材料加工组织性能控制(第三章)新

3.热形变过程中钢的组织变化3.1控制轧制基本知识3.1.1控制轧制概念(低碳、低合金钢)控制轧制(Controlledrolling)：热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。TMCP(ThermoMomechanicalControlledProcessing)：图3-l各种轧制程序的模式图CR-—控制轧制；AcC一控制冷却低温轧制的优点：细化铁素体晶粒。3.1.2铁素体晶粒尺寸的控制3.1.2.1铁素体晶粒尺寸的计算式奥氏体相变过程示意图31)32(gSFSND313161)()2(AsFDGIDGINss231AgDS1奥氏体晶粒直径铁素体晶核按抛物线规律长大的速度常数铁素体晶粒的形核速率3.1.2.2变形奥氏体对铁素体晶粒的细化作用结论：由加工硬化（变形）奥氏体相变得到的铁素体晶粒比相同尺寸的未变形奥氏体或再结晶奥氏体相变后得到的铁素体晶粒要细得多。原因：（1）变形使奥氏体的晶界上形成了许多台阶（2）变形奥氏体除了在晶界上生成铁素体晶核以外，原来奥氏体中的退火孪晶边界以及由于变形而形成的变形带，也是铁素体的形核基地。3.1.2.3冷却速度对铁素体晶粒尺寸的影响（1）细化相变前的奥氏体晶粒；（2）在细化奥氏体晶粒的前提下，进一步使奥氏体处于加工硬化状态；（3）在相变温度区间加速冷却。3.1.2.4合金元素的作用（微合金元素作用时再讲）3.1.3控制轧制的类型控制轧制方式示意图(a)奥氏体再结晶区控轧；(b)奥氏体未再结晶区控轧；(c)(+)两相区控轧（1）奥氏体再结晶区控制轧制(又称I型控制轧制)条件：950℃以上再结晶区域变形。主要目的：对加热时粗化的初始晶粒轧制再结晶细化相变后细小的晶粒。相变前的晶粒越细，相变后的晶粒也变得越细。（2）奥氏体未再结晶区控制轧制(又称为Ⅱ型控制轧制)条件：950C～Ar3之间进行变形。目的：晶粒沿轧制方向伸长，晶粒内部产生形变带。晶界面积，的形核密度，进一步促进了晶粒的细化。(3)(+)两相区轧制条件：Ar3点以下轧制。目的：1）未相变晶粒更加伸长，在晶内形成形变带，相变形成微细的多边形晶粒；2）已相变后的晶粒变形，于晶粒内形成亚结构，因回复变成内部含有亚晶粒的晶粒。组织：大倾角晶粒和亚晶粒的混合组织。影响：强度升高，脆性转变温度（亚晶的出现）。控制轧制三阶段示意图和各阶段的组织变化再结晶与未再结晶型控轧示意图3.1.4控制轧制工艺特点(1)控制加热温度：加热温度决定轧制前奥氏体晶粒的大小，温度越低晶粒越细。低温加热优点：（1）避免奥氏体晶粒变粗大。（2）缩短延迟冷却时间，粗轧和精轧几乎可连续进行。缺点：（1）要减小板坯的厚度。（2）含铌钢中铌未固溶，达不到预期的析出强化效果。(2)控制轧制温度奥氏体区轧制：要求最后几道次的轧制温度要低。原因：一般低碳结构钢终轧温度：830C或者更低些。轧制含Nb钢：控制在750C左右。I型控制轧制原则：1)连续轧制，不要间歇，尤其在的高温侧(动态再结晶区)，原因：2)道次变形量应大于临界变形量，使全部晶粒能进行再结晶，避免混晶产生。原因：(+)两相区轧制：压下率的增加会使位错密度增大，亚晶发达和产生织构等，使钢材的强度升高，低温韧性得到改善。II型控制轧制：要有足够的总变形量，可以不过分强调道次变形量。原因：(3)控制变形程度(1)尽可能降低加热温度，目的：(2)在中间温度区通过反复再结晶使奥氏体晶粒微细化。(3)加大奥氏体未再结晶区的累积压下量，增加奥氏体每单位体积的晶粒界面积和变形带面积。3.1.5控制轧制的实质图3-3多道次轧制时轧制温度的影响(实验室数据)0.18C-1.36Mn钢，各道次压下率20％，9个道次轧制到20mm轧制温度变化范围(开始一结束)为200C图3-4轧制温度对铁素体晶粒直径、屈服点及断口转变温度的影响(0.14C-1.3Mn-0.03Nb系钢)加热温度终轧温度(1)使钢材的强度和低温韧性有较大幅度的改善。