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1、 内蒙古科技大学 毕业论文 题目：含铌磷钢的冶炼及性能测定 学校：内蒙古科技大学 姓名： 学号：1076803410 导师： 摘要 本课题依托某钢铁集团公司现有生产条件，以现场生产实践和实验室分析为基础，研究了采用铌微合金化生产建筑用钢筋的成分设计，探讨了成分变化对组织性能的影响；研究了含碳量分别为016和02的两种成分的钢水采用微量的铌进行微合金化并经相同的控轧控冷工艺处理后得到的组织和力学性能的变化情况；对控轧控冷工艺参数对钢筋组织性能的影响进行了分析，结合现场生产经验，制定了合理的控轧控冷工艺；对添加微量的铌细化钢筋组织、提高力学性能的机理进行了研究。研究结果表明： 在相同的控轧控冷条件
2、下，当含碳量由016*增加到02时，显微组织中铁素体的数量略微减少，而珠光体的数量略微增加；采用O04左右的铌分别对碳含量为016和02的低碳钢进行微合金化处理后，铁素体和珠光体明显细化，末进行铌微台金化处理的钢筋晶粒平均晶粒直径为9um左右，而经铌徽合金化处理后可达到6am左右；含C量为016的钢筋经铌微台金化处理后，可使屈服强度比未进行铌微合金化处理的钢筋提高近15，抗拉强度提高近7N，塑性(6。)提高近55；含c量为o-2的钢筋经铌微合金化处理后，可使屈服强度比未进行铌微合金化处理的钢筋提高近14，抗拉强度提高近8，反提高近12；进一步提高铌的含量(达0085)虽然可进一步细化组织，但效
3、果趋弱。 本课题研究表明，在建筑用钢筋的冶炼过程中采用微量的铌对钢水进行铌微合金化，并经合理的控轧控冷工艺处理后，不但提高了力学性能而且降低了成本，可节省钢筋部分的建筑成本近7，在环保和资源方面都有一定的实用价值：采用铌微合金化技术结合合理的控轧控冷工艺对发挥含锟微合金钢的潜力、节约建材等均具有重要意义；本实验研究的成果将对实际生产有较大的指导意义关键诃：铌微合金化，组织，晶粒细化，力学性能 Abstract Depending Oil the existing production conditions of a steel group and on the basis of field p
4、roductive practice#us experimental analysis,the composition planning of the steel bar micro alloyed with Nb used for architecture has been studied in the paper,the effect of variation of composition On the microstructure and properties has been studied too；The effect of micro alloying with Nb On the
5、 micro structure and mechanical properties of steel bars containing 016Carbon and 020Car bun respectively by controlled rolling technique has been comparatively studied；the effect of controlled rolling technological parameters on the microstructure and properties has been analyzed,the rational contr
6、olled rolling technique has been determined with the combination of the field production experience；the mechanics of the refinement of microstructure and the increase of mechanical properties has been researched tooThe results showed that： Under the same controlled rolling and cooling technique,when
