低碳锰（铌）钢组织控制及强韧化机制的研究

摘要

低碳钢在工业中有着非常广泛的应用，通过改进控轧控冷工艺，利用形变诱导铁素体相变等理论来实现组织的超细化是生产超细晶粒钢的主要手段。然而，这种超细化主要通过在较低温度下大变形获得，对生产条件的要求较高，低的变形温度及大的变形量还会使形成的铁素体择优取向变强。另外，晶粒细化会导致材料的屈强比提高，焊接时晶粒容易长大，这使得超细晶粒钢的应用范围受到一定的限制。此外，单纯依靠细化晶粒来提高强度的作用是有限的，强度要求超过一定限度时，需要考虑其它强化手段。 本文结合国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目“贝氏体在超细晶粒碳锰钢强韧化中的作用”这一研究课题，对不同锰含量的低碳钢和低碳铌钢的连续冷却相变、形变诱导铁素体相变、控轧控冷工艺及强韧化机制和拉伸变形力学行为进行了研究。在低碳锰(铌)钢中获得了贝氏体组织，研究了贝氏体对低碳锰(铌)钢强韧化的作用，取得了如下研究成果： (1)研究了低碳锰钢热变形和冷却过程中的相变规律。采用热模拟实验，利用热膨胀法并结合金相组织观察，绘制了低碳锰钢的连续冷却转变曲线，探讨了变形条件、冷却工艺参数及锰含量对实验钢的铁素体和贝氏体组织转变的影响，并综合考察了锰含量、变形及冷速对铁素体相变的影响。研究结果表明：1)变形促使CCT曲线向左向上移，促进了γ→α相变，同时使贝氏体临界冷却速度增加，不利于获得贝氏体组织；2)锰含量增加，铁素体和贝氏体相变开始温度降低，贝氏体临界冷却速度减小；3)在较低的冷速下，锰含量越高，变形对γ→α相变的促进作用越显著。 (2)研究了低碳锰钢在A<,e3>～A<,r3>之间过冷奥氏体变形时的真应力．应变曲线及组织转变特征。研究结果表明：1)锰含量增加，铁素体相变孕育期延长。随着锰含量的增加，铁素体的体积分数逐渐减少，锰含量增加明显抑制了铁素体相变的进行；2)变形温度的降低能促进铁素体相变的发生，而应变速率的升高不利于发生形变诱导铁素体相变：3)低碳锰钢的动力学曲线可分为三个阶段，第一阶段符合“位置饱和”机制，第二、三阶段不符合“位置饱和”机制；4)低碳锰钢在A<,e3>～A<,r3>温度范围内的软化和硬化是多种因素共同作用的结果，这些因素包括化学成分(锰含量)、变形温度和应变速率等。在A<,r3>温度附近进行变形时，低锰含量的实验钢在发生形变诱导铁素体相变的同时还会发生铁素体的动态再结晶。 (3)结合热力学计算，分析了热变形对实验钢相变行为的影响。采用超组元模型、KRC活度模型以及Cahn的相变动力学理论和Scheil的叠加法则，计算了不同Mn含量低碳钢的热变形奥氏体在连续冷却过程中γ→α相变平衡温度A<,e3>、铁素体相变温度Ar3和贝氏体开始转变温度B<,s>，并分析了锰含量、奥氏体热变形和冷却速度对相变温度的影响。计算结果表明：1)变形增大了平衡界面α和γ侧碳的摩尔浓度，也增大了铁素体的形核驱动力：2)变形提高了铁素体相变温度，铁素体体积分数增加；冷速的增加降低了铁素体相变温度；3)锰含量增加使实验钢的A<,e3>及A<,r3>温度降低，推迟了铁素体相变的发生。 (4)通过实验室控轧控冷实验，在低碳锰钢中获得了细晶以及超细晶等轴铁素体和贝氏体的复相组织。研究了变形量、终轧温度、冷却速度及卷取温度等参数对低碳锰钢及低碳铌微合金钢的组织组成、组织形貌及力学性能的影响，得出了实验钢组织性能的变化规律。结果表明：1)变形量的增加可显著促进铁素体转变并能细化铁素体晶粒，但不利于贝氏体组织的获得。提高开冷温度，加大冷却速度利于获得贝氏体组织；2)随着终轧温度和卷取温度的降低，实验钢的强度显著提高。终轧温度的降低可细化铁素体晶粒，卷取温度的降低可增加贝氏体的体积分数；3)锰含量增加，组织中贝氏体含量增加，实验钢的强度升高；4)Nb的添加能够细化铁素体晶粒，促进铁素体转变，对贝氏体形成有一定的抑制作用，贝氏体强化效果减弱。 (5)首次在低碳钢中获得了仿晶界型铁素体/贝氏体复相组织。通过控制轧制温度在A之上，水冷开冷温度在铁素体相变区内，然后在贝氏体相变区或低于贝氏体相变区进行卷取，可以获得仿晶界型铁素体/贝氏体复相组织。具有该类组织的低碳钢具有较佳的强韧性配合。在A<,e3>之上终轧后快速冷却，获得的铁素体为仿晶界型铁素体；终轧变形在A<,e3>～A<,r3>之间进行后，铁素体形貌主要为等轴状。根据铁素体的形貌，进一步证实低碳钢在实验室控轧控冷条件下能够发生形变诱导铁素体相变的温度应低于A<,e3>。 (6)定量分析了各种强化机制的贡献，建立了强韧化机制的数学模型，明确了贝氏体在低碳钢强韧化中的作用。通过多元回归的方法并结合已有的物理冶金模型获得的描述铁素体/贝氏体复相钢的组织性能关系式为：σ=45+4570C+3750N+37Mn+83Si+470P+17.0d-<'1/2>+1.82f<,B>(低碳锰钢)σ=296+4570C+3750N+37Mn+83Si+470P+4.8d<'-1/2>+2.7f<,B>(低碳铌钢)DBTT=-30.6-4.3d-<'1/2>+1.4f<,P>％+0.5f<,B>％ (低碳锰钢)。 (7)研究了低碳锰钢在单轴拉伸条件下的变形行为，分析了加工硬化系数、硬化指数n与真应变的关系。在均匀塑性变形阶段，随着真应变的增加，n值呈先增加然后下降的规律。具有铁素体/贝氏体复相组织的低碳钢具有较高的强度和较高的加工硬化能力。利用经验方程σ=Kε<'n>可以很好地描述铁素体/贝氏体复相钢的流变曲线，实验钢的硬化指数在0.30～0.37之间。对单轴拉伸实验过程的能量分析表明，贝氏体的体积分数增加使得裂纹扩展能增加，单轴拉伸过程中吸收的总能量增加。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2控制轧制和控制冷却技术

