低碳铌微合金钢中厚板生产工艺和表层超细晶技术研究

摘要

控制轧制和控制冷却技术作为20世纪以来钢铁业最伟大的成就之一，还有很大的提高空间，尤其是对控制冷却技术的改进，涌现出许多先进的技术，如超快速冷却技术，冷却路径的精细化控制技术等。此外，以组织超细化为核心的“新一代钢铁材料”更是要求通过超细晶化技术使现有钢材强度翻一番。基于以上考虑，本文以普通低碳铌微合金钢为研究对象，探求提高钢种强度级别的控轧控冷技术。模拟实验用钢的主要成分为:0.14～0.17％C,1.35～1.45％Mn,0.30～0.40％Si,0.030～0.035％Al和0.024～0.030％Nb。本文的主要工作及研究成果如下:
　　1.高强度低合金结构钢中厚板的研发
　　(1)由热模拟实验得到了实验钢种高温奥氏体变形抗力模型、动静态再结晶行为及连续冷却转变规律。实验室热轧实验结果表明:随着冷却速度的增大或终冷温度的降低或精轧开轧温度的降低，实验钢晶粒尺寸细化，强度增大，混晶程度加重，塑性降低。精轧低温开轧利于韧性提高。
　　(2)建立了中厚板轧制的直角坐标系连续速度场，用应变速率矢量内积得到了轧制总功率泛函、轧制力及轧制力矩模型。热轧实例分析表明，该模型具有较高精度，各道次的轧制力及力矩的偏差均值小于8％，可应用于轧制规程的预设定。
　　(3)依据某厂现有生产条件及上述研究结果，通过微调实验钢种的成分和合理地设计控轧控冷工艺，成功地开发出50mm以下Q390级和40mm以下Q460级高强度低合金钢中厚板，并确定了工业生产工艺。
　　2.超快冷与快冷相结合的分段式控冷工艺的研究
　　(1)分段式冷却热模拟实验表明，分段式冷却的第一阶段主要是控制先共析铁素体的含量和晶粒尺寸，冷速越大晶粒尺寸越小，含量越低;终冷温度越低，铁素体相变程度越大。第二阶段主要是控制相变产物的组成，低冷速下获得铁素体+珠光体组织，铁素体含量相对较高;而高冷速下获得铁素体+贝氏体组织，贝氏体含量相对较高。
　　(2)采用“超快冷→快冷”模式较“快冷→超快冷”模式的12mm试轧板，强度级别由500MPa提高至550MPa，屈强比由0.81～0.85增大至0.85～0.86，塑性和韧性变化不大，延伸率约23％;组织中铁素体含量相对较低但晶粒尺寸相对较小，退化珠光体的退化程度相对较弱;常规一段式超快冷模式下获得细晶粒铁素体-珠光体钢和贝氏体钢，12mm板强度级别可达到600MPa级，屈强比大于0.88，延伸率约18％。相对于一段式超快冷模式，分段冷却模式下获得的试轧板虽然强度有所降低，但保证了较高的塑性和较低的屈强比，具有较大的实用优势。
　　3.表层超细晶中厚板制备工艺的研究
　　(1)通过制备表层超细晶的热循环—机械处理热模拟实验，得到了变形条件下的本构方程和热变形方程，其中变形激活能Q=430.984 KJ/mol，应力因子α=0.0036;在铁素体+奥氏体两相区变形时，铁素体晶粒发生明显的超细化，其细化机制为初始铁素体连续动态再结晶和过冷奥氏体的应变诱导铁素体相变，并且在铁素体不稳定区域发生逆相变;在高温回火贝氏体温度区域变形时，则先发生晶界渗碳体的球化和晶内渗碳体的诱变诱导析出及粗化，变形过程中同时发生铁素体动态再结晶，并有两类机制:在渗碳体粒子附近区域的粒子激发形核的不连续动态再结晶机制和无渗碳体粒子区域的连续动态再结晶机制;二次升温阶段大量弥散析出的尺寸小于10nm的NbC，具有延缓组织软化进程的作用。
　　(2)采用“中间坯加速冷却—轧制—轧后加速冷却”工艺轧制出具有表层超细晶铁素体特征的11mm和20mm试轧板，超细晶表层最大厚度分别为1.2mm和3.0mm，大部分铁素体晶粒小于2岬，其晶界上弥散析出大量的渗碳体粒子;自钢板表面至心部，超细晶铁素体所占比例降低，心部的晶粒尺寸为5μm～10μm;最大屈服强度分别是640MPa和584MPa，具有良好的塑性和低温韧性。
　　(3)表层铁素体超细化机制为高温回火贝氏体铁素体或先共析相变铁素体或应变诱导相变前期生成的铁素体的动态再结晶、过冷奥氏体应变诱导铁素体相变以及超细晶铁素体晶界上的渗碳体粒子对晶粒长大的抑制作用。
　　(4)有利于获得表层超细晶铁素体的工艺有:在实施中间坯加速冷却前通过再结晶区或未再结晶区轧制获得细化的或加工硬化态的奥氏体晶粒;促使中间坯加速冷却前奥氏体中固溶Nb的析出;增大中间坯加速冷却后轧制阶段的压缩比;增大中间坯厚度和表层过冷程度并在返红过程中实施轧制;降低轧后冷却终冷温度和增大冷却速度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 TMCP—微合金高强度钢生产工艺