7、 the Carbon content raised form O16to o20，the amount of ferrite reduced little，and correspondingly the mt of pearlite increased little；After micro alloyed with 00401for the melt containing 016Carbon and 020Carbon respectively,both the ferrite and the pearlite became re：AJ apparently,the average grai
8、n diameter unalloyed with Nb is about 9urn Or so，and the average grin diameter alloyed with Hb could be up to 6um or so；For the 016Carbon steel bars,the Nb micro alloying could result in nearly 15 increase of yield strength，7increase of tensile strength and 55increase of plasticity(屯)For the 020Car
9、bun steel bars,the Nb micro alloying could result in nearly 14 increase of yield strength8 increase of tensile strength and 12incense of以；Further addition of Nb(up to 0085)could furthe fly fine the the microstructure,but the effect becomes weak The study result showed that：During the smelting proces
10、s of steel bars used for architecture,micro alloying with Nb and then processed by controlled roiling and cooling technique，the mechanical properties enhanced and the cost reduced too ,resulting in the cost reduction nearly 7which is useful for the environmental protection and conservation；The combi
11、nation of the Wo micro alloying technique andthe rational controlled rolling and cooling technique would be of most significance for the potential of Nb micro alloyed steel and the Building steel bar；,The result would be of guidance for the field production Key words：Nb micro alloyed，microstructure,