原理：细化晶粒。常规轧制工艺：铁素体晶粒7～8级；控制轧制工艺：铁素体晶粒可达12级，直径可为5m。(2)可节省能源和使生产工艺简化。途径：1）降低钢坯的加热温度；2）取消轧后的常化处理或淬火回火处理。(3)可以充分发挥微量合金元素的作用（后面讲）。3.1.6控制轧制的效应表3-136CrSi钢用控轧工艺和用常规工艺后的机械性能机械性能加工方式b(N/mm2)0.2(N/mm2)5(%)(%)(J／cm2)HRC高温控制轧制工艺常规工艺1000103085085078583560064012148384640426075404531-冷加工与高温变形：3.2钢的奥氏体形变与再结晶（I型控制轧制）3.2.1热变形过程中的奥氏体再结晶行为3.2.1.1动态再结晶OABC真应力-应变曲线由三阶段组成：第一阶段（OA段）：高温小变形时奥氏体结构发生两个方面的变化：加工硬化及材料的软化。特点：OAOABC第二阶段：发生动态再结晶。(AB段)临界变形量:cAB曲线的最大应力值p(或s)、、T之间可用Zener-Hollomon因子Z表示：nARTQZ)/exp(温度补偿变形速率因子变形活化能气体常数绝对温度常数应力指数第三阶段，两种情况：1）连续动态再结晶条件：cr(r：由动态再结晶产生核心到全部完成一轮再结晶所需的变形量)。2）间断动态再结晶条件：cr图3-3Q235钢变形条件对真应力-真应变曲线的影响(a)变形温度的影响，变形速度；(b)变形速度的影响，变形温度T=1000C11.0s3.2.1.2动态再结晶的控制（1）动态再结晶发生条件动态再结晶难发生的原因：发生动态再结晶的条件：c影响动态再结晶临界变形量的因素：1）变形温度和变形速度；2）钢的化学成分，如奥氏体型Fe-Ni-Cr合金的c比纯的-Fe大得多；3）材料的初始晶粒尺寸的影响。18-8不锈钢起始晶粒尺寸（D0）对高温形变组织和加工因子（Z、、）关系的影响（2）动态再结晶的组织动态再结晶是一个混晶组织，平均晶粒尺寸只由加工条件（变形温度、变形速率）决定。变形温度低、变形速率大，则愈小。动态再结晶是存在一定加工硬化程度的组织。DD3.2.2热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为静态再结晶：形变停止后发生的再结晶过程。静态回复：作用？(1)应力应变曲线0.00.10.20.30.40.50.60.7050100150200250300应力/MPa应变1s5s10s图11000℃，5s-1时不同道次间隔时间的双道次应力-应变曲线（2）静态再结晶动力学曲线0mrmaXX——静态再结晶率，%；m——第一道次卸载时对应的应力值，MPa；0——第一道次塑性变形时的屈服应力值，MPa；r——第二道次热压缩时的屈服应力值，MPa。图2静态再结晶率各应力值的确定图3-8原始晶粒直径和轧制温度对再结晶所必需的临界压下率的影响Si—Mn钢临界变形量小，原始晶粒度和变形量的影响也小。3.2.3静态再结晶的控制（1）静态再结晶的临界变形量影响临界变形量的因素：1)变形温度、原始奥氏体晶粒度、微合金元素。与Si—Mn钢比，Nb钢的再结晶临界变形量明显增大。2）变形后的停留时间变形后停留时间长，再结晶所需要的临界变形量就小。图3-91050C加热，在不同温度下轧制，轧后停留时间不同对奥氏体再结晶临界变形量的影响1-再结晶开始曲线，轧后停留2s；2-再结晶开始曲线，轧后停留20s；3-再结晶终了曲线，轧后停留2s；4-再结晶终了曲线，轧后停留20s(2)静态再结晶速度1）热加工工艺的影响：变形量、变形速度、变形后的停留温度回复和再结晶速度；2）微量元素将强烈地阻止再结晶的发生。