控制軋制與控制冷卻.pptx

控制軋制與控制冷卻 0緒論 Introduction 課程簡介教學要求學習內(nèi)容教學安排參考書目控軋和控冷的概念控軋和控冷技術(shù)的發(fā)展過程我國控軋和控冷發(fā)展概況 課程簡介 控制軋制冷卻技術(shù)是近十多年來國內(nèi)外新發(fā)展起來的軋鋼新技術(shù) 已成功而廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)過程中 能明顯改善鋼材組織結(jié)構(gòu) 提高鋼材的強韌性和使用性能 學生通過學習課程 能進一步理解壓力加工過程不僅是解決成型及尺寸精度問題 而且成型過程本身也能影響金屬材料的組織轉(zhuǎn)變 最終影響產(chǎn)品性能 通過控制工藝過程的影響因素能在一定條件下獲得所需的組織結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品性稱 課程簡介 本課程作為金屬材料加工方向選修課 可使學生擴大和加深本專業(yè)的知識 掌握材料加工的前沿技術(shù) 控制軋制的核心就是將軋制的動態(tài)過程和熱處理的動態(tài)過程相結(jié)合 來提高產(chǎn)品的綜合性能 教學要求 理解通過對金屬加熱制度 變形制度和溫度制度的合理控制 使熱塑性變形與固態(tài)相變結(jié)合 以獲得細小晶粒組織 使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學性能 了解控制冷卻的工藝作用 控制軋制和控制冷卻技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 掌握鋼的強韌化理論 變形條件下再結(jié)晶和相變的組織行為理論 典型微合金元素在控制軋制中的作用機理及控制冷卻中的強化冷卻方式等控軋控冷的基本知識 學習內(nèi)容 第一篇 控制軋制及控制冷卻理論鋼的強化和韌化鋼的奧氏體形變與再結(jié)晶在變形條件下的相變微合金元素在控制軋制中的作用鋼材控制冷卻理論基礎(chǔ)第二篇 控制軋制及控制冷卻技術(shù)的應(yīng)用控制軋制及控制冷卻技術(shù)在鋼板生產(chǎn)中的應(yīng)用控制軋制及控制冷卻技術(shù)在型鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用控制軋制及控制冷卻技術(shù)在鋼管生產(chǎn)中的應(yīng)用 教學安排 教學 本課程2學分 總課時為32學時 每周2學時 1 16周上課 考核 總成績 平時成績 30 期末大作業(yè) 70 平時成績 考勤 課堂提問 課堂討論等期末大作業(yè)作為考試無故缺課達到學校規(guī)定的次數(shù)者 不能獲得本課程學分 參考書目 教材 王有銘 鋼材的控制軋制和控制冷卻 冶金工藝出版社 2008 6劉永銓 鋼的形變熱處理 冶金工業(yè)出版社李曼云 鋼的控制軋制和控制冷卻技術(shù)手冊 冶金工業(yè)出版社田中智夫 鋼的微合金化及控制軋制 冶金工業(yè)出版社鋼鐵冶金學報 控制軋制和控制冷卻概念 控制軋制 ControlledRolling 在熱軋過程中通過對金屬加熱制度 變形制度和溫度制度的合理控制 使塑性變形與固態(tài)相變結(jié)合 以獲得細小晶粒組織 使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學性能的軋制新工藝 對低碳鋼和低合金鋼來說 采用控制軋制工藝主要通過控制工藝參數(shù) 細化變形 晶粒 經(jīng)過 向 和P的相變 形成細化的 和較為細小的P球團 從而達到提高鋼的強度 韌性和焊接性能的目的 控制軋制和控制冷卻概念 控制冷卻 ControlledCooling 