12、 grain refinement，mechanicalProperties. 第1章绪论11微合金钢的发展111国外微合金钢的发展过程及现状 二十世纪初高强度热轧钢材是根据抗拉强度设计的，对焊接性能、成形性能和抗脆性断裂的能力并不重视。廉价的合金元素碳用来达到要求的抗拉强度。对于结构钢，1934年的英国标准仍然把碳保留在027，但是已经把Mn含量增加到15左右。板厚为30mm的这种钢的屈服强度为350MPa，但这种材料既不要求冷成形性能也不要求焊接性能。在第二次世界大战后，为了改善焊接和抗脆断的能力，对遇到的主要组织缺陷提出了合理的要求，人们认识到，通过降低钢中的含碳量，可以得到较好的焊接性
13、能和较低的韧脆转变温度(D剐广r)，同时发现高的屈服强度比高的抗拉强度更为重要。通过降低含碳量来提高锰碳比，对防止热轧的钢件产生针状转变物是有利的微合金化是大多数低合金高强度钢的特征之一。近40年，由于微合金元素铌、钒、钛的有效和经济的运用，使低合金高强度钢(HSLA)的开发与生产获得了巨大的发展ll-31低合金高强度钢具有以下优点；1)较高的屈服强度，使其能够以较小的断面来承受较大的载荷；2)焊接性好；3)高的抗脆性断裂的能力及低的韧脆转变温度；4)好的成形性能。随着冶金技术和控轧控冷技术的不断发展，高强度低合金钢的成分特点也随之发展有文献将高强低合金钢解释为：HSLAt钢具有特别研制的化学
14、成分以赋予其较高的力学性能，在某些钢中还赋予其比普通钢明显高的抗大气腐蚀性；HSLA钢的生产通常侧重于力学性能的要求，而不是化学成分的范围：其c含量小于或等于020，其他合金元素含量低于3，其S、P等杂质的含量被控制在较宽的范围，冶金质量与普通钢级别相同；其力学性能明显高于普通钢或具有某些特殊性能0-,3新型低合金高强度钢微合金化钢的开发和应用从根本上充实和更新了低合金钢的物理冶金内容和钢的强韧化原理刚。一般微含金钢是指合金元素总含量小于o1的钢早期的微合金钢使用单一的微合金元素，现在广泛采用组合的添加元素，例如Nb-V和砸v。稳定，难溶的相将限制再结晶前后的晶粒长大，并且可以阻碍再结晶本身，
15、而更多的溶解相引起析出强化朔铌在钢筋生产中的应用起始于上个世纪7睥代德国的阿贝德钢铁公司，该公司采用普通热轧工艺生产含铌钢筋，取得了较大发展，同时期日本新日铁钢铁公司用铌微合金化和控轧技术相结合生产低温和超低温用螺纹钢筋，也取得了良好的效果。随后德国一家钢铁公司用穿水冷却工艺生产Bst500550级螺纹钢，进一步降低了合金元素总量，并大大改善了焊接性能112国内微合金钢的发展及现状 20世纪50年代，鞍钢以Mn为主要合金元素研制出我国第一个低合金钢种16Mn，对提高工程构件的使用寿命和安全性、改善焊接性等起到了很大作用。YBl3-59部颁标准中列举了16Mn和15MnTi等12个钢种。为适应科
16、学技术的发展和钢材使用部门对钢材品种质量要求的变化，鞍钢等充分利用微台金化元素对细化晶粒和析出强化的作用，相继开发了以V为主的微合金化钢15MnVN【6】。与此同时，中国各钢厂也相继开发了100种以上的钢种，如建筑用钢、工程机械用钢、桥梁用钢、汽车用钢、锅炉及压力容器用钢、舰船用钢、铁路用钢等。在此基础上，1988年部标升级为国家标准GBl591-88。在上世纪90年代，微合金化理论与控轧控冷技术的发展为微合金钢的发展提供了条件我国各大钢厂大力开展了微合金化钢的研究，成功研制了铌，钒、钛及各种复合微合金化钢。近年来，由于钒价格快速上涨，为进一步降低生产成本，发展铌微合金化热轧钢筋受到了特别的重
17、视我国氧化铌储量163万吨，把我国丰富的铌合金元素资源优势转化为微合金钢的品种优势将有力促进钢铁工业的发展。 微合金化技术的快速发展使微合金化的强韧化冶金原理及生产控制技术都得到不断完善，大力发展微合金化熟轧钢筋的外部条件已经成熟。我国目前处于经济高速发展时期，房地产、基础建设方兴未艾，高强度热轧钢筋的需求量快速增长。据统计，2003年全国钢筋的产量达到5700万吨，其中约340万吨为4(M)MPa级热轧钢筋。如果用4001VWa钢筋代替335MPa钢筋，就可以节约12一14的钢筋综合考虑生产钢材所需的原材料、能源等资源的消耗以及环境污染等问题，大力发展高强度热轧钢以节省材料利用势在必行实践证
