钢材的控制轧制和控制冷却(1)要点课件.ppt

控制轧制与控制冷却,昆明理工大学多媒体课件,材料科学与工程学院材料加工工程系 任课教师：王华昆2012年9月,0 绪论（Introduction）,课程简介教学要求学习内容教学安排参考书目控轧和控冷的概念控轧和控冷技术的发展过程我国控轧和控冷发展概况,课程简介,控制轧制冷却技术是近十多年来国内外新发展起来的轧钢新技术，已成功而广泛地应用于生产过程中，能明显改善钢材组织结构，提高钢材的强韧性和使用性能。学生通过学习课程，能进一步理解压力加工过程不仅是解决成型及尺寸精度问题，而且成型过程本身也能影响金属材料的组织转变，最终影响产品性能，通过控制工艺过程的影响因素能在一定条件下获得所需的组织结构及产品性称。,课程简介,本课程作为金属材料加工方向选修课，可使学生扩大和加深本专业的知识，掌握材料加工的前沿技术。控制轧制的核心就是将轧制的动态过程和热处理的动态过程相结合，来提高产品的综合性能。,教学要求,理解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，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能。了解控制冷却的工艺作用，控制轧制和控制冷却技术在工业生产中的应用。掌握钢的强韧化理论，变形条件下再结晶和相变的组织行为理论，典型微合金元素在控制轧制中的作用机理及控制冷却中的强化冷却方式等控轧控冷的基本知识。,学习内容,第一篇：控制轧制及控制冷却理论钢的强化和韧化钢的奥氏体形变与再结晶在变形条件下的相变微合金元素在控制轧制中的作用钢材控制冷却理论基础第二篇：控制轧制及控制冷却技术的应用控制轧制及控制冷却技术在钢板生产中的应用控制轧制及控制冷却技术在型钢生产中的应用控制轧制及控制冷却技术在钢管生产中的应用,教学安排,教学：本课程2学分，总课时为32学时，每周2学时，1-16周上课。考核：总成绩平时成绩(30%)期末大作业(70%)平时成绩：考勤课堂提问课堂讨论等期末大作业作为考试 无故缺课达到学校规定的次数者，不能获得本课程学分。,参考书目,教材：王有铭，钢材的控制轧制和控制冷却，冶金工艺出版社，2008.6刘永铨，钢的形变热处理，冶金工业出版社 李曼云，钢的控制轧制和控制冷却技术手册，冶金工业出版社 田中智夫，钢的微合金化及控制轧制，冶金工业出版社 钢铁冶金学报,控制轧制和控制冷却概念,控制轧制（Controlled Rolling)：在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，使塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。对低碳钢和低合金钢来说，采用控制轧制工艺主要通过控制工艺参数，细化变形晶粒，经过向和P的相变，形成细化的和较为细小的P球团，从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性能的目的。,控制轧制和控制冷却概念,控制冷却（Controlled Cooling)：控制轧制后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。控制轧制和控制冷却相结合能将热轧钢材的两种强化效果相加，进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合力学性能。目前，控制轧制和控制冷却工艺已应用到中、高碳钢和合金钢的轧制生产中，取得了明显的经济效果。,控轧控冷技术发展过程,20世纪20年代开始研究钢在热加工时，温度和变形条件对显微组织和力学性能的影响；二战时，荷兰等国采用“低温大压下”细化低碳钢的晶粒，提高强韧性；50年代末和60年代初，美国和原苏联等国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了基础；,控轧控冷技术发展过程,20世纪20年代开始研究钢在热加工时，温度和变形条件对显微组织和力学性能的影响；二战时，荷兰等国采用“低温大压下”细化低碳钢的晶粒，提高强韧性；50年代末和60年代初，美国和原苏联等国开展钢的形变热处理工艺与钢材组织和性能关系的理论研究工作，为控制轧制和控制冷却的机理研究和工艺的实践奠定了基础；,控轧控冷技术发展过程,60年代中期，英国钢铁研究会对钢的成分与钢的力学性能之间的关系进行了系列研究，提出了相应的控制轧制理论；在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度；近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢、钢管及型钢生产和合金钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益。