控制軋制后鋼材的冷卻速度達到改善鋼材組織和性能的目的 控制軋制和控制冷卻相結(jié)合能將熱軋鋼材的兩種強化效果相加 進一步提高鋼材的強韌性和獲得合理的綜合力學性能 目前 控制軋制和控制冷卻工藝已應(yīng)用到中 高碳鋼和合金鋼的軋制生產(chǎn)中 取得了明顯的經(jīng)濟效果 控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程 20世紀20年代開始研究鋼在熱加工時 溫度和變形條件對顯微組織和力學性能的影響 二戰(zhàn)時 荷蘭等國采用 低溫大壓下 細化低碳鋼的 晶粒 提高強韌性 50年代末和60年代初 美國和原蘇聯(lián)等國開展鋼的形變熱處理工藝與鋼材組織和性能關(guān)系的理論研究工作 為控制軋制和控制冷卻的機理研究和工藝的實踐奠定了基礎(chǔ) 控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程 20世紀20年代開始研究鋼在熱加工時 溫度和變形條件對顯微組織和力學性能的影響 二戰(zhàn)時 荷蘭等國采用 低溫大壓下 細化低碳鋼的 晶粒 提高強韌性 50年代末和60年代初 美國和原蘇聯(lián)等國開展鋼的形變熱處理工藝與鋼材組織和性能關(guān)系的理論研究工作 為控制軋制和控制冷卻的機理研究和工藝的實踐奠定了基礎(chǔ) 控軋控冷技術(shù)發(fā)展過程 60年代中期 英國鋼鐵研究會對鋼的成分與鋼的力學性能之間的關(guān)系進行了系列研究 提出了相應(yīng)的控制軋制理論 在開發(fā)控制軋制工藝時 人們致力于降低終軋溫度 近些年來 控制冷卻工藝已經(jīng)成功地運用到棒材 螺紋鋼 鋼管及型鋼生產(chǎn)和合金鋼生產(chǎn)中 并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益 我國控軋控冷技術(shù)概況 我國控制控冷起步于60年代初 并取得了初步成果 例如對含有Cr Ni V的超高強度鋼德形變熱處理工藝研究 軸承鋼軋后快冷工藝研究等 1978年開始對控制控冷進行系統(tǒng)研究 武鋼 鞍鋼 重鋼 太鋼等鋼鐵企業(yè)采用控制控冷技術(shù)生產(chǎn)高強度 高韌性的造船 鍋爐及壓力容器用各種鋼材 開發(fā)了新鋼種 填補了國內(nèi)鋼材的部分空白 第一篇控制軋制及控制冷卻理論 1鋼的強化和韌化 1 1鋼的強化機制 金屬材料的機械性能是指金屬材料在外力 載荷 作用時表現(xiàn)出來的性能 包括強度 塑性 硬度 韌性及疲勞強度等 載荷的形式 1 1鋼的強化機制 材料機械性能指標 1鋼的強化和韌化 對于鋼材來說 在大多數(shù)情況下其力學性能是最重要的 其中強度性能又居首位 除了強度之外 鋼材還要求一定的韌性和可焊性能 這兩個指標和強度是相互關(guān)聯(lián)甚至互相矛盾的 很難單方面改變某一指標而其它不變 結(jié)構(gòu)鋼的最新發(fā)展方向是高強 高韌和良好的焊接性能 控制控冷是滿足這一要求的一種較好的工藝 1 1鋼的強化機制 強度 金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力 用給定條件下所能承受的應(yīng)力來表示 圓形拉伸試樣 1 1鋼的強化機制 低碳鋼和鑄鐵的拉伸曲線 彈性變形階段 強化階段 頸縮階段 1 1鋼的強化機制 彈性極限 e 表示材料保持彈性變形 不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力 是彈性零件的設(shè)計依據(jù) 屈服極限 屈服強度 s 表示金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力 鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象 則用條件屈服點 0 2 來表示 產(chǎn)生0 2 殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值 強度極限 抗拉強度 b 表示金屬受拉時所能承受的最大應(yīng)力 e s b是機械零件和構(gòu)件設(shè)計和選材的主要依據(jù) 1 1鋼的強化機制 金屬強度的影響因素化學成分 W C 0 9 時 碳鋼隨含碳量的增加 其強度增加 加工工藝過程 純Cu和純Al的 s分別為60MPa和40MPa 經(jīng)過冷加工后強度明顯增加 熱處理工藝 W C 0 4 的碳鋼經(jīng)淬火和高溫回火 調(diào)質(zhì)處理 后 其強度由500MPa增至700 800MPa 1 1鋼的強化機制 強化 通過合金化 塑性變形和熱處理等手段提高金屬強度的方法 屈服強度 指金屬抵抗塑性變形的抗力 來源于金屬原子間的結(jié)合力 理論值為G 2 奧羅萬修正值為G 30 G為晶體的彈性模量 由于實際金屬中存在各種晶體缺陷 特別是存在位錯 位錯很容易運動 因而不能充分發(fā)揮原子間結(jié)合力的作用 故金屬的實際強度遠低于理論值 1 1鋼的強化機制 金屬和合金塑性變形包含晶內(nèi)變形和晶間變形 晶內(nèi)變形是通過各種位錯運動而實現(xiàn)的晶內(nèi)一部分相對于另一部分的剪切運動 最基本的是滑移 孿生和扭折 在T 0 5Tm時 可能出現(xiàn)晶間變形和晶界滑移 這類變形不僅同位錯運動有關(guān) 而且擴散過程也起重要作用 1 1鋼的強化機制 室溫時 金屬的塑性變形實質(zhì)上就是位錯運動 或者更全面的說是晶體缺陷運動 但位錯運動是基本的 主要的 提高位錯源開動所需要的應(yīng)力和位錯運動的阻力 就提高了金屬材料的屈服強度 也就提高了金屬材料的強度 故提高鋼的強度首先要提高鋼的屈服強度 1 1鋼的強化機制 一 冷變形強化 strainstrengthening 或應(yīng)變硬化 應(yīng)變強化 冷作硬化 加工硬化 位錯強化 1 基本概念冷變形 金屬材料在再結(jié)晶溫度以下的變形 冷變形強化 金屬材料在冷塑性變形過程中 隨著變形程度增加 其強度和硬度提高而塑韌性顯著降低的現(xiàn)象 1 1鋼的強化機制 2 強化機理冷變形使金屬內(nèi)位錯大量增殖 密度增大 位錯運動過程中彼此交截 形成割階 使位錯的可動性減小 許多位錯經(jīng)交互作用后纏結(jié)在一起 形成位錯纏結(jié) 使位錯運動更困難 以致需要更大的力才能使位錯克服障礙而運動 變形量越大 材料變形阻力越大 強度越高 1 1鋼的強化機制 3 特點金屬材料的冷變形強化程度隨變形量的增加而增加 而塑性隨之減少 金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)不同 其加工硬化率 或稱應(yīng)變硬化系數(shù) 也不同 HCP金屬的應(yīng)變硬化系數(shù)較小 而BCC特別是FCC金屬的應(yīng)變硬化系數(shù)較大 1 1鋼的強化機制 原因 BCC和FCC晶體的滑移系統(tǒng)很多 幾何軟化現(xiàn)象不會象HCP晶體可能出現(xiàn)的那樣強烈 BCC和FCC晶體滑移系統(tǒng)多 容易出現(xiàn)多系滑移和交滑移 也就容易出現(xiàn)較強烈的物理強化 BCC 3個 110 4個 12個滑移系FCC 4個 111 3個 12個滑移系HCP 1個 0001 3個 3個滑移系 1 1鋼的強化機制 4 應(yīng)用特別適用于純金屬及熱處理不強化的合金 尤其是導電材料 原因 雖然冷變形使延性 導電性和耐蝕性降低 但與其它方法如固溶強化相比 其冷變形后的導電性的降低要小得多 