控轧控冷-2

2.1热变形过程中钢的奥氏体再结晶行为2.2热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为2.3动态再结晶的控制2.4静态再结晶的控制第二章钢的奥氏体形变与再结晶金属塑性变形后组织结构和性能均发生了很大的变化。金属的这种组织在热力学上处于不稳定的亚稳状态，如果对其进行加热，变形金属就能由亚稳状态向稳定状态转化，从而会引起一系列的组织结构和性能的变化。这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：回复再结晶晶粒长大形变金属与合金在退火过程中的变化回复和再结晶回复：是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。再结晶：当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大，变成新的均匀、细小的等轴晶粒。这个过程称为再结晶。显微组织的变化回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化。再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。晶粒长大阶段：晶界移动，晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。性能变化回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。储存能变化回复中刃型位错的攀移及滑移攀移：刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动，使位错线脱离原来的滑移面。多边化多边化：刃型位错通过攀移和滑移构成竖直排列，形成位错墙（小角度亚晶界）的过程。再结晶无畸变的晶粒取代变形晶粒的过程动态回复与动态再结晶动态回复：在塑性变形过程中发生的回复动态再结晶：在塑性变形过程中发生的再结晶动态回复真应力-真应变曲线：I：微应变阶段II：动态回复的初始阶段III:稳态变形状态动态再结晶真应力-应变曲线：I：加工硬化阶段II：动态再结晶的初始阶段III:稳态流变状态2.1热变形过程中钢的奥氏体再结晶行为热塑性变形过程中或变形之后的钢组织的再结晶在控制轧制中起决定作用，奥氏体晶粒的细化是控制轧制的基础，是本课的重点。热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、再结晶软化过程的矛盾统一。奥氏体热加工的真应力-真应变曲线与材料结构变化示意图真应力一真应变曲线由三个阶段组成奥氏体热加工的真应力-真应变曲线第一阶段。当塑性变形小时，随着变形量增加变形抗力增加，直到达到最大值。在这一阶段，金属发生塑性变形，位错密度ρ不断增加，ρ可以从原始退火状态时的106～107／cm2达到屈服极限时的107～108／cm2。以后随着变形量增大位错密度继续增加，这就是材料的加工硬化，造成变形应力不断增加达到峰值，这是热加工过程奥氏体结构发生变化的一个方面。I：动态回复阶段奥氏体热加工的真应力-真应变曲线另一方面，由于材料在高温下变形，变形中产生的位错能够在热加工过程中通过交滑移和攀移等方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，造成奥氏体的回复。当位错重新排列发展到一定程度，形成清晰的亚晶界，称为动态多边形化。奥氏体的动态回复和动态多边形化都使材料软化。I：动态回复阶段奥氏体热加工的真应力-真应变曲线这就是奥氏体高温小变形时奥氏体结构发生变化的两个方面。由于位错的增殖速度相对说与变形量无关，而位错的消失速度则与位错密度绝对值有关。因此当变形量逐渐增大时，位错密度也增大，位错消失速度也随之增大，反映在真应力——真应变曲线上随着变形量加大加工硬化速度减弱，但是总的趋向在第一阶段加工硬化还是超过动态软化，因此随变形量增加变形应力还是不断增加的。I：动态回复阶段奥氏体热加工的真应力-真应变曲线第二阶段。在第一阶段动态软化抵消不了加工硬化，随着变形量的增加金属内部畸变能不断升高，畸变能达到一定程度后在奥氏体中将发生另一种转变，即动态再结晶。