,我国控轧控冷技术概况,我国控制控冷起步于60年代初，并取得了初步成果，例如对含有Cr、Ni、V的超高强度钢德形变热处理工艺研究，轴承钢轧后快冷工艺研究等；1978年开始对控制控冷进行系统研究；武钢、鞍钢、重钢、太钢等钢铁企业采用控制控冷技术生产高强度、高韧性的造船、锅炉及压力容器用各种钢材，开发了新钢种，填补了国内钢材的部分空白。,第一篇 控制轧制及控制冷却理论,1 钢的强化和韧化,1.1 钢的强化机制,金属材料的机械性能是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。,载荷的形式,1.1 钢的强化机制,材料机械性能指标,1 钢的强化和韧化,对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其中强度性能又居首位。除了强度之外，钢材还要求一定的韧性和可焊性能，这两个指标和强度是相互关联甚至互相矛盾的，很难单方面改变某一指标而其它不变。结构钢的最新发展方向是高强、高韧和良好的焊接性能，控制控冷是满足这一要求的一种较好的工艺。,1.1 钢的强化机制,强度：金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，用给定条件下所能承受的应力来表示。,圆形拉伸试样,1.1 钢的强化机制,低碳钢和铸铁的拉伸曲线,弹性变形阶段,强化阶段,颈缩阶段,1.1 钢的强化机制,弹性极限（e）：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。屈服极限（屈服强度s）：表示金属开始发生明显塑性变形的抗力，铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（0.2）来表示：产生0.2%残余应变时的应力值。强度极限（抗拉强度b）：表示金属受拉时所能承受的最大应力。e、s、b 是机械零件和构件设计和选材的主要依据。,1.1 钢的强化机制,金属强度的影响因素化学成分：W(C)0.9%时，碳钢随含碳量的增加，其强度增加。加工工艺过程：纯Cu和纯Al的s分别为60MPa和40MPa，经过冷加工后强度明显增加。热处理工艺：W(C)0.4%的碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，其强度由500MPa增至700800MPa。,1.1 钢的强化机制,强化：通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法。屈服强度：指金属抵抗塑性变形的抗力，来源于金属原子间的结合力，理论值为G/2，奥罗万修正值为G/30（G为晶体的弹性模量）。由于实际金属中存在各种晶体缺陷，特别是存在位错，位错很容易运动，因而不能充分发挥原子间结合力的作用，故金属的实际强度远低于理论值,1.1 钢的强化机制,金属和合金塑性变形包含晶内变形和晶间变形。晶内变形是通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动，最基本的是滑移、孪生和扭折。在T0.5Tm时，可能出现晶间变形和晶界滑移，这类变形不仅同位错运动有关，而且扩散过程也起重要作用.,1.1 钢的强化机制,室温时，金属的塑性变形实质上就是位错运动（或者更全面的说是晶体缺陷运动，但位错运动是基本的，主要的）。提高位错源开动所需要的应力和位错运动的阻力，就提高了金属材料的屈服强度，也就提高了金属材料的强度，故提高钢的强度首先要提高钢的屈服强度。,1.1 钢的强化机制,一、冷变形强化(strain strengthening)（或应变硬化、应变强化、冷作硬化、加工硬化、位错强化)1、基本概念冷变形：金属材料在再结晶温度以下的变形。