故用冷加工方法加工輸電銅導線 在實踐中利用 如冷拔線材 深沖薄板異型件等 1 1鋼的強化機制 二 固溶強化 solidsolutionstrengthening 1 基本概念固溶強化 當合金元素 溶質(zhì) 固溶到基體金屬 溶劑 中形成固溶體時 合金的強度和硬度則會提高 稱為固溶強化 如黃銅 Cu Zn 強度要高于紫銅 1 1鋼的強化機制 2 強化機理彈性交互作用 溶質(zhì)原子和位錯周圍均存在應(yīng)力場 為了使系統(tǒng)應(yīng)變能降低 二者會發(fā)生交互作用 比如溶質(zhì)原子對正刃型位錯的偏聚 形成柯氏氣團 圍繞位錯而形成的溶質(zhì)原子聚集物 阻礙位錯運運動 合金元素與基體金屬原子價不同 產(chǎn)生電化學交互作用 1 1鋼的強化機制 3 影響因素溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差別越大 強化效果越好 有限固溶體中溶質(zhì)元素溶解量越大 強化效果越好 溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度越小 強化效果越好 1 1鋼的強化機制 形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素 C N B等 的強化效果好于形成置換固溶體溶質(zhì)元素 如Mn Si P等 1 1鋼的強化機制 4 特點提高合金的屈服強度 抗拉強度和硬度的同時 對其它影響如下 幾乎都使合金的塑性低于純金屬 但少數(shù)例外 如Cu Zn合金的強度和韌性同時提高 使合金的導電性低于純金屬 提高合金的抗蠕變性能 減少高溫下強度損失 1 1鋼的強化機制 三 沉淀強化 preciptationstrengthening 或時效強化 agingstrengthening 1 基本概念沉淀強化 通過對過飽和固溶體的時效處理而沉淀析出第二相產(chǎn)生的強化 鋼中常加入微量Nb V Ti元素 形成碳化物 氮化物或碳氮化合物 在軋制中或軋后冷卻時析出 起到第二相沉淀強化作用 1 1鋼的強化機制 2 沉淀強化條件能形成有限固溶體 固溶度隨溫度的降低而減小 有析出的位置 晶體缺陷 3 強化機理位錯與析出第二相顆粒之間的相互作用 包括對提高強度有積極作用的繞過過程和對強度作用較小的剪切過程 1 1鋼的強化機制 4 沉淀強化影響因素析出相的顆粒尺寸和其體積百分比 質(zhì)點越小 百分比越大 強化效果越大 但質(zhì)點尺寸又不能過分小 質(zhì)點之間的距離也不能過分小 否則位錯不能在質(zhì)點直徑彎曲 變繞過機制為切過機制 強化效果下降 根據(jù)計算 一般的質(zhì)點為20 50個原子間距 體積占2 左右時效果最佳 1 1鋼的強化機制 析出相的特性 析出顆粒分布于整個基體上比晶界析出好 球狀顆粒比片狀好 顆粒彌散度越大 效果越好 比如 形變熱處理使基體中位錯密度增大 甚至形成亞晶 有利于沉淀相的形核和更彌散析出 增加強化效果 時效時間 時間越長 析出相顆粒越大 顆粒間距越大 強化效果越差 在高溫條件下 顆粒有隨時間長大的趨勢 1 1鋼的強化機制 四 細晶強化 grainsizestrengthening 1 基本概念細晶強化 通過細化晶粒來提高材料室溫強度的強化方法 2 特點同時提高金屬材料的室溫強度 塑性和韌性 是金屬材料常用的強韌方法之一 1 1鋼的強化機制 3 強化效果Hall Petch公式 晶粒度與屈服強度的關(guān)系式中 s 屈服強度 D 平均晶粒尺寸 i 常數(shù) 相當于單晶的屈服強度 K 斜率 表征晶界對強度影響程度的系數(shù) 和晶界結(jié)構(gòu)有關(guān) 而和溫度關(guān)系不大 1 1鋼的強化機制 1 1鋼的強化機制 P 30 時 Hall Petch公式變?yōu)槭街?s 