1．2．1 TMCP工艺

1．2．2 NG-TMCP技术

1．3 超细晶粒钢的研究

1．3．1 晶粒细化与强韧型的关系

1．3．2 铁素体晶粒超细化技术

1．3．3 形变诱导铁素体相变

1．3．4 铁素体动态再结晶

1．4 表层超细晶钢中厚板的研究概况

1．5 本文研究的目的、意义及内容

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 研究内容

第2章 奥氏体高温变形行为及连续冷却相变的研究

2．1 实验材料、设备及方案

2．1．1 实验材料与设备

2．1．2 奥氏体高温变形实验方案

2．1．3 奥氏体连续冷却相变实验方案

2．2 奥氏体高温变形实验结果分析及讨论

2．2．1 单道次压缩实验结果

2．2．2 双道次压缩实验结果

2．2．3 动态再结晶模型及激活能

2．2．4 静态再结晶动力学模型及激活能

2．2．5 变形抗力模型

2．3 奥氏体连续冷却相变实验结果分析及讨论

2．3．1 实验钢连续冷却相变(CCT)曲线

2．3．2 显微组织分析

2．3．3 变形、冷速与铁素体相变温度的关系

2．3．4 变形、冷速与贝氏体相变温度的关系

2．4 本章小结

第3章 常规控轧控冷和分段式控冷工艺研究

3．1 常规控轧控冷工艺热轧实验

3．1．1 实验材料及热轧工艺

3．1．2 实验结果分析及讨论

3．2 分段式控冷工艺热模拟实验研究

3．2．1 实验材料及方案

3．2．2 实验结果分析

3．3 分段式冷却热轧实验

3．3．1 实验材料及方案

3．3．2 分段冷却实验结果分析

3．3．3 讨论

3．4 本章小结

第4章 中厚板轧制力及力矩计算模型

4．1 平均屈服准则(MY准则)

4．2 应变速率矢量内积

4．3 中厚板轧制的连续速度场的建立

4．4 轧制力及力矩计算模型

4．4．1 内部塑性变形功率泛函

4．4．2 剪切功率泛函

4．4．3 摩擦功率泛函

4．4．4 总上界功率泛函及其最小化

4．4．5 单位宽度轧制力及力矩模型

4．5 热轧实例分析

4．6 本章小结

第5章 低合金高强度结构钢工业试验

5．1 工业试验条件

5．2 Q390工业试验

5．2．1 化学成分

5．2．2 热轧及控冷工艺

5．2．3 力学性能

5．2．4 典型显微组织

5．3 Q460工业试验第一次冶炼热轧试制

5．3．1 化学成分

5．3．2 Q460工业试验第一次试制

5．3．3 Q460工业试验第二次轧制

5．4 Q460工业试验第二次冶炼轧制试制

5．4．1 化学成分

5．4．2 热轧及控冷工艺

5．4．3 力学性能检验

5．4．4 显微组织检验

5．4．5 讨论

5．5 本章小结

第6章 Nb微合金钢两相区变形的铁素体晶粒超细化研究

6．1 实验材料、设备和方案

6．2 实验结果及分析

6．2．1 冷却-二次加热过程中的相变

6．2．2 真应力-真应变曲线

6．2．3 变形激活能测定和本构方程的建立

6．3 变形过程中组织演变及软化机制

6．3．1 铁素体+奥氏体两相区形变过程中的组织演变及软化机制

6．3．2 700℃形变过程中的组织演变及软化机制

6．4 本章小结

第7章 中间坯加速冷却制备表层超细晶钢板

7．1 实验材料及工艺

7．2 中间坯加速冷却阶段温度分布模拟

7．3 实验结果及分析

7．3．1 初始奥氏体晶粒尺寸的影响

7．3．2 锻坯热轧实验

7．4 讨论

7．4．1 组织细化及强化机制

7．4．2 控轧控冷工艺参数对表层超细晶粒形成的影响

7．5 实际应用的操作要点分析

7．6 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间的研究工作及成果

致谢

作者简介