冷变形强化：金属材料在冷塑性变形过程中，随着变形程度增加，其强度和硬度提高而塑韧性显著降低的现象,1.1 钢的强化机制,2、强化机理冷变形使金属内位错大量增殖,密度增大;位错运动过程中彼此交截，形成割阶，使位错的可动性减小；许多位错经交互作用后缠结在一起，形成位错缠结，使位错运动更困难，以致需要更大的力才能使位错克服障碍而运动。变形量越大，材料变形阻力越大，强度越高。,1.1 钢的强化机制,3、特点金属材料的冷变形强化程度随变形量的增加而增加，而塑性随之减少；金属材料的晶体结构不同，其加工硬化率（或称应变硬化系数）也不同，HCP金属的应变硬化系数较小，而BCC特别是FCC金属的应变硬化系数较大。,1.1 钢的强化机制,原因：BCC和FCC晶体的滑移系统很多，几何软化现象不会象HCP晶体可能出现的那样强烈；BCC和FCC晶体滑移系统多，容易出现多系滑移和交滑移，也就容易出现较强烈的物理强化。BCC：3个1104个=12个滑移系 FCC：4个1113个=12个滑移系 HCP：1个00013个=3个滑移系,1.1 钢的强化机制,4、应用特别适用于纯金属及热处理不强化的合金,尤其是导电材料（原因：虽然冷变形使延性、导电性和耐蚀性降低，但与其它方法如固溶强化相比，其冷变形后的导电性的降低要小得多），故用冷加工方法加工输电铜导线；在实践中利用，如冷拔线材、深冲薄板异型件等。,1.1 钢的强化机制,二、固溶强化(solid solution strengthening)1、基本概念固溶强化：当合金元素（溶质）固溶到基体金属（溶剂）中形成固溶体时，合金的强度和硬度则会提高，称为固溶强化。如黄铜(Cu-Zn)强度要高于紫铜。,1.1 钢的强化机制,2、强化机理弹性交互作用：溶质原子和位错周围均存在应力场，为了使系统应变能降低，二者会发生交互作用（比如溶质原子对正刃型位错的偏聚），形成柯氏气团（围绕位错而形成的溶质原子聚集物），阻碍位错运运动；合金元素与基体金属原子价不同，产生电化学交互作用。,1.1 钢的强化机制,3、影响因素溶质与溶剂的原子半径差别越大，强化效果越好；有限固溶体中溶质元素溶解量越大，强化效果越好；溶质元素在溶剂中的饱和溶解度越小，强化效果越好；,1.1 钢的强化机制,形成间隙固溶体的溶质元素（C、N、B等）的强化效果好于形成置换固溶体溶质元素（如Mn、Si、P等）。,1.1 钢的强化机制,4、特点 提高合金的屈服强度、抗拉强度和硬度的同时，对其它影响如下：几乎都使合金的塑性低于纯金属，但少数例外(如Cu-Zn合金的强度和韧性同时提高)；使合金的导电性低于纯金属；提高合金的抗蠕变性能，减少高温下强度损失；,1.1 钢的强化机制,三、沉淀强化(preciptation strengthening)或时效强化(aging strengthening)1、基本概念沉淀强化：通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出第二相产生的强化.钢中常加入微量Nb、V、Ti元素，形成碳化物、氮化物或碳氮化合物，在轧制中或轧后冷却时析出，起到第二相沉淀强化作用。,1.1 钢的强化机制,2、沉淀强化条件能形成有限固溶体；固溶度随温度的降低而减小。有析出的位置晶体缺陷。3、强化机理位错与析出第二相颗粒之间的相互作用，包括对提高强度有积极作用的绕过过程和对强度作用较小的剪切过程。,1.1 钢的强化机制,4、沉淀强化影响因素析出相的颗粒尺寸和其体积百分比，质点越小，百分比越大，强化效果越大。但质点尺寸又不能过分小，质点之间的距离也不能过分小，否则位错不能在质点直径弯曲，变绕过机制为切过机制，强化效果下降。根据计算，一般的质点为20-50个原子间距，体积占2%左右时效果最佳。,1.1 钢的强化机制,析出相的特性：析出颗粒分布于整个基体上比晶界析出好；球状颗粒比片状好；颗粒弥散度越大，效果越好;比如：形变热处理使基体中位错密度增大，甚至形成亚晶，有利于沉淀相的形核和更弥散析出，增加强化效果。时效时间：时间越长，析出相颗粒越大，颗粒间距越大，强化效果越差。在高温条件下，颗粒有随时间长大的趋势。,1.1 钢的强化机制,四、细晶强化(grain size strengthening)1、基本概念细晶强化：通过细化晶粒来提高材料室温强度的强化方法。