动态再结晶的发生与发展使更多的位错消失，材料的变形应力很快下降。随着变形的继续进行，在热加工过程中不断形成再结晶核心并继续成长直到完成一轮再结晶，变形应力降到最低值。II：动态再结晶阶段奥氏体热加工的真应力-真应变曲线线从动态再结晶开始，变形应力开始下降，直到一轮再结晶全部完成并与加工硬化相平衡，变形应力不再下降为止，形成了真应力一真应变曲线的第二阶段。II：动态再结晶阶段动态再结晶发生动态再结晶所必需的最低变形量称为动态再结晶的临界变形量，以εc表示。εc几乎与真应力-真应变曲线上应力峰值所对应的应变量εp相等，精确地讲εc≈0.83εp，εp的大小与钢的奥氏体成分和变形条件(变形温度、变形速度)有关。曲线的最大应力值σp(或恒应变应力值σs)、形变速度、变形温度T之间符合以下关系(2—1)式中A为常数；n为应力指数；Q为变形活化能；R为气体常数；T为绝对温度。动态再结晶发生时n为4～6，大多数为6。Q为自扩散激活能。)/exp(RTQAnZener-Hollomon因子(2—2)Z为温度补偿变形速率因子，可表示和T的各种组合，是一个使用方便的因子。当变形温度愈低、变形速率；愈大时，Z值变大，即σp、σs大，动态再结晶开始的变形量εc和动态再结晶完成的变形量εs也变大，也就是说需要一个较大的变形量才能发生再结晶。nARTQZ)/exp(当Q不依赖于应力、温度时，εp（或εc）可用Zener-Hollomon因子Z来表示:动态再结晶动态再结晶是在热变形过程中发展的，即在动态再结晶形核长大的同时持续进行变形的。这样由再结晶形成的新晶粒又发生了变形，产生了加工硬化，富集了新的位错，并且开始了新的软化过程（动态回复甚至动态再结晶）。因此就整个奥氏体来说，任一时刻在金属内部总存在着变形量由零到εc的一系列晶粒，也就是说动态再结晶的发生就奥氏体的整体来说并不能完全消除全部的加工硬化。反映在真应力一真应变曲线上，就是在发生了动态再结晶后，金属材料的变形应力仍然高于原始状态（即退火状态）的变形应力。奥氏体热加工的真应力-真应变曲线第三阶段。当第一轮动态再结晶完成以后，在真应力一真应变曲线上将出现两种情况：一种情况是应力达到稳定值，变形量虽不断增加而应力基本不变，呈稳态变形。这种情况称为连续动态再结晶；另一种情况是应力出现波浪式变化，呈非稳态变形。这种情况称为间断动态再结晶。动态再结晶的应力－应变曲线当εcεr时发生间断动态再结晶。一旦动态再结晶发生后不需要太大的变形量，奥氏体就全部完成了第一轮动态再结晶。由于εcεr，当第一轮再结晶全部完成时已再结晶的晶粒内新承受的变形量都还达不到εc，因而还不能立即发生第二轮动态再结晶，只有再继续变形使晶粒内的变形量达到εc，第二轮动态苒结晶才开始发生。在两轮再结晶之间由于动态回复抵消不了加工硬化，应力值就要上升，因此真应力-真应变曲线上出现波浪形式。这种情况下动态再结晶是间断进行的。动态再结晶的应力－应变曲线当εcεr时发生连续动态再结晶。动态再结晶发生后，随着变形的继续，一方面再结晶继续发展，另一方面已发生动态再结晶的晶粒又承受新的变形，这两个过程同时在进行着。由于εcεr，所以在奥氏体晶粒全部进行完第一轮再结晶之前，已经动态再结晶晶粒内就达到了εc的变形量，开始发生第二轮的动态再结晶。εc是奥氏体发生动态再结晶的临界变形量，要想使奥氏体全部发生再结晶就需要继续变形。由动态再结晶产生核心到全部完成一轮再结晶所需要的变形量用εr表示。动态再结晶的应力－应变曲线在奥氏体内几轮的动态再结晶同时发生，每一轮的动态再结晶又同时处在变形的不同阶段：有的刚开始，有的接近结束，奥氏体内部各个晶粒的变形量不同，有的是零，有的接近εc。其结果反映出一个平均近似不变的应力值，在这种情况下奥氏体是连续不断的动态再结晶。变形温度T和变形速度对εc、εr都有影响，只是对εr的影响比对εc的影响大。也就是说，当T高或低时εcεr，出现非稳态变形，间断动态再结晶。而当T低或高时，εcεr，出现稳态变形，连续动态再结晶。Q235钢变形条件对真应力-真应变曲线的影响工艺参数对εc、εr的影响2.2热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为热加工过程中的任何阶段都不能完全消除奥氏体的加工硬化，这就造成了组织结构的不稳定性。