18、明，微合金化可以作为一种既能降低成本、符合可持续发展要求，又能促进技术进步的手段来开发综合性能更好的钢铁产品12微合金钢的强韧化理论 近年来，国内外都致力于开发新型的高强度微合金结构钢。这些钢不仅具有高的强度，并且具有良好的塑性，韧性、焊接性和低的韧脆转交温度，冷成形能力也十分优异。低碳钢最重要的力学性能指标是室温屈服强度盯(或条件屈服强度砜，)、抗拉强度o和韧脆转变温度死大多数情况下，盯和Zc是设计选材的基本指标。随着工程应用对材料高性能需求的提高，人们一直把提高钢的盯。和降低rc作为研究开发的重点一般认为，钢的强化机制包括了细晶强化、固溶强化(置换强化和问隙强化)、析出强化、相变强化和位错
19、强化等。不同种类钢的强化方式各有特色，既可能是单一的，也可能是多种强化方式的复合根据修正的Hall-Perch公式，各种强化机制对屈服强度的贡献可表示为： (1-1) 相对于强化理论，韧化理论的发展较为滞后，这与韧化原理的复杂性有关目前采用50FATT作为转变温度，因其受试样尺寸影响较小，更接近于材料的特性。一般来说，随着晶粒尺寸的变小，韧脆转变温度下降Picketing等对低碳钢提出了韧脆转变温度的表达式： (1-2) 式中a包括了除晶粒直径以外的其他所有因素对韧脆转变温度的影响，而bd“为晶粒直径对韧脆转变温度的影响。一般b=115Cram“2当铁素体直径由20z细化到5#m时，可使乃下降
20、81C。晶粒细化的脆化矢量为-080CMP，而析出强化和相变强化的脆化矢量为046CPa，因此，晶粒细化可以在大幅度提高强度的同时使韧脆转变温度大幅度降低，而其它能有效提高钢材强度的强化方式都将导致韧脆转变温度提高。新型的高强度微合金结构钢强度主要是由超细晶粒来提供，同时微合金钢中细小弥散的微合金元素碳、氮化物的析出强化对强度也有很大贡献。晶粒的细化和微合金元素碳、氮化物析出的控制都可以通过调节控轧控冷工艺参数来实现在新型高强度微合金结构钢开发中，应集中研究晶粒细化的方法以及控制析出的发生，从而得到具有优良综合性能的新型钢材121晶粒细化 晶粒细化是提高热轧微合金钢强度和韧性的基本要求。Hal
21、l-Perch方程建立了晶粒直径与屈服强度的关系： 式中d为广义的晶粒直径。对低碳钢的试验研究表明，在应变速率为61旷一1 s-I内、晶粒直径范围由3tim到无限大(单晶)时，室温下的墨值在140-234Nm34范围内在微合金钢中一般采用墨=174N”图卜1为晶粒尺寸与屈服强度的关系 微合金钢细化晶粒的机理主要有：形变诱导铁素体、铁素体的动态再结晶和第二相的析出抑制晶粒长大从而使晶粒细化。当Y晶粒变形时，大的塑性流动先使晶粒沿着轧制方向拉长。在这个阶段中，位错也集中于某些区域，随着位错密度的增加，形成变形带组织。随着Y塑性变形的继续，应变诱导相变发生细小的铁素体晶粒主要位于拉长Y晶界或变形带处
22、，通过应变诱导相变生成，形变量愈大，位错密度越高，从而增加相变时的形核位置，加快了成核速率，使ya相变温度升高，相变速率加快，晶粒得到细化应变积累不仅可以增加铁素体形核位置和形核率，而且可以产生形变诱导铁索体和铁素体的动态再结晶，使晶粒细化。 由于微合金元素的加入，使奥氏体在低温轧制足以产生应变诱导碳氮化物析出在变形过程中以抑制再结晶，并且析出物的存在不仅阻碍位错的运动，而且会造成位错的增殖，使位错密度增高，形核位置增加；同时，第二相析出相界(或晶界)也可以成为再结晶晶核的一部分界面，从而降低形核阻力，二者同时使晶粒细化因此，微合金钢与低碳钢晶粒细化机制的不同之处是除形变诱导和铁素体的动态再结
23、晶机制外，还有应变诱导碳氮化物析出抑制再结晶的发生，阻止了晶粒长大，从而使晶粒细化。 由于晶粒细化是能够同时提高钢的强度和韧性的有效方法，因此，多年来人们一直通过多种手段致力于晶粒的细化晶粒长大是通过晶界迁移来实现的，所以影响晶界迁移的因素都会影响晶粒长大，这些因素主要有： (1)温度 由于晶界迁移的过程就是原子的扩散过程，所以温度越高，晶粒长大速度就越快。通常在一定温度下晶粒长大到一定程度就不再长大，但温度升高后晶粒又会继续长大 (2)杂质 及合金元素杂质及合金元素溶入基体后都能阻碍晶界运动，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其作用更大一般认为被吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能，从而降低晶