2、特点同时提高金属材料的室温强度、塑性和韧性，是金属材料常用的强韧方法之一。,1.1 钢的强化机制,3、强化效果HallPetch公式：晶粒度与屈服强度的关系 式中：s屈服强度；D平均晶粒尺寸;i常数，相当于单晶的屈服强度；K斜率，表征晶界对强度影响程度的系数，和晶界结构有关，而和温度关系不大。,1.1 钢的强化机制,1.1 钢的强化机制,P30%时，HallPetch公式变为 式中：s屈服强度，MPa；0纯铁单晶的屈服强度，MPa；Mn、Si、N钢中各元素的重量百分比；D等轴晶粒的平均截线长。由此可知，晶粒细化可明显提高钢的屈服强度。,1.1 钢的强化机制,P30%时，HallPetch公式变为 式中：s屈服强度；fF、fPF和P的体积百分比；0.2、P纯铁素体钢和纯珠光体钢的屈服强度；由此可知，钢中C含量越低，细化晶粒的强化效果越大。,1.1 钢的强化机制,4、强化机理晶界对位错滑动的阻碍：位错被晶界阻挡而塞积在晶界前面，从而迫使晶粒内的滑移系由易到难都被开动；相邻晶粒取向不同引起强化：滑移带在位错塞积群顶部产生引力集中，只有外力大到一定程度才能开动相邻晶粒内的位错源，滑移才能从一个晶粒传到下一个晶粒。另外，相邻晶粒的取向不一致，还要在此应力上乘一个放大系数。,1.1 钢的强化机制,5、韧化机理晶粒细小时，单位体积中晶粒越多，金属的总变形量可以分布在更多的晶粒内，晶内不同区域之间的变形不均匀性减小；晶粒内部和晶界附件的变形量差减小，晶粒的变形也会比较均匀，减小应力集中，这些推迟了裂纹的形成与扩展，使金属在断裂之前可以发生较大的塑性变形。强度和塑性提高，断裂要消耗更大的功，因而韧性也较好。,1.1 钢的强化机制,五、马氏体强化(Martensite strengthening)1、基本概念马氏体强化：将钢铁淬火成马氏体使钢得到强化的强化方法。,1.1 钢的强化机制,1、马氏体强化机制固溶强化：M是C在中的过饱和间隙固溶体，C引起FCC中正八面体间隙对称晶格畸变，产生应力场，阻碍位错运动；时效（自回火）强化：M相变是非扩散型相变，但M形成之后，M中的C原子发生偏聚，使强度提高。C含量越高，时效强化效果越明显；,1.1 钢的强化机制,细晶强化：A转变为M时，形成了许多极细的、取向不同的M束，产生细晶强化效应，且原始A晶粒越细，M晶群也越细，强化效果越好；位错强化：M相变是一种切变过程，且转变速度极快，使位错密度大增，使位错运动阻力增加；孪晶强化：C0.3时，M亚结构中的孪晶数量增多，C原子在孪晶界面上偏聚，产生强化。,1.1 钢的强化机制,2、变形对马氏体强化的影响原A晶粒大小影响M晶群大小，合理的变形工艺可显著细化A晶粒，从而细化M晶粒，增加M强化效果；A的塑性变形对M转变按不同的钢种、变形条件有不同的作用，即可促进M转变，也可抑制M转变。变形引起的A晶体结构的不完善性（位错密度增加而形成亚结构）可被M继承，提高强度，增加塑性。（形变热处理）,1.1 钢的强化机制,六、其它强化方式尽量增加晶体中的缺陷，以阻碍位错运动，提高强度；尽量减少晶体中的缺陷，提高强度。,1.2 材料的韧性,一、韧性定义及其表示1、冲击韧性（缺口断裂韧性）许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功，用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0,即得到材料的冲击韧度 ak（单位：J/m2）。,1.2 材料的韧性,Ak 或ak越大，则材料的冲击韧性越好。冲击韧性与材料的组织密切相关。例如：45钢正火处理后为SF组织，ak为500800 kJ/m2；调质处理后其组织为回火索氏体，ak为8001200kJ/m2。,1.2 材料的韧性,2、断裂韧性（裂纹断裂韧性）桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。,1.2 材料的韧性,断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力，用KC表示，是材料本身的特性，由材料的成分、组织状态决定，与裂纹的尺寸、形状及外加应力大小无关。,1.2 材料的韧性,二、提高钢材韧性的途径 断裂韧性是材料的一种性能，与强度一样取决于材料的组织结构，而材料的成分和生产加工工艺又决定了材料的组织结构，故改善材料的韧性必然从工艺入手改变材料的结构，以达到改善材料韧性的目的。