低碳钢晶粒亚微米化的控轧控冷工艺研究

摘要

21世纪钢铁仍是占主导地位的结构材料，没有一种材料能够全面代替钢铁。经济建设和社会发展要求大幅度提高钢的强韧性，所以在强调减量化的现代钢铁工业生产中，高附加值产品的开发越来越重要。由于细晶强化方式能够保证材料既提高强度又不降低韧性，所以在新一代钢铁材料的研发过程中受到各国科研工作者的普遍关注。
　　本文以低碳结构钢（低碳钢+微合金化钢）为对象研究了不同原始组织下不同加热过程和轧制冷却过程中实现最终生成组织晶粒超细化乃至亚微米化的工艺方法，并且对其在快速加热和短时保温情况下的高温变形行为和组织进行分析，探讨不同工艺因素对超细晶奥氏体的热变形行为和α(←→)γ相变的影响;另外，在实验室现有条件下尝试轧制生产了亚微米结构钢，研究取得如下成果:
　　(1)研究了不同加热速度和保温时间以及轧制温度对低碳钢和微合金钢的组织晶粒大小的影响。实验结果表明，低碳钢在加热速度50℃/s及以上1050℃保温1S情况下，800℃变形可得最细化组织约为4μ m，含Ti微合金化TRIP钢在100℃/s加热速度，900℃保温1s情况下，650～750℃形变，可得晶粒尺寸0.4μm左右亚微米组织。
　　(2)利用快速加热-短时保温-Ar3温度附近大变形量轧制工艺进行了细化最终组织晶粒的实验研究。结果表明影响组织的因素较多，主要包括加热前原始组织、加热速度、加热温度、保温时间、变形温度和冷却过程，是一个多工艺参数耦合的过程。
　　(3)利用热模拟实验机研究了影响快速加热轧制工艺条件下最终组织晶粒的影响因素，实验结果表明，对原始组织、加热速度、保温时间和加热温度以及变形温度和冷却过程的控制至关重要，其中以400℃温轧铁素体+珠光体最为有利;含Ti钢同种工艺下组织细小程度优于含V钢，TRIP钢性能优于Nb-V-Ti钢，微合金钢性能优于普碳钢。加热速度越快，保温时间越短，加热温度越低，最终得到晶粒尺寸越细小，对冷却工艺控制可达相变强化作用。
　　(4)研究了快速升温后得到亚微米晶低碳结构钢的高温应力应变曲线，和连续升温降温相变曲线。在连续升温相变区间中:实验钢试样随升温速率的增加，相变起始温度、结束温度升高;Ac1和Ac3之间的温差随着升温速度的提高逐渐缩小;Ti元素相比于V元素有利于加快铁素体→奥氏体相变的发生;温轧后保温有利于推迟铁素体→奥氏体相变的发生，加速铁素体→奥氏体相变的完成。在连续降温相变区间中:加热保温时间延长会推迟奥氏体→铁素体相变的发生与完成;Ti元素相比于V元素有利于加快奥氏体→铁素体相变的发生，V元素有利于奥氏体→铁素体相变的完成;温轧后保温有利于推迟奥氏体→铁素体相变的发生与完成。
　　(5)实验室条件下进行了高强度钢的工艺探索，利用温轧结合快速升温等工艺方法制备了晶粒尺寸约为0.6～0.8μ m的Nb-V-Ti复合微合金高强钢和晶粒尺寸为0.6μ m的含Ti微合金化高强钢样品。两者抗拉强度都可达1000MPa左右甚至以上，Nb-V-Ti钢屈强比较高，TRIP钢轧后淬火试样强度较高，轧后空冷试样延伸率较好，综合分析最佳轧制工艺为保温温度930℃轧制温度为750℃，TRIP轧制后空冷所得到试样力学性能优于轧后淬火，从延伸率角度考虑，可以采取贝氏体转变线附近等温转变获得大量的贝氏体与残余奥氏体来提高材料强塑积。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外超细晶钢的发展现状

1．2．1 国外超细晶钢现状

1．2．2 国内超细晶钢现状

1．2．3 现阶段超细晶钢主要制备方法

1．2．4 现阶段超细晶钢研究存在的问题

1．3 钢在加热过程中的奥氏体超细化影响因素

1．3．1 化学成分对奥氏体超细化的影响

1．3．2 原始组织对奥氏体超细化的影响

1．3．3 加热速度对奥氏体超细化的影响

1．3．4 加热温度和保温时间对奥氏体超细化的影响

1．4 两相区控轧控冷技术对奥氏体→铁素体相变过程影响

1．4．1 奥氏体晶粒尺寸对相变铁素体的影响

1．4．2 两相区控制轧制在铁素体相变过程中的作用

1．4．3 控制冷却对铁素体相变的影响

1．5 本文工作背景和研究内容

1．5．1 本文工作背景

1．5．2 本文研究内容

第2章 加热参数对低碳钢晶粒超细化的影响

2．1 实验方法

2．1．1 实验材料与实验设备

2．1．2 单道次压缩实验方案

2．2 单道次变形实验结果分析

2．2．1 形变温度对最终组织的影响

2．2．2 加热速度和保温时间对试样组织的影响

2．3．低碳结构钢组织细化的可行性分析

2．4 本章小结

第3章 快速升温亚微米TRIP钢高温变形行为研究

3．1 实验材料及方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．2 高温变形过程的动态行为

3．3 讨论

3．3．1 变形抗力的影响因素

3．3．2 变形温度与铁素体晶粒度的对比

3．3．3 渗碳体形态对晶粒度的影响

3．4 本章小结

第4章 低碳结构钢晶粒亚微米化研究

4．1 实验方法

4．1．1 实验材料与实验设备

4．1．2 实验方案

4．2 连续升温转变曲线实验研究

4．2．1 连续升温相变

4．2．2 连续冷却转变相变曲线实验研究

4．3 单道次压缩亚微米晶实验结果

4．4 讨论

4．4．1 变形温度的控制对晶粒细化的必要性

4．4．2 微合金元素在晶粒亚微米化中的作用

4．4．3 亚微米晶在控制冷却中的相变机制

4．5 本章小结

第5章 低碳钢亚微米化的控轧控冷工艺探索

5．1 实验材料及方法

5．1．1 实验材料及设备

5．1．2 实验方案

5．2 Nb-V-Ti微合金化钢的超细晶化

5．2．1 显微组织

5．2．2 力学性能

5．3 Ti微合金化TRIP钢的超细晶化

5．3．1 P-Q工艺下实验结果

5．3．2 R-A工艺下实验结果

5．4 亚微米晶高强钢强韧性的影响因素

5．4．1 原始组织对强韧性的影响

5．4．2 加热温度对强韧性的影响

5．4．3 变形温度对强韧性的影响

5．4．4 控制冷却相变对最终强韧性的影响

5．5 实验室生产低碳亚微米晶高强钢的可行性分析

5．6 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文