1.2.1控轧控冷工艺目的和作用

1.2.2控轧控冷工艺参数特点

1.3钢铁材料的组织细化

1.3.1超细晶粒钢的发展

1.3.2晶粒细化技术

1.3.3超细晶粒钢的应用

1.3.4超细晶粒钢的性能及其特点

1.3.5超细晶粒钢应用中需解决的问题

1.3.6新一代钢铁材料的发展趋势

1.4贝氏体相变及贝氏体钢

1.4.1贝氏体相变

1.4.2贝氏体钢的研究现状及展望

1.5本课题的研究背景及研究内容

1.5.1研究背景

1.5.2研究思路

1.5.3研究内容

本章参考文献

第二章低碳锰钢的奥氏体连续冷却转变

2.1引言

2.2实验设备及原理

2.2.1实验设备

2.2.2实验原理

2.3实验材料及方案

2.3.1实验材料

2.3.2实验方案

2.4实验结果

2.4.1实验钢的连续冷却转变曲线

2.4.2实验钢的连续冷却转变组织

2.4.3实验钢贝氏体的微观形貌

2.5讨论

2.5.1奥氏体形变对相变温度和组织的影响

2.5.2冷却速度对显微组织和相变的影响

2.5.3锰含量对连续冷却转变的影响

2.5.4变形和锰含量对相变温度的综合影响

2.5.5变形功和冷却速度对相变及晶粒细化的影响

2.6本章小结

本章参考文献

第三章低碳锰钢形变过程中的铁素体相变

3.1引言

3.2实验材料及方法

3.3实验结果及分析

3.3.1真应力-应变曲线特征及组织演变

3.3.2锰含量的影响

3.3.3变形温度的影响

3.3.4应变速率的影响

3.4本章小结

本章参考文献

第四章低碳锰钢连续冷却相变模型的建立

4.1引言

4.2热力学模型的描述及计算方法

4.2.1相变驱动力

4.2.2形核驱动力

4.3储存能与变形条件的关系

4.4热力学参数的计算

4.4.1相界面平衡浓度

4.4.2相变驱动力和形核驱动力的计算

4.4.3相平衡温度的计算

4.5相变动力学模型

4.5.1等温相变动力学

4.5.2连续冷却相变动力学

4.5.3计算结果

4.6本章小结

本章参考文献

第五章低碳锰钢的组织与性能

5.1引言

5.2 工艺制度的制定

5.2.1加热制度

5.2.2变形制度

5.2.3冷却卷取制度

5.3实验材料及实验方法

5.4低碳锰钢的组织性能

5.4.1终轧温度对组织和性能的影响

5.4.2冷速与卷取温度的影响

5.4.3压下量分配的影响

5.4.4锰含量的影响

5.5优化后的工艺路线

5.6本章小结

本章参考文献

第六章低碳铌微合金钢的组织与性能

6.1引言

6.2实验材料及方法

6.2.1实验材料

6.2.2连续冷却转变实验

6.2.3控轧控冷实验

6.3连续冷却实验结果

6.3.1奥氏体连续冷却转变曲线

6.3.2奥氏体连续冷却转变组织

6.3.3铌对相变温度和贝氏体临界冷却速度的影响

6.4控轧控冷实验结果及分析

6.4.1加热温度的影响

6.4.2不同变形及冷却工艺下的组织性能

6.5本章小结

本章参考文献

第七章实验钢的强韧化机制及变形行为

7.1引言

7.2实验路线

7.3强韧化机制的数学描述

7.3.1强韧化机制

7.3.2脆性转变温度与显微组织的关系

7.4组织性能模型的建立

7.4.1屈服强度与显微组织的关系

7.4.2韧脆转变温度与显微组织的关系

7.5铁素体/贝氏体复相钢的变形行为

7.5.1拉伸变形前后的显微组织

7.5.2单轴拉伸下的应力-应变曲线

7.6本章小结

本章参考文献

第八章结论

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

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