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铁素体/珠光体型钢板内部质量及其影响因素研究

作　者: 冯锐
导　师: 李胜利
学　校: 山东大学
专　业: 材料学
关键词: 铁素体/珠光体型钢板 内部质量 分层缺陷 异常偏析带 粒状贝氏体 工艺优化
分类号: TG142.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


钢铁工业中发展最迅速、最富有活力的钢种是低合金高强度钢,特别是屈服强度在500MPa以下的铁素体／珠光体型钢,该类型钢具备优良的强韧性能,是目前应用最广泛的钢种之一。目前生产铁素体/珠光体型钢的主要途径是在C-Mn钢或C-Mn-Si钢基础上添加微量合金元素铌、钒、钛等,通过TMCP (ThermoMechanical Control Process)工艺控制微合金碳氮化合物的析出和过冷奥氏体的相变行为,以达到优化组织、提高强韧性的目的。国内外研究者长期致力于提升铁素体/珠光体型钢板内部质量的研究,所谓钢板内部质量的好坏,实际上是指钢板内部组织的均匀性和完整性。就一定厚度的钢板而言,无论工艺如何改变,都将出现厚度方向从表层到心部的组织不一致,诸如：晶粒尺寸差异、铁素体形态差异及析出相分布和尺寸差异等。另外,如果钢板的成分设计不合理或工艺控制不当,就可能导致钢板内部出现非铁素体／珠光体组织及其它类型缺陷。通过调研国内几家大型钢铁生产企业及工程机械和煤机制造企业,并查阅文献,发现部分批次的铁素体/珠光体型钢板存在内部质量缺陷,尤以分层缺陷最为突出。国内外学者、钢铁生产企业和用户均已发现钢板中的分层缺陷及其对力学性能的不良影响。但是,目前对分层缺陷的成因仍无统一认识,特别是有关连铸坯中心偏析是如何影响热轧钢板分层缺陷这一重要问题尚无深入阐述。对照研究有分层缺陷和无分层缺陷的钢板,发现有分层缺陷钢板的Mn元素含量普遍偏高,另外,部分企业生产的钢板仍然存在其它微合金元素使用过量的情况。针对以上两类问题,本文优化了合金成分设计、TMCP工艺和连铸工艺；采用透射电子显微镜(TEM)、扫描俄歇微探针(SAM)、金属原位分析仪及力学性能检测等手段,分析了实验室试轧和工业化生产的钢板微观组织和力学性能。研究了连铸坯中心偏析与热轧钢板分层缺陷的继承性关系,并从热力学和动力学方面揭示了钢板中异常偏析带的形成机理。在此基础上得出各因素(包括：合金成分、连铸工艺、TMCP工艺及后期热处理)对钢板内部质量的影响规律。主要研究内容和结论如下：1.通过研究C、Mn、Si、Nb、V、Ti等合金元素在钢中的作用,得出了合金成分减量后的铁素体/珠光体型钢板成分设计。本试验钢以C、Mn、Si作为基本元素,添加适量的Nb、V、Ti微合金元素,以及微量的B元素并尽量降低P、S等有害元素含量,与目前国内市场商用钢种的合金成分对比得出,本试验钢的合金元素加入量明显低于同级别商用钢种。用Gleeble热／力模拟方法测定了试验钢的再结晶曲线和CCT曲线等,优化了TMCP工艺参数,试验钢的奥氏体化温度为1200℃,粗轧阶段初期前4道次设定压下量8.5mm以下以增大再结晶晶粒的体积分数,末道次采取较大压下量以细化奥氏体晶粒,终轧温度控制在1020℃；精轧阶段开轧温度控制在900℃以下,避开900℃～1000℃部分再结晶温度区间,终轧温度控制在830～850℃；冷却速度根据钢板厚度控制在5～10℃/s,终冷温度控制在670～690℃,控冷后直接空冷至室温。设计钢板的工业化试验表明：新工艺流程顺畅,合金成本低于目前同级别的商用钢种,可以实现批量化生产。2.通过热力学与动力学计算,结合TEM观察和EDS能谱分析研究了钢板中微合金碳氮化物在TMCP工艺过程中的固溶和析出规律,从细晶强化、固溶强化和析出强化等方面分析了钢板的强韧化机理。