24、界的驱动力，使晶界不易移动 (3)第二相质点 弥散的第二相质点对于阻碍晶界移动起着重大作用大量的实验研究表明，第二相质点对晶粒长大速度的影响与第二相质点半径(r)和单位体积内的第二相质点的数量(体积分数圣)有关达到平衡时的稳定晶粒尺寸d与，、垂有下述关系： 可见，晶粒大小与第二相质点半径成正比，与第二相质点的体积分数成反比也就是说，第二相质点越细，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小 在钢中加入少量的Nb、AI等元素，形成适当体积分数和尺寸的A1N、Ti N、VC、Nb C等第二相质点，能有效地阻碍高温下晶粒的长大 (4)相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒的位相差有关，小角度晶
25、界界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的驱动力又与界面能成正比例，因此前者的移动速度要小于后者。传统晶粒细化的主要方法有： (1)加快冷却速度； (2)细化母相奥氏体(T)； (3)在加工硬化状态下使臭氏体相变； (4)使适量的析出物和夹杂物在奥氏体晶粒内部均匀分布聊。在高强度低合金钢中，通过加入碳、氮化物的形成元素(Nb，Ti等)以及采用控制热力学过程的方法来获取细化的多边形铁素体晶粒。Nb和面总是形成碳，氮化物，这些碳、氮化合物在热力学过程的早期(也在后期)有助于晶粒细化过程。这些质点通常呈立方体形，而且在钢坯的均热过程中不溶解 通过在奥氏体未再结晶区进行轧制，可有效地增加形变奥氏体的
26、晶界、形变带和位错挛晶等晶体缺陷，从而提高a变形的有效晶界面积(Sv)，提高a形核的形核率，细化a晶粒在奥氏体未再结晶区进行低温、大压下变形是获得超细铁素体晶粒的最有效的方法之一 在形变热处理工艺(TMCP)过程中，与最终晶粒尺寸相关的过程参数包括轧制温度和变形速度，相变开始时间和冷却速度等。通过形核和长大的最终微观组织取决于相变前的奥氏体区变形。对于经过TMCP过程的含Nb和Ti的钢，相交发生在某一特定温度，该温度下动态回复有可能迅速发生。碳、氮化物形成元素(Nb、Ti)使再结晶温度增高，并阻碍奥氏体再结晶，使钢适于热处理。另外，Nb和Ti碳化物的应变诱导析出在晶格缺陷(如位错和空位)中有效
27、地钉住了晶界，阻碍了奥氏体再结晶。在变形时，析出物同时也是铁素体的另一个形核场所，进一步减小了铁素体尺寸。除此以外，在冷却时它们还阻碍了晶界迁移，从而使晶粒更加细化因此，大量如前所述因素促进了晶粒细化 总的来说，在微合金化控轧钢中获得细晶的主要方法是：在奥氏体未再结晶区进行大变形，促进微合金元素碳氮化物的析出、增加未发生再结晶的奥氏体晶界、形变带和位错挛晶等晶体缺陷以增大有效晶界面积，提高形核率，从而细化铁素体组织通过经济和高效的形变热处理工艺(1McP)获得微米、亚微米级的超细晶粒组织是未来钢铁材料的发展方向。122析出强化 微合金元素在钢水中的另外一种存在形式是与钢水中的碳、氮等元素结合形
28、成碳、氮化物。这些碳、氮化物的析出强化对于提高微合金钢的强度也有显著的贡献这种强化作用主要是通过微合金碳、氮化物在T_一a转变时在铁素体中析出而产生的。这些在铁素体内部析出的细小弥散分布的析出物不仅产生显著的强化效果，而且能够阻碍Pa转变过程中所形成的铁索体晶粒长大，也能阻碍转变后的铁素体晶粒长大，钉扎晶界，从而获得细化的晶粒 在控制轧制过程中，微合金元素碳、氮化物的析出可以分为三个阶段： (1)均热未溶的微合金碳、氮化物质点通过钉扎晶界机制，阻止均热时奥氏体晶粒的粗化，保证细小的均热奥氏体晶粒得以生成； (2)在控轧过程中应变诱导析出相通过钉扎晶界和亚晶界的作用阻止奥氏体再结晶过程和晶粒长大