屈服強度 MPa 0 純鐵單晶的屈服強度 MPa Mn Si N 鋼中各元素的重量百分比 D 等軸 晶粒的平均截線長 由此可知 晶粒細化可明顯提高鋼的屈服強度 1 1鋼的強化機制 P 30 時 Hall Petch公式變?yōu)槭街?s 屈服強度 fF fP F和P的體積百分比 0 2 P 純鐵素體鋼和純珠光體鋼的屈服強度 由此可知 鋼中C含量越低 細化晶粒的強化效果越大 1 1鋼的強化機制 4 強化機理晶界對位錯滑動的阻礙 位錯被晶界阻擋而塞積在晶界前面 從而迫使晶粒內(nèi)的滑移系由易到難都被開動 相鄰晶粒取向不同引起強化 滑移帶在位錯塞積群頂部產(chǎn)生引力集中 只有外力大到一定程度才能開動相鄰晶粒內(nèi)的位錯源 滑移才能從一個晶粒傳到下一個晶粒 另外 相鄰晶粒的取向不一致 還要在此應(yīng)力上乘一個放大系數(shù) 1 1鋼的強化機制 5 韌化機理晶粒細小時 單位體積中晶粒越多 金屬的總變形量可以分布在更多的晶粒內(nèi) 晶內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均勻性減小 晶粒內(nèi)部和晶界附件的變形量差減小 晶粒的變形也會比較均勻 減小應(yīng)力集中 這些推遲了裂紋的形成與擴展 使金屬在斷裂之前可以發(fā)生較大的塑性變形 強度和塑性提高 斷裂要消耗更大的功 因而韌性也較好 1 1鋼的強化機制 五 馬氏體強化 Martensitestrengthening 1 基本概念馬氏體強化 將鋼鐵淬火成馬氏體使鋼得到強化的強化方法 1 1鋼的強化機制 1 馬氏體強化機制固溶強化 M是C在 中的過飽和間隙固溶體 C引起FCC中正八面體間隙對稱晶格畸變 產(chǎn)生應(yīng)力場 阻礙位錯運動 時效 自回火 強化 M相變是非擴散型相變 但M形成之后 M中的C原子發(fā)生偏聚 使強度提高 C含量越高 時效強化效果越明顯 1 1鋼的強化機制 細晶強化 A轉(zhuǎn)變?yōu)镸時 形成了許多極細的 取向不同的M束 產(chǎn)生細晶強化效應(yīng) 且原始A晶粒越細 M晶群也越細 強化效果越好 位錯強化 M相變是一種切變過程 且轉(zhuǎn)變速度極快 使位錯密度大增 使位錯運動阻力增加 孿晶強化 C 0 3 時 M亞結(jié)構(gòu)中的孿晶數(shù)量增多 C原子在孿晶界面上偏聚 產(chǎn)生強化 1 1鋼的強化機制 2 變形對馬氏體強化的影響原A晶粒大小影響M晶群大小 合理的變形工藝可顯著細化A晶粒 從而細化M晶粒 增加M強化效果 A的塑性變形對M轉(zhuǎn)變按不同的鋼種 變形條件有不同的作用 即可促進M轉(zhuǎn)變 也可抑制M轉(zhuǎn)變 變形引起的A晶體結(jié)構(gòu)的不完善性 位錯密度增加而形成亞結(jié)構(gòu) 可被M繼承 提高強度 增加塑性 形變熱處理 1 1鋼的強化機制 六 其它強化方式盡量增加晶體中的缺陷 以阻礙位錯運動 提高強度 盡量減少晶體中的缺陷 提高強度 1 2材料的韌性 一 韌性定義及其表示1 沖擊韌性 缺口斷裂韌性 許多機械零件和工具在工作中 往往要受到?jīng)_擊載荷的作用 如活塞銷 錘桿 沖模和鍛模等 材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性 常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定 測得試樣沖擊吸收功 用符號Ak表示 用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S0 即得到材料的沖擊韌度ak 單位 J m2 1 2材料的韌性 Ak或ak越大 則材料的沖擊韌性越好 沖擊韌性與材料的組織密切相關(guān) 例如 45鋼正火處理后為S F組織 