热加工的间隙时间里（如轧制道次之间）或加工后在奥氏体区的缓冷过程中将继续发生变化，力图消除加工硬化组织，使金属组织结构达到稳定状态。这种变化仍然是回复、再结晶过程，但是它们不是发生在热加工过程中，所以叫做静态回复和静态再结晶。奥氏体在热加工间隙时间里应力-应变曲线的变化σy:奥氏体的屈服应力σ1:奥氏体达到变形量为ε1的屈服应力σy¹:变形后恒温保持τ时间以后再次发生塑性变形的应力值则σy¹≤σ1在两次变形间奥氏体软化的数量：（σ1-σy¹）与（σ1-σy）之比，称为软化百分数，以x表示之，则x=（σ1-σy¹）/（σ1-σy）软化百分数x=（σ1-σy¹）/（σ1-σy）当x=1时表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里消除了全部加工硬化，全部恢复到变形前的原始状态,σy¹=σy,就是全部静再结晶的结果。当x=0时表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里没有任何的软化，因此σy¹=σ1当0＜x＜1时表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里发生了不同程度的回复与再结晶。变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响εc是奥氏体发生动态再结晶的临界变形量，要想使奥氏体全部发生再结晶就需要继续变形。εp是真应力-真应变曲线上应力峰值所对应的应变量。εs是产生静态再结晶的最小变形量（静态再结晶的临界变形量）。εf是再结晶由产生核心到全部完成一轮再结晶所需要的变形量。（1）当ε1小于εs时（a点，a曲线）曲线a表示了两次变形间隔时间里软化的情况与软化的速度。曲线表明变形一停止软化就立即发生，随时间的延长软化百分数增大，当达到一定程度后软化停止，这个过程大约在100s内完成。仅仅软化了30％，还有70％的加工硬化不能消除。这种变化有如冷加工的退火阶段，称为静态回复。静态回复可以部分减少位错．未消除的加工硬化对下次变形有迭加作用。如果这是最后一次变形，那么在急冷下来的相变组织中仍能继承高温形变的加工硬化结构。（2）当εs＜ε1＜εc时（b点，b曲线）曲线表明第一阶段的静回复软化用了100s时间。软化率达到45％。如果继续保持高温，经过一段潜伏期后即进入第二阶段的软化，即静态再结晶。静态再结晶可以使软化百分数达到x=1，全部形成了新的无位错的晶粒。如果再次变形，真应力-真应变曲线恢复到原始状态。这里把产生静态再结晶的最小变形量εs称为静态再结晶的临界变形量。（3）当εc＜ε1＜εf时（c点，c曲线）曲线c表示变形在动态再结晶开始后的某一个阶段停止的软化情况。曲线被分为三个阶段。第一个阶段是静态回复阶段；第三个阶段是经过一个潜伏期后的静态再结晶阶段；中间的那段可以认为是由于原来动态再结晶核心的继续长大，这个过程几乎不需要潜伏期，可以称为次动态再结晶或亚动态再结晶，其特点象没有潜伏期的静态再结晶。（4）当εf＜ε1时（d点，d曲线）d点表示变形应力超过最大应力达到正常应力部分（变形应力稳定阶段），动态再结晶晶粒维持一定的大小和形状，此时加工硬化率和动态再结晶的软化率达到平衡，在这种变形量下停止变形，保持变形的高温，材料的软化过程如d由线。在动态再结晶的基础上软化开始，由于动态再结晶的组织中有不均匀位错密度，变形一停止马上就进入静态回复阶段，接着就是次动态再结晶阶段。曲线d上不出现平台，仅出现拐点，这也表明次动态再结晶不需要潜伏期。由于这个阶段的热加工变形量很大，发生的动态再结晶的核心很多，形变停止后这些核心很快继续长大，生成无位错的新晶粒，消除全部加工硬化，所以不发生静态再结晶的软化过程。变形量与三种静态软化类型的关系Ⅰ区表示静态回复软化Ⅱ区表示亚动态再结晶软化Ⅲ区表示静态再结晶软化阴影区ABCD是“禁止带”，表示在小于εs的变形量下变形，在变形的间隔时间里只发生静态回复，局部地区由于形变引起晶界迁移而产生粗大晶粒，这是不希望发生的。2.3动态再结晶的控制一