29、过程的进行，如果这部分组织在冷却时能保留到室温，将会产生一定的强化效果； (3)残留在奥氏体中的微合金元素进一步在铁素体中析出，产生显著的析出强化效果。 微合金碳、氮化物在奥氏体中的溶艇度是不同的，依TiN、NbN，TiC、VN、N b cVC次序递增，在铁素体中的溶解度也依照同样的次序。一般来说，微合金碳、氮化物的析出强化潜能随在奥氏体中溶解度的提高而增强。在其它条件相同时，析出强化的效果随析出物体积分数增加和质点尺寸减小而增强。 奥氏体中形成的析出物对铁素体的析出并没有什么贡献，事实上还可能有损于铁素体的强度，只有一部分有用的析出物在奥氏体中形成它们残留在奥氏体中。然后以下列方式析出： (
30、1)相变过程中以平面列阵方式在奥氏体和铁素体的相界上的相问析出； (2)相变以后在铁素体中析出，析出物在位错线上形成。在位错密度低的条件下，一般在基体上析出。析出物的形貌和分布取决于析出相的固溶度、冷却速度以及由相变温度所确定的位错密度。而相变温度又取决于冷却速度及钢中合金元素含量等热、动力学因素这些析出物全部能够强化铁素体，但同时导致韧脆转变温度提高口。每提高1MPa，Tc提高03左右 除了对力学性能的影响以外，铁索体内的析出物阻碍晶粒长大的作用也十分重要，特别是在热轧结束后的冷却过程中，析出物的尺寸大小对力学性能有重要影响。通过控制转变温度可以在一定程度上控制析出物的尺寸大小轧制温度越低，
31、析出颗粒越细，但是轧制温度低时，变形抗力加大冷却速度对于强度的影响是两方面的：一方面，由于冷却速度加快，析出物的尺寸变得更为细小，有利于强度的提高；另一方面，过快的冷却速度会抑制析出，因而在低温轧制时，虽然铁索体的晶粒尺寸十分细小，但由于析出强化减弱，屈服强度不会得到显著的提高这时，铁素体晶粒很细小，对强度的提高起到了主要作用，而析出强化的作用不明显，综合来看，强度不是太高，但塑性和韧性良好 由于沉淀对微合金钢强度贡献明显，人们通过实验观察研究了析出强化理论。根据Glad man等的理论，位错线在滑移面上两个相邻粒子之问弓出，模型以沉淀粒子混乱分布为根据，析出强化为：由此可见，由沉淀粒子所造成
32、的强化随粒子尺寸的减小和粒子体积分数的增加而增加。123固溶强化 固溶强化是在金属中添加另外一种或几种金属(或非金属)的原子形成固溶体达到强化的目的。固溶强化的金属学基础是由于运动的位错与固溶的异质原子之间的相互作用的结果。固溶强化有以下规律： (1)对于有限固溶体(如碳钢)其强度随溶质元素溶解量的增大而增大； (2)溶质元素在基体中的溶解度越小，固溶强化效果越好； (3)形成间隙固溶体的溶质元素(如钢中的cN、B等元素)其强化作用大于形成置换固溶体(如钢中的bin、Si、P等元素)的溶质元素； (4)溶质与基体的原子大小差别越大，强化效果越好固溶强化也是人们最早研究的强化方式之一，碳原子的间
33、隙固溶强化是钢中最经济、最有效的强化方式，而置换固溶强化在很多合金钢中也是相当重要的强化方式在一般的正火态或热轧态使用的结构钢中，碳、氮的固溶强化并不能成为主要的强化方式，因为高的碳、氮含量(特别是间隙碳、氮含量)将极大损坏钢的韧性和焊接性。因此微合金钢中尽量避免采用问隙固溶强化的方法来实现强化目的。一般的置换固溶强化效果都很弱(P除外)，添加1的合金元素仅能得到数十兆帕的强度增量，而且随着添加量的增加，强化效果还要减弱，因此置换固溶强化成本很高此外，置换固溶强化效果大的元素(如P、si等)对韧性的危害作用也很大，总体而言，微合金钢不采用固溶强化方式在铌微合金化钢中，其中的合金元素如碳、铌等固
34、溶在晶格间隙中也起到一定的强化作用，但只是一种辅助的强化方式124相变强化 热轧后加速冷却是提高钢材力学性能的有效途径与常规热轧相比，其产品室温组织将从多边形铁素体(a卜珠光体(P)过渡为贝氏体(BH多边形铁素体(a)为主的组织自上个世纪70年代至今，由HSLA钢和低碳钢开发出的显微组织为贝氏体(B)+多边形铁索体(a)+珠光体的钢，显示了优良的性能指标和应用前景。 合理的控轧控冷工艺可以在降低微合金元素含量或含碳量的情况下，在强化的同时又能保持较高的低温韧性【l”在加速冷却过程中，起作用的主要是相交强化以及a晶粒细化强化和碳、氮化物析出强化通过轧制后的加速冷却，可以使未相交的T晶粒发生相变生
