷却速度对实验钢宏观硬度的影响

3．3本章小结

第4章控轧控冷工艺热模拟实验研究

4．1实验材料和方案

4．2实验结果与分析

4．2．1冷却速度和卷取温度对组织的影响

4．2．2冷却速度和卷取温度对硬度的影响

4．2．3卷取温度对第二相粒子析出的影响

4．2．4卷取温度对精细组织的影响

4．3本章小结

第5章实验钢热轧实验研究

5．1．1实验设备

5．1．2实验材料

5．2实验方案

5．3实验结果及分析

5．3．1显微组织观察结果

5．3．2力学性能检测结果

5．4控轧控冷工艺对组织性能的影响

5．4．1冷却速度对组织性能的影响

5．4．2卷取温度对组织性能的影响

5．4．3终轧温度对组织性能的影响

5．5热轧钢板的冲击韧性分析

5．6屈服强度390MPa级低合金钢的工业生产试制

5．6．1力学性能检测结果

5．6．2冲击韧性分析

5．6．3钢中第二相粒子的析出情况

5．6．4显微组织观察

5．6．5自然时效分析

5．7本章小结

第6章结论

参考文献

致谢