ak為500 800kJ m2 調(diào)質(zhì)處理后其組織為回火索氏體 ak為800 1200kJ m2 1 2材料的韌性 2 斷裂韌性 裂紋斷裂韌性 橋梁 船舶 大型軋輥 轉(zhuǎn)子等有時會發(fā)生低應(yīng)力脆斷 這種斷裂的名義斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強度 盡管在設(shè)計時保證了足夠的延伸率 韌性和屈服強度 但仍不免破壞 究其原因是構(gòu)件或零件內(nèi)部存在著或大或小 或多或少的裂紋和類似裂紋的缺陷造成的 裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴展 導致機件破斷 1 2材料的韌性 斷裂韌性 材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷裂的能力 用K C表示 是材料本身的特性 由材料的成分 組織狀態(tài)決定 與裂紋的尺寸 形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān) 1 2材料的韌性 二 提高鋼材韌性的途徑斷裂韌性是材料的一種性能 與強度一樣取決于材料的組織結(jié)構(gòu) 而材料的成分和生產(chǎn)加工工藝又決定了材料的組織結(jié)構(gòu) 故改善材料的韌性必然從工藝入手改變材料的結(jié)構(gòu) 以達到改善材料韌性的目的 1 2材料的韌性 1 成分控制合金元素加入基體 鐵 中形成固溶體可強化合金 甚至可析出第二相而強化合金 但同時合金元素含量的增加也造成基體內(nèi)缺陷的增加 降低材料的塑韌性 V Nb Ti Al Zr等元素 能夠細化晶粒 故既能提高強度又能提高韌性 S P 對韌性有害 盡量降低含量 1 2材料的韌性 C含量 C含量升高會增加鋼中P的量 會降低鋼的韌性 故在鋼種成分允許的范圍內(nèi)降低c含量 由此產(chǎn)生的強度下降則由增加成分中的Mn來彌補 鋼中一般都含有二元以上的合金元素 合金組元之間有交互作用 合金元素也可以通過不同途徑影響斷裂韌性 故一般要具體分析 以使合金元素具有適當含量 1 2材料的韌性 2 氣體和夾雜物控制H 引起白點和氫脆 應(yīng)盡量降低 N 與位錯結(jié)合力強 通過形成氣團而阻止位錯運動 降低韌性 形成固態(tài)氮化物時對韌性危害更大 只有與V形成NV 能提高鋼的強度并阻止奧氏體再結(jié)晶 輕度細化晶粒 O 常以氧化物形式存在 降低鋼的韌性 含量越多 對韌性的影響越大 1 2材料的韌性 鋼中的氣體量和夾雜物量的多少與冶煉方法 澆注方法直接有關(guān) 1 2材料的韌性 S 形成硫化物 對韌性有害 解決辦法 降低S含量或者加入Zr和稀土元素以固定S 改善橫行韌性 目前 采用各種冶煉和澆注新工藝 真空冶煉 攪拌技術(shù)等 使鋼中氣體和夾雜大量減少 生產(chǎn)出較純凈的鋼材 1 2材料的韌性 3 壓力加工工藝的控制通過加工工藝控制晶粒度材料理論韌性斷裂強度 c 2G K d 1 2G 材料的切變模量 材料的表面能 K 常數(shù) d 平均晶粒直徑 c d 1 2通過控制壓力加工工藝可以控制晶粒的大小 改變材料的韌性 1 2材料的韌性 通過加工工藝控制晶體取向鋼在A F或F區(qū)軋制后 F不發(fā)生再結(jié)晶 形成 111 織構(gòu) 引起各向異性 冷卻工藝和材料的成分一起影響相變產(chǎn)物的種類 形貌 數(shù)量等組織結(jié)構(gòu)特征 從而影響材料的韌性 4 熱處理工藝控制形變熱處理 1 2材料的韌性 三 強化機制對韌性的影響一切提高材料強度的因素都同時影響材料的韌性 1 固溶強化的影響間隙式固溶強化 不對稱晶格畸變 且晶格畸變強烈 塑韌性明顯降低 置換式固溶強