控轧控冷对普碳钢组织性能影响的研究

控轧控冷对普碳钢组织性能影响的研究摘要：介绍了控轧控冷的基本思想和工艺原理，并对比了不同控轧控冷条件下所得到材料的力学性能和晶粒尺寸，验证了控轧控冷技术的一些基本原理，也说明了控轧控冷技术会成为生产高性能钢材的必然趋势。关键词：控轧控冷；普碳钢；力学性能；晶粒尺寸1.前言控制轧制和控制冷却技术，即TMCP，被称为20世纪钢铁行业最伟大的发明。也正是由于TMCP的快速发展，才出现了各种各样高质量优良的钢材，支撑社会的发展和进步[1]。所谓控制轧制，就是控制热轧条件,在奥氏体(γ)的基体上形成高密度的铁素体(α)晶核，从而在相变后，达到细化钢材的组织结构。换言之，即为对奥氏体硬化状态的控制，通过变形在奥氏体中积累大量的能量,在轧制过程中获得处于硬化状态的奥氏体,为后续的相变过程中实现晶粒细化做准备。为了突破控制轧制的限制,同时也是为了进一步强化钢材的性能,在控制轧制的基础上,又形成了控制冷却技术。控制冷却的核心思想,是通过控制钢材的冷却速度，同样达到控制硬化奥氏体相变过程的目的,以进一步细化铁素体晶粒,以及通过相变强化得到贝氏体等强化相,进一步改善材料的性能。实现控制冷却的主要媒介是冷却水[2]。2.实验材料及实验方法本实验采用普碳钢做实验材料，分为4组。坯料的原始厚度是28mm。钢坯加热温度为1150℃，出炉后采用450热轧实验轧机经过5道次轧制获得2mm左右的钢板，其间运用红外线测温仪测量钢材温度从而达到控制轧制的目的，具体的压下规程（考虑轧机弹跳）和轧制温度见表1和表2.表1.热轧变形制度（考虑轧机弹跳）道次12345轧后厚度/mm15841.50.8控制冷却方案Ⅰ为轧后空冷，主要应用于1号钢和2号钢，冷却方案Ⅱ为轧后水冷，应用于3号和4号钢。表2.热轧温度及冷却方式表编号轧制温度/℃开冷温度/℃冷却方式123451120106010009509001112010591026996896863空冷1120106010009508002112210761007858864805空冷11201060100095090031104102310211006903776水冷1120106010009508004108010551020952875745水冷3．实验结果与讨论3.1试验结果在实验钢上按照国家标准取宽为12.5mm的轧向拉伸试样，之后在拉伸试验机进行拉伸试验，试验结果如图1.沿钢板轧向取V冲击试样进行常温冲击实验,试验结果如图2所示。线切割获得10×10的试样，经砂纸打磨和抛光之后用4%的硝酸酒精溶液浸蚀得到金相试样。采用金相显微镜观测分析金相组织，部分实验钢金相显微组织如图3和图4所示。图1.拉伸试验结果预定实际预定实际预定实际预定实际01002003004005006007001234屈服强度抗拉强度延伸率0204060801001201234冲击韧性/J/cn2冲击韧性图2.不同试验材料室温冲击韧性的分布(a)(b)(c)(d)图3.不同工艺下沿轧向的显微组织（放大500倍）（a）-1号试验钢;（b）-2号试验钢;（c）-3号试验钢;（d）-4号试验钢(a)(b)(c)(d)图4.不同工艺下沿垂直于轧向的显微组织（放大500倍）（a）-1号试验钢;（b）-2号试验钢;（c）-3号试验钢;（d）-4号试验钢3.2冷却方式对组织和性能的影响对比1号钢和3号钢，2号钢和和4号钢的实验结果可以看出，在轧制制度相同的情况下，水冷的钢板不论屈服强度或是抗拉强度均明显高于空冷的钢板，相反延伸率和冲击韧性均要低于空冷。通过图3和图4也可以得到3号钢组织比1号细小，4号钢组织比2号钢细小。这主要由于3号和4号钢轧后采用了冷却速度较大的水冷，保留下来更多的硬化奥氏体，在之后相变的过程中提高了铁素体的形核率，从而细化了晶粒，提高了力学性能。然而1号和2号钢板轧后空冷，冷却速度较慢，导致板材发生了再结晶，从而软化了钢板，削弱了其力学性能。对于3号和4号钢，虽然其屈服强度和抗拉强度相对较高，但造成其屈强比较大，从而导致了冲击韧性的降低。3.2不同的轧制温度对组织和性能的影响不同的轧制温度也导致了钢材的组织和性能的不同。对比1号钢和2号钢，2号钢屈服强度和抗拉强度均高出1号钢60MPa左右，延伸率几乎是1号钢的2倍，冲击韧性相差不大，对比其显微组织也能到2号钢的晶粒细小且均匀。造成这种规律的原因在于热轧最后一道次2号钢的开轧温度较低。在靠近相变点尽量低的温度下轧制，同样起到了保留较多的高能量奥氏体的作用，从而提高铁素体的形核率，达到细化晶粒，提高力学性能的目的。传统的控轧控冷通常采用的“低温大压下”的原因也正在于此。此外，传统控轧控冷技术通常还采用添加微合金元素的手段，其原理在于提高了奥氏体再结晶温度，达到同样的效果[1]。4．结论及分析（1）热轧过程中，采用不同的控轧控冷制度可以不同程度上的提高板材的力学性能；（2）在轧后的冷却方式相同的条件下，开轧温度越低越有利于获得质量优良的板材，屈服强度和抗拉强度可以提高60MPa左右；（3）针对相同的轧制制度，不同的轧后冷却方式也会影响板材性能。采用冷却速度较快的冷却方式可以更多的保留硬化奥氏体，从而达到细化晶粒的目的。5.参考文献[1]王国栋.新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程[J].东北大学学报（自然科学版），2009，30（7）[2]於亮，刘军会，宋惠改.控轧控冷技术的发展与应用[J].河北冶金，2006（1）