低碳錳（鈮）鋼組織控制及強(qiáng)韌化機(jī)制的研究.pdf

1、低碳鋼在工業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用，通過(guò)改進(jìn)控軋控冷工藝，利用形變誘導(dǎo)鐵素體相變等理論來(lái)實(shí)現(xiàn)組織的超細(xì)化是生產(chǎn)超細(xì)晶粒鋼的主要手段。然而，這種超細(xì)化主要通過(guò)在較低溫度下大變形獲得，對(duì)生產(chǎn)條件的要求較高，低的變形溫度及大的變形量還會(huì)使形成的鐵素體擇優(yōu)取向變強(qiáng)。另外，晶粒細(xì)化會(huì)導(dǎo)致材料的屈強(qiáng)比提高，焊接時(shí)晶粒容易長(zhǎng)大，這使得超細(xì)晶粒鋼的應(yīng)用范圍受到一定的限制。此外，單純依靠細(xì)化晶粒來(lái)提高強(qiáng)度的作用是有限的，強(qiáng)度要求超過(guò)一定限度時(shí)，需要考慮其它

2、強(qiáng)化手段。 本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金和上海寶鋼集團(tuán)公司聯(lián)合資助項(xiàng)目“貝氏體在超細(xì)晶粒碳錳鋼強(qiáng)韌化中的作用”這一研究課題，對(duì)不同錳含量的低碳鋼和低碳鈮鋼的連續(xù)冷卻相變、形變誘導(dǎo)鐵素體相變、控軋控冷工藝及強(qiáng)韌化機(jī)制和拉伸變形力學(xué)行為進(jìn)行了研究。在低碳錳(鈮)鋼中獲得了貝氏體組織，研究了貝氏體對(duì)低碳錳(鈮)鋼強(qiáng)韌化的作用，取得了如下研究成果： (1)研究了低碳錳鋼熱變形和冷卻過(guò)程中的相變規(guī)律。采用熱模擬實(shí)驗(yàn)，利用熱膨脹法并結(jié)合

3、金相組織觀察，繪制了低碳錳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，探討了變形條件、冷卻工藝參數(shù)及錳含量對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的鐵素體和貝氏體組織轉(zhuǎn)變的影響，并綜合考察了錳含量、變形及冷速對(duì)鐵素體相變的影響。研究結(jié)果表明：1)變形促使CCT曲線向左向上移，促進(jìn)了γ→α相變，同時(shí)使貝氏體臨界冷卻速度增加，不利于獲得貝氏體組織；2)錳含量增加，鐵素體和貝氏體相變開(kāi)始溫度降低，貝氏體臨界冷卻速度減小；3)在較低的冷速下，錳含量越高，變形對(duì)γ→α相變的促進(jìn)作用越顯著。

4、(2)研究了低碳錳鋼在A<,e3>～A<,r3>之間過(guò)冷奧氏體變形時(shí)的真應(yīng)力．應(yīng)變曲線及組織轉(zhuǎn)變特征。研究結(jié)果表明：1)錳含量增加，鐵素體相變?cè)杏谘娱L(zhǎng)。隨著錳含量的增加，鐵素體的體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，錳含量增加明顯抑制了鐵素體相變的進(jìn)行；2)變形溫度的降低能促進(jìn)鐵素體相變的發(fā)生，而應(yīng)變速率的升高不利于發(fā)生形變誘導(dǎo)鐵素體相變：3)低碳錳鋼的動(dòng)力學(xué)曲線可分為三個(gè)階段，第一階段符合“位置飽和”機(jī)制，第二、三階段不符合“位置飽和”機(jī)制；4)低碳錳

5、鋼在A<,e3>～A<,r3>溫度范圍內(nèi)的軟化和硬化是多種因素共同作用的結(jié)果，這些因素包括化學(xué)成分(錳含量)、變形溫度和應(yīng)變速率等。在A<,r3>溫度附近進(jìn)行變形時(shí)，低錳含量的實(shí)驗(yàn)鋼在發(fā)生形變誘導(dǎo)鐵素體相變的同時(shí)還會(huì)發(fā)生鐵素體的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 (3)結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算，分析了熱變形對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼相變行為的影響。采用超組元模型、KRC活度模型以及Cahn的相變動(dòng)力學(xué)理論和Scheil的疊加法則，計(jì)算了不同Mn含量低碳鋼的熱變形奧氏體在連續(xù)冷