35、成微细的多边形铁素体晶粒，使a晶粒更加细密，且内部还可能包含亚晶粒。这种包含亚晶粒的混合组织可以使强度得以提高低碳钢轧后经加速冷却，当终冷温度在适当范围内时，将产生粒状贝氏体组织，这种组织具有较高的显微硬度值和较大的体积百分数。粒状贝氏体的显微硬度值比珠光体的显微硬度值高，这是因为粒状贝氏体中位错密度高，基体上又均匀分布弥散而细小的碳化物，同时在粒状贝氏体相变时生成的粒状贝氏体的百分含量也相当高，因此钢的整体强度增加。125位错强化位错强化也是金属材料中有效的强化方式之一自从位错理论提出后，人们就对位错之闯的相互作用进行了大量的研究，在位错强化(加工硬化)方面取得了长足的进展。金属材料屈服强度
36、与位错密度P之间的关系为t121： 式中M为取向因子；a为比例系数；为切变模量；b为柏氏模量。对于立方金属多晶体，a一般取015，肘取为311 t31 a-Fe在退火状态下的位错密度约为1071cm2，正火状态下可达10L109cra2，此时由位错强化提供的强度增量仅为6-63MPa，则位错的作用将为晶界的作用所掩盖，因而完全忽略10的冷变形后位错密度达到5x1010cm2，而剧烈冷变形后位错密度可达5x10鼍cm2，此时位错强化提供的强度增量可达4407MPa，接近铁的理论强度剧141。因此位错强化也是钢中有效的强化方式之一此外，在易于产生交滑移的金属中，应变量超过一定程度后，位错将捧列成三
37、维亚结构，当这些亚结构的位错墙呈松散的缠结形貌时，称为“胞状结构”，当位错墙变窄且轮廓分明时，则称亚晶。具有十分发达的胞状结构的材料，其屈服强度或流变应力的增量为： 式中卢为比例系数；p为切变模量；b为柏氏模量；zk为胞状结构尺寸；向而=j为常数，试验确定大致为0124Nmm。亚结构强化本质上仍是位错强化。亚晶的力学行为很象晶粒。对强度的影响一般遵扶下式： 式中k为比例系数；p为切变模量；b为柏氏模量；Dc g为亚晶结构尺寸通常，贝氏体具有比多边形或形态的铁索体更高的位错密度。位错密度和显微组织可以通过熟处理进行更改。部分原始奥氏体的位错组织可以遗留于贝氏体中，从而获得额外的强化。总的来说，当
38、位错密度很低时，仅考虑晶界的作用；当位错密度很高时，主要考虑位错和位错胞状结构的作用；当这些位错重新排列而组成发达的亚晶时，亚晶内部位错密度很低的情况下，这对主要考虑亚晶的作用。13控轧控冷技术 以前，热轧只是赋予钢铁材料以工业原料所需外形的成形工序。自从控轧出现后，人们发现热轧还可以细化组织，控制轧制可以通过调控钢坯加热和轧制速度等条件，使产品性能获得一定程度的改善。充分利用控制轧制工艺来提高产品的实物质量已经成为世界范围的普遍追求从根本上讲，通过控制加热温度、轧制条件(轧制温度、变形量)和轧后冷却规范，可以得到细小晶粒的组织，从而提高钢的强度和韧性。131控轧控冷工艺控制轧制的主要目的是从
39、晶粒细化的角度出发，期望得到细晶组织，提高材料的强韧性。对于微合金钢而言，发生奥氏体向铁素体的相变时，铁素体晶核数目的多少对细化铁素体晶粒十分重要。为了实现晶粒细化的目的。可从热力学和动力学等方面采取措施。图1-2中给出了细化晶粒的几种思路： (1)细化母相奥氏体； (2)在加工硬化状态下使奥氏体相变； (3)适量的析出物和夹杂物在奥氏体晶粒内部均匀分布： (4)加快冷却速度这其中，前三种方法是通过使形核位置增多、增加铁素体晶核数目来实现晶粒细化的目的，从原理上讲属于热力学范畴；第四种方法是提高冷却速度加大过冷度，属于动力学范畴。 第一种为再结晶奥氏体区域轧制(约950C以上)再结晶温度范围内
40、的变形T晶粒因重复发生静态再结晶而细化1151，但一般认为这不占有主要地位在这一阶段内，因为再结晶而获得细小的T晶粒，将导致a晶粒的细化般而言，再结晶的T晶粒尺寸随着轧制压下率的增加而迅速减小，并且达到一个极限值，这个极限限定了再结晶细化a晶粒的限度。再结晶区轧制通过再结晶进行奥氏体晶粒的细化。此阶段中奥氏体的进一步细化较为困难，它是控制轧制的准备阶段。 第二种是未再结晶奥氏体区域轧制(约950C叫乜之间)。随着轧制温度的下降，奥氏体再结晶被抑制，仍保持加工硬化状态n在这一温度范围内，随着压下量的增加，奥氏体晶粒伸长，同时晶粒内有大量形变带，晶粒内部出现变形组织，此时发生7向a的相变过程。相变
