低碳錳（鈮）鋼組織控制及強韌化機制的研究.pdf

1、低碳鋼在工業(yè)中有著非常廣泛的應用，通過改進控軋控冷工藝，利用形變誘導鐵素體相變等理論來實現(xiàn)組織的超細化是生產超細晶粒鋼的主要手段。然而，這種超細化主要通過在較低溫度下大變形獲得，對生產條件的要求較高，低的變形溫度及大的變形量還會使形成的鐵素體擇優(yōu)取向變強。另外，晶粒細化會導致材料的屈強比提高，焊接時晶粒容易長大，這使得超細晶粒鋼的應用范圍受到一定的限制。此外，單純依靠細化晶粒來提高強度的作用是有限的，強度要求超過一定限度時，需要考慮其它

2、強化手段。 本文結合國家自然科學基金和上海寶鋼集團公司聯(lián)合資助項目“貝氏體在超細晶粒碳錳鋼強韌化中的作用”這一研究課題，對不同錳含量的低碳鋼和低碳鈮鋼的連續(xù)冷卻相變、形變誘導鐵素體相變、控軋控冷工藝及強韌化機制和拉伸變形力學行為進行了研究。在低碳錳(鈮)鋼中獲得了貝氏體組織，研究了貝氏體對低碳錳(鈮)鋼強韌化的作用，取得了如下研究成果： (1)研究了低碳錳鋼熱變形和冷卻過程中的相變規(guī)律。采用熱模擬實驗，利用熱膨脹法并結合

3、金相組織觀察，繪制了低碳錳鋼的連續(xù)冷卻轉變曲線，探討了變形條件、冷卻工藝參數(shù)及錳含量對實驗鋼的鐵素體和貝氏體組織轉變的影響，并綜合考察了錳含量、變形及冷速對鐵素體相變的影響。研究結果表明：1)變形促使CCT曲線向左向上移，促進了γ→α相變，同時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γ→α相變的促進作用越顯著。

4、(2)研究了低碳錳鋼在A<,e3>～A<,r3>之間過冷奧氏體變形時的真應力．應變曲線及組織轉變特征。研究結果表明：1)錳含量增加，鐵素體相變孕育期延長。隨著錳含量的增加，鐵素體的體積分數(shù)逐漸減少，錳含量增加明顯抑制了鐵素體相變的進行；2)變形溫度的降低能促進鐵素體相變的發(fā)生，而應變速率的升高不利于發(fā)生形變誘導鐵素體相變：3)低碳錳鋼的動力學曲線可分為三個階段，第一階段符合“位置飽和”機制，第二、三階段不符合“位置飽和”機制；4)低碳錳

5、鋼在A<,e3>～A<,r3>溫度范圍內的軟化和硬化是多種因素共同作用的結果，這些因素包括化學成分(錳含量)、變形溫度和應變速率等。在A<,r3>溫度附近進行變形時，低錳含量的實驗鋼在發(fā)生形變誘導鐵素體相變的同時還會發(fā)生鐵素體的動態(tài)再結晶。 (3)結合熱力學計算，分析了熱變形對實驗鋼相變行為的影響。采用超組元模型、KRC活度模型以及Cahn的相變動力學理論和Scheil的疊加法則，計算了不同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和貝氏體開始轉變溫度B<,s>，并分析了錳含量、奧氏體熱變形和冷卻速度對相變溫度的影響。計算結果表明：1)變形增大了平衡界面α和γ側碳的摩爾濃度，也增大了鐵素體的形核驅動力：2)變形提高了鐵素體相變溫度，鐵素體體積分數(shù)增加；冷速的增加降低了鐵素體相變溫度；3)錳含量增加使實驗鋼的A<,e3>及A<,r3>溫度降低，推遲了鐵素體相變的發(fā)生。 (4)通過實驗室控軋控冷實驗，

7、在低碳錳鋼中獲得了細晶以及超細晶等軸鐵素體和貝氏體的復相組織。研究了變形量、終軋溫度、冷卻速度及卷取溫度等參數(shù)對低碳錳鋼及低碳鈮微合金鋼的組織組成、組織形貌及力學性能的影響，得出了實驗鋼組織性能的變化規(guī)律。結果表明：1)變形量的增加可顯著促進鐵素體轉變并能細化鐵素體晶粒，但不利于貝氏體組織的獲得。提高開冷溫度，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，實驗鋼的強度顯著提高。終軋溫度的降低可細化鐵素體晶粒，卷取溫度

8、的降低可增加貝氏體的體積分數(shù)；3)錳含量增加，組織中貝氏體含量增加，實驗鋼的強度升高；4)Nb的添加能夠細化鐵素體晶粒，促進鐵素體轉變，對貝氏體形成有一定的抑制作用，貝氏體強化效果減弱。 (5)首次在低碳鋼中獲得了仿晶界型鐵素體/貝氏體復相組織。通過控制軋制溫度在A之上，水冷開冷溫度在鐵素體相變區(qū)內，然后在貝氏體相變區(qū)或低于貝氏體相變區(qū)進行卷取，可以獲得仿晶界型鐵素體/貝氏體復相組織。具有該類組織的低碳鋼具有較佳的強韌性

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>之間進行后，鐵素體形貌主要為等軸狀。根據鐵素體的形貌，進一步證實低碳鋼在實驗室控軋控冷條件下能夠發(fā)生形變誘導鐵素體相變的溫度應低于A<,e3>。 (6)定量分析了各種強化機制的貢獻，建立了強韌化機制的數(shù)學模型，明確了貝氏體在低碳鋼強韌化中的作用。通過多元回歸的方法并結合已有的物理冶金模型獲得的描述鐵素體/貝氏體復相鋼的組織性

10、能關系式為：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