,1.2 材料的韧性,1、成分控制 合金元素加入基体（铁）中形成固溶体可强化合金，甚至可析出第二相而强化合金，但同时合金元素含量的增加也造成基体内缺陷的增加，降低材料的塑韧性。V、Nb、Ti、Al、Zr等元素：能够细化晶粒，故既能提高强度又能提高韧性；S、P：对韧性有害，尽量降低含量；,1.2 材料的韧性,C含量：C含量升高会增加钢中P的量，会降低钢的韧性，故在钢种成分允许的范围内降低c含量，由此产生的强度下降则由增加成分中的Mn来弥补；钢中一般都含有二元以上的合金元素，合金组元之间有交互作用，合金元素也可以通过不同途径影响断裂韧性，故一般要具体分析，以使合金元素具有适当含量。,1.2 材料的韧性,2、气体和夹杂物控制 H：引起白点和氢脆，应尽量降低；N：与位错结合力强，通过形成气团而阻止位错运动，降低韧性；形成固态氮化物时对韧性危害更大；只有与V形成NV，能提高钢的强度并阻止奥氏体再结晶，轻度细化晶粒；O：常以氧化物形式存在，降低钢的韧性，含量越多，对韧性的影响越大。,1.2 材料的韧性,钢中的气体量和夹杂物量的多少与冶炼方法、浇注方法直接有关。,1.2 材料的韧性,S：形成硫化物，对韧性有害，解决办法：降低S含量或者加入Zr和稀土元素以固定S，改善横行韧性。目前，采用各种冶炼和浇注新工艺（真空冶炼、搅拌技术等）使钢中气体和夹杂大量减少，生产出较纯净的钢材。,1.2 材料的韧性,3、压力加工工艺的控制 通过加工工艺控制晶粒度 材料理论韧性断裂强度 c(2G/K)d-1/2 G材料的切变模量，材料的表面能，K常数，d平均晶粒直径。c d-1/2 通过控制压力加工工艺可以控制晶粒的大小，改变材料的韧性。,1.2 材料的韧性,通过加工工艺控制晶体取向 钢在AF或F区轧制后，F不发生再结晶，形成111织构，引起各向异性。冷却工艺和材料的成分一起影响相变产物的种类、形貌、数量等组织结构特征，从而影响材料的韧性。4、热处理工艺控制形变热处理,1.2 材料的韧性,三、强化机制对韧性的影响 一切提高材料强度的因素都同时影响材料的韧性。1、固溶强化的影响间隙式固溶强化：不对称晶格畸变，且晶格畸变强烈，塑韧性明显降低；置换式固溶强化：对称晶格畸变，且畸变程度较小，塑韧性下降不多，甚至不下降。合金因素降低钢的焊接性能。,1.2 材料的韧性,2、形变强化的影响 冷变形产生的位错对塑韧性有双重作用。降低塑韧性（主要作用）：位错的合并及在障碍处的塞积会促使裂纹形核；提高塑韧性：位错在裂纹尖端塑性区内移动可缓解该处的应力集中。由于位错的主要作用是降低塑韧性，故随着冷变形量的增加，位错密度增大，材料强度提高，塑韧性下降，韧脆转变温度升高。,1.2 材料的韧性,1.2 材料的韧性,3、沉淀强化的影响 一般情况下，沉淀强化会提高韧脆转变温度，降低材料塑性。在控制技术生产中，Nb、V、Ti等微合金元素的碳化物析出后，一方面可起到沉淀强化作用；另一方面可细化晶粒，起到强化和韧化作用。具体综合作用，要看哪一方面占据主导作用。,1.2 材料的韧性,4、细晶强化的影响 晶粒细化后，晶界比例增大。晶界可以阻碍位错运动，提高强度；使材料变形更加均匀，提高塑性；晶界阻碍裂纹扩展，改善材料的韧性；降低材料的韧脆转变温度；晶粒越均匀，韧性越好。,1.2 材料的韧性,1.2 材料的韧性,5、马氏体强化的影响 M的形成可大大提高材料的强度，但淬火造成很高的内应力，大大降低材料韧性，但回火处理会恢复部分韧性。塑性变形可细化奥氏体或形成亚结构，造成亚晶，并可能增加板条M比例，提高材料的强度和塑韧性，故形变热处理的材料性能优于普通热处理。,1.2 材料的韧性,四、提高韧性，控制材料结构应遵循的规律细化A晶粒，可细化转变产物，提高韧性;转变温度越低，则回火后的韧性越高，故要求钢材具有足够的淬透性；调整成分和工艺，细化针状F，改善韧性;设法避免片状P的形成；孪生M的韧性低于板条M，调整成分和工艺改变M的形貌；下贝氏体的韧性好于上贝氏体。,1.2 材料的韧性,冷脆系数 冷脆系数K：全面衡量各种强化机制和成分对强度和韧性的影响的系数。KTK/s TK某一变化条件下脆性转化温度的变化值；s同一变化条件下屈服强度的变化值 K0时，表示有提高脆性断裂的倾向；K0时，表示有降低脆性断裂的倾向。,