41、是在T晶界和形变带上同时产生a核，使a的形核点增多，晶粒进一步细化。在微合金钢中，微合金元素如铌、钛等会提高7再结晶温度。这阶段的变形本质上促进了T晶界处以及T晶粒内部的形核速度此区轧制由于变形带的产生，实际是分解了T晶粒，这是控制轧制最重要的阶段。 第三种是在(T+a)两相区轧制(约At3以下)在此区轧制时，未相变的T晶粒更加伸长，在晶粒内形成形变带，而相变后的a晶粒受压后在晶粒内形成亚结构。 第四种为轧后加速冷却在特定温度区内增加冷却速度，使未相变的T晶粒发生相交变成微细的多边形晶粒。a晶粒更加细密，且内部包含亚晶粒，这种包含亚晶粒的混合组织可使强度提高，由于冷却速度增加，析出物的尺寸变得
42、更为细小，同时也增加了强度但是对于高强低合金钢，过快的冷却速度会抑制析出，虽然铁索体的晶粒尺寸十分细小，但由于析出强化减弱，屈服强度不会得到显著提高这时，很细的铁素体晶粒提供了几乎所有强度，因而强度不是太高，但有良好的塑性和韧性在微合金钢特别是含铌微合金钢的控制轧制中，通过在奥氏体未再结晶区轧制可有效细化晶粒。在奥氏体未再结晶区施以大变形是获得超细组织的最有效方法之一通过对奥氏体未再结晶区的大压下轧制，可有效减小奥氏体的晶粒尺寸，提高变形奥氏体的位错密度，增加形变带和位错孪晶等晶体缺陷，从而增加奥氏体向铁素体转变的形核点。一般热轧得到的晶粒为20um，轧后施行正火处理可使晶粒细化至10,um|
43、；控制轧制后加速冷却可以得到约却锄的晶粒。132控制轧制的主要影响因素 (1)微合金元素的作用 控轧钢中加入微合金元素，其主要目的是与控制轧剖相配合，最大程度地细化晶粒11”s l。m是最常用的细化晶粒的元素，它能在钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些析出物的细小质点可以钉扎晶界，具有强烈阻碍晶粒长大的作用在微合金钢中，复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和许多微合金钢中，为了发挥微合金元素的作用，往往加入Nb、Ti和v等多种合金元素，这三种元素都可以在奥氏体或铁素体中沉淀，因为在奥氏体中的溶解度大而扩散率小，故在奥氏体中沉淀比在铁素体中缓慢。形变加速了沉淀的过程，而沉淀由于钉扎了晶界
44、抑制了再结晶Nb细化奥氏体晶粒，抑制多边形铁素体的形成；Ti因为在奥氏体中溶解度高，对析出强化有利，但因其化学活性太大，加入钢中的钛极易与氧、氮、硫结合，只有剩余部分对形成T i C沉淀有效。这种。有效Ti”波动很大，故含Ti钢性能难以保持稳定；V可以在铁素体中形成碳化物、氮化物和碳氮化物沉淀，其中最为有效的是氮化物沉淀，但增加氮含量可能造成脆化并使焊接性能恶化。综合而言，Nb在微合金化钢中所起的作用比较好，而且加入Ti或v等合金元素，会使问题复杂化，因此本文没有采取复合微合金化的方法来强化钢材。 (2)加热温度对控轧效果的影响 在轧制前的加热过程中，如果加热温度过高，则由于在晶界上的微合金元
45、素碳氮化物溶解，阻碍晶粒长大的作用消失，会使奥氏体晶粒急速长大，得到粗大的原始奥氏体晶粒。但是，对于主要采用控轧控冷设计的微合金钢来说，原始奥氏体晶粒的长大是无关紧要的，在随后进行多道次大变形后，再加上合理的冷却工艺，就可以得到细化组织，起关键作用的是微合金元素在形变诱导析出的分数的大小及分布因此，在加热时，为了保证能够有相当数量的微合金元素溶解在奥氏体中，尤其是含有多种微合金元素的微合金钢中，奥氏体化温度应该在一个比较高的水平之上119-201 (3)变形量与低温韧性的关系在微合金钢中，特别是含铌微合金钢的控制轧制中，通过在奥氏体未再结晶区轧制，可以有效的提高形变奥氏体的晶界，形变带和位错孪晶等晶体缺陷，从而提高a形核的有效晶界面积和a的形核率，细化a晶粒在奥氏体的未再结晶区进行低温和大的压下变形是获得超细铁素体晶粒的最有效方法之一，晶粒细化可以在较高强度的水平上得到较高的低温韧性12“通过对未再结晶奥氏体的多道次大压下轧制，可以有效地减小奥氏体的晶粒尺寸，提高形变奥氏体的位错密度，增加形变