6、卻過(guò)程中γ→α相變平衡溫度A<,e3>、鐵素體相變溫度Ar3和貝氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度B<,s>，并分析了錳含量、奧氏體熱變形和冷卻速度對(duì)相變溫度的影響。計(jì)算結(jié)果表明：1)變形增大了平衡界面α和γ側(cè)碳的摩爾濃度，也增大了鐵素體的形核驅(qū)動(dòng)力：2)變形提高了鐵素體相變溫度，鐵素體體積分?jǐn)?shù)增加；冷速的增加降低了鐵素體相變溫度；3)錳含量增加使實(shí)驗(yàn)鋼的A<,e3>及A<,r3>溫度降低，推遲了鐵素體相變的發(fā)生。 (4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室控軋控冷實(shí)驗(yàn)，

7、在低碳錳鋼中獲得了細(xì)晶以及超細(xì)晶等軸鐵素體和貝氏體的復(fù)相組織。研究了變形量、終軋溫度、冷卻速度及卷取溫度等參數(shù)對(duì)低碳錳鋼及低碳鈮微合金鋼的組織組成、組織形貌及力學(xué)性能的影響，得出了實(shí)驗(yàn)鋼組織性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明：1)變形量的增加可顯著促進(jìn)鐵素體轉(zhuǎn)變并能細(xì)化鐵素體晶粒，但不利于貝氏體組織的獲得。提高開(kāi)冷溫度，加大冷卻速度利于獲得貝氏體組織；2)隨著終軋溫度和卷取溫度的降低，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度顯著提高。終軋溫度的降低可細(xì)化鐵素體晶粒，卷取溫度

8、的降低可增加貝氏體的體積分?jǐn)?shù)；3)錳含量增加，組織中貝氏體含量增加，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度升高；4)Nb的添加能夠細(xì)化鐵素體晶粒，促進(jìn)鐵素體轉(zhuǎn)變，對(duì)貝氏體形成有一定的抑制作用，貝氏體強(qiáng)化效果減弱。 (5)首次在低碳鋼中獲得了仿晶界型鐵素體/貝氏體復(fù)相組織。通過(guò)控制軋制溫度在A之上，水冷開(kāi)冷溫度在鐵素體相變區(qū)內(nèi)，然后在貝氏體相變區(qū)或低于貝氏體相變區(qū)進(jìn)行卷取，可以獲得仿晶界型鐵素體/貝氏體復(fù)相組織。具有該類組織的低碳鋼具有較佳的強(qiáng)韌性

9、配合。在A<,e3>之上終軋后快速冷卻，獲得的鐵素體為仿晶界型鐵素體；終軋變形在A<,e3>～A<,r3>之間進(jìn)行后，鐵素體形貌主要為等軸狀。根據(jù)鐵素體的形貌，進(jìn)一步證實(shí)低碳鋼在實(shí)驗(yàn)室控軋控冷條件下能夠發(fā)生形變誘導(dǎo)鐵素體相變的溫度應(yīng)低于A<,e3>。 (6)定量分析了各種強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)，建立了強(qiáng)韌化機(jī)制的數(shù)學(xué)模型，明確了貝氏體在低碳鋼強(qiáng)韌化中的作用。通過(guò)多元回歸的方法并結(jié)合已有的物理冶金模型獲得的描述鐵素體/貝氏體復(fù)相鋼的組織性

10、能關(guān)系式為：σ=45+4570C+3750N+37Mn+83Si+470P+17.0d-<'1/2>+1.82f<,B>(低碳錳鋼)σ=296+4570C+3750N+37Mn+83Si+470P+4.8d<'-1/2>+2.7f<,B>(低碳鈮鋼)DBTT=-30.6-4.3d-<'1/2>+1.4f<,P>％+0.5f<,B>％ (低碳錳鋼)。 (7)研究了低碳錳鋼在單軸拉伸條件下的變形行為，分析了加工硬化系數(shù)、硬化指數(shù)n與