影响因素：图3-100.2%C钢与Nb钢等温再结晶的动力学曲线（实线为碳钢；虚线为铌钢）(3)静态再结晶数量图3-11轧制温度、轧后空延时间对奥氏体再结晶百分数的影响1.1000C轧制，停留15S；2.1000C轧制，停留2S；3.850C轧制，停留15S；4.850C轧制，停留2S；奥氏体再结晶百分数随变形量与变形温度的增加而增加。微合金元素对静态再结晶数量的影响：1)抑制奥氏体再结晶。2)和不含微合元素的钢相比，在同样变形条件下，再结晶数量减少，奥氏体平均晶粒尺寸增大。(4)再结晶区域图作用：划分：三个区域，即再结晶区、部分再结晶区和未再结晶区。图3-12压下温度和压下率对再结晶行为和再结晶晶粒直径产生影响的再结晶区域图试验用试样：由该阶梯试样可获得一次轧制后不同变形程度（10%～80%，辊缝：7.2mm）下的再结晶组织。动态再结晶实验方法：试验钢再结晶规律研究试验工艺试验结果与分析：1）变形量对奥氏体再结晶百分数的影响0204060801001201020304050607080变形量ε(%)再结晶百分数(ω%)1150℃1100℃1050℃1000℃950℃900℃850℃图3.2试验用X70W管线钢在T=1100℃时的再结晶金相照片1—10%；2—20%；3—30%；4—40%；2）变形温度对奥氏体再结晶百分数的影响0204060801001208509009501000105011001150轧制温度T()再结晶百分数(%)10%20%30%40%50%60%70%80%（℃）图3.3X70W管线钢变形温度对再结晶百分数的影响图3.4试验用X70W管线钢在T=850℃时的再结晶金相照片1—10%；2—20%；3—30%；4—40%；图3.4试验用X70W管线钢在T=850℃时的再结晶金相照片5—50%；6—60%；7—70%；8—80%X70W钢再结晶区域图图2静态再结晶率各应力值的确定0mrmaXX——静态再结晶率，%；m——第一道次卸载时对应的应力值，MPa；0——第一道次塑性变形时的屈服应力值，MPa；r——第二道次热压缩时的屈服应力值，MPa。3.3未再结晶区奥氏体的变形3.3.1再结晶的延迟晶粒细化有极限。图3-1热轧态及热态普碳钢中，相变瞬间前的晶粒尺寸与、相变率（晶粒尺寸与晶粒尺寸的比值）之间的关系(1)0.10%C-0.25Si%-1.4%Mn钢；(2)0.05%.C-0.25%Si-1.20%Mn钢转换比（A／F）：转变前的奥氏体晶粒直径与转变后的铁素体晶粒直径之比，与化学成分有关。控制轧制过程的三个阶段及各阶段微观组织随变形而变化的示意图特点：晶粒伸长，晶内产生形变带，此形变带可起到晶核生成晶界面的作用。总结：由未再结晶变形的转变比由已再结晶的无变形转变所生成的晶粒要细得多，得到变形非常重要。可以通过变形后抑制或延迟再结晶的进行来实现。延迟回复和再结晶的因素有两个：（放第4章讲）1)合金元素；2)温度。3.3.2变形带的形成和作用图3-8(a)具有变形带的拉长晶粒，其中变形带是未再结晶区变形所产生的；(b)部分转变的晶粒组织中形成的先共析变形带的作用：提供铁素体形核点，使晶粒细化。影响变形带的因素：1)变形量：变形30％时，增加很微弱，易造成混粒组织，原因：（值得注意！）变形30％时，迅速增加。2)变形温度：变形带密度几乎不受未再结晶区变形温度的影响（超过1000C时，迅速减少）。图3-9含0.03%Nb的钢中，晶界面积(a)和变形带密度(b)同未再结晶区压下率的关系常规热轧和控制轧制在组织转变上的区别：前者的晶粒全部在晶界处成核，后者则在晶粒内部和晶界成核。对成核率而言，变形带等价于晶界，意味着一个晶粒可以被变形带分割成几个小的部分。图3-10热轧态及热处理态钢中晶粒成核地点及所生成的晶粒组织图3-12表明，未再结晶区轧制变形30％的工具钢中，珠光体相变的成核地点不同