结果表明,微合金碳氮化物主要有TiN、VC和Nb(C,N),TiN的固溶和析出温度较高,形态经历了由球形向方形的长大过程,常与VC和Nb(C,N)复合析出,可以有效阻止奥氏体化过程及粗轧再结晶后的晶粒长大；VC呈圆片状,主要是在γ→α转变后的冷却过程中于铁素体晶粒内部共格随机析出的,引起钢板的析出强化；Nb(C,N)呈圆片状,尺寸约10nm,主要在晶界和位错附近形核,并在γ→α转变过程中析出,可以有效钉扎位错运动,强烈阻止形变奥氏体再结晶,具有一定的晶粒细化效果。按照位错绕过析出相的Orowan机制,计算得到析出强化产生的强度增量为143.9MPa,细晶强化产生的强度增量为261.9MPa,固溶强化产生的强度增量为92MPa,设计钢板的计算强度值为497.8MPa。由于细晶强化产生的强化效果超过总强度的40%,因此设计钢板具有良好的塑韧性能。3.用金属原位分析仪等研究了连铸坯不同位置的化学成分分布,采取理论计算和统计分析的方法探讨了钢水过热度、二冷水强度、拉速、电磁搅拌及轻压下工艺与连铸坯内部质量和厚度方向组织之间的关系。结果表明,部分批次连铸坯中心处存在明显的C、Mn、S和P元素偏析,Gleeble热／力模拟试验表明,连铸坯热变形后在原中心偏析区出现了带状分布的贝氏体组织。TEM观察发现由连铸坯表层至中心处硫化物夹杂量逐渐增加,且在中心出现聚集分布,这些都与连铸坯中心处Mn偏析有关。控制合理的连铸工艺参数,将钢水过热度控制在30℃以内,适当增强二冷水强度、合理选择连铸坯拉速、控制电磁搅拌频率、选择适当位置进行适度轻压下等措施可以有效改善连铸坯内部质量。4.用SEM和SAM等观察了工业化生产的钢板表层、1/4厚度和中心厚度处的微观组织,分别在对应厚度处截取薄试样测量局部区域的力学性能,并从热力学和动力学方面揭示异常偏析带的形成机理。结果表明,有分层缺陷钢板的中心处存在粒状贝氏体异常偏析带和一定程度的混晶,同时存在较多的硫化物夹杂,以上三个因素导致钢板出现分层缺陷。研究得出钢板异常偏析带区存在明显的C-Mn元素偏聚,钢板中的Mn偏聚继承自连铸坯的Mn偏析,异常偏析带区贝氏体的形成与连铸坯中心Mn偏析有直接关系。连铸坯中心处C-Mn偏聚形成的Fe-Mn-C原子团有效束缚了原子运动,增加了奥氏体相变时的晶格重构阻力,为贝氏体的形成创造了热力学条件；C-Mn偏聚使连铸坯中心处C曲线中珠光体转变曲线和贝氏体转变曲线发生相对位移,致使原来的C曲线形状变为河湾形状,为较低冷速下该区域的过冷奥氏体转变为贝氏体创造了动力学条件。有分层缺陷钢板的最佳正火处理工艺为900℃×3min/mm,该正火工艺无法消除Mn元素的偏析,但可以通过扩散降低异常偏析带区的C含量,并使异常偏析带区的贝氏体完全转变为珠光体,同时达到了消除钢板分层缺陷的目的。

全文目录


摘要  13-16
ABSTRACT  16-21
第一章 绪论  21-53
  1.1 引言  21
  1.2 低合金高强度钢的发展及研究现状  21-23
  1.3 微合金化技术  23-26
    1.3.1 Nb元素的析出行为  24-25
    1.3.2 V元素的析出行为  25
    1.3.3 Ti元素的析出行为  25-26
  1.4 TMCP工艺研究现状  26-30
    1.4.1 控制轧制工艺  26-28
    1.4.2 控制冷却工艺  28-30
  1.5 中厚板轧后热处理  30-31
  1.6 低合金高强度钢的强韧化技术  31-35
    1.6.1 晶粒细化  32
    1.6.2 固溶强化  32-33
    1.6.3 析出强化  33-34
    1.6.4 位错强化  34
    1.6.5 亚晶强化  34-35
  1.7 低合金高强度钢连铸坯及钢板中的缺陷  35-41
    1.7.1 连铸坯中心偏析  35-38
      1.7.1.1 形成机理  35-36
      1.7.1.2 控制措施  36-38
    1.7.2 钢板分层缺陷  38-41
      1.7.2.1 形成机理  39-40
      1.7.2.2 控制措施  40-41
  1.8 本文的研究目的及主要研究内容  41-42
    1.8.1 研究目的  41
    1.8.2 主要研究内容  41-42
  参考文献  42-53
第二章 本文涉及的主要试验方法  53-59
  2.1 试验钢的熔炼及轧制  53-54
  2.2 力学性能测试  54-55
    2.2.1 拉伸性能试验  54
    2.2.2 夏比冲击试验  54
    2.2.3 维氏硬度试验  54-55
  2.3 微观组织观察  55
    2.3.1 金相显微镜观察  55
    2.3.2 扫描电子显微镜观察  55
    2.3.3 透射电子显微镜观察  55
  2.4 成分分析  55-57
    2.4.1 俄歇扫描微探针分析  55-56
    2.4.2 光电直读光谱仪分析  56-57
    2.4.3 金属原位分析仪分析  57
  2.5 X射线物相分析  57
  2.6 电阻率测定试验  57-58
  2.7 相变过程模拟  58
    2.7.1 热膨胀试验  58
    2.7.2 Gleeble热/力模拟试验  58
  参考文献  58-59
第三章 合金成分减量化设计及TMCP工艺优化  59-95
  3.1 引言  59
  3.2 合金成分和显微组织设计  59-67
    3.2.1 合金元素作用分析及含量设计  59-62
      3.2.1.1 C、Mn、Si元素  59-60
      3.2.1.2 微合金元素Nb、V、Ti  60-61
      3.2.1.3 Al、B元素  61-62
      3.2.1.4 P、S元素  62
    3.2.2 显微组织设计  62-65
    3.2.3 力学性能和焊接性能分析  65-67
      3.2.3.1 力学性能分析  65-66
      3.2.3.2 焊接性能分析  66-67
  3.3 TMCP工艺优化  67-88
    3.3.1 试验钢的热/力模拟试验  67-70
    3.3.2 奥氏体化温度测定  70-73
    3.3.3 再结晶曲线测定  73-84
      3.3.3.1 静态再结晶曲线测定  73-75
      3.3.3.2 真应力—真应变曲线测定  75-79
      3.3.3.3 CCT曲线测定  79-84
    3.3.4 控制轧制工艺优化  84-87
      3.3.4.1 轧制温度  84-86
      3.3.4.2 道次变形量  86-87
    3.3.5 控制冷却工艺优化  87-88
  3.4 工业化试验  88-89
  3.5 本章小结  89-90
  参考文献  90-95
第四章 钢板中的析出相及其强韧化机理  95-116
  4.1 引言  95
  4.2 微合金碳氮化物析出热力学与动力学  95-102
    4.2.1 微合金碳氮化物析出热力学  95-99
      4.2.1.1 铌化物析出热力学  95-97
      4.2.1.2 钒化物析出热力学  97-98
      4.2.1.3 钛化物析出热力学  98-99
    4.2.2 微合金碳氮化物析出动力学  99-102
  4.3 微合金碳氮化物形态和分布  102-108
    4.3.1 TiN粒子形态和分布  102-106
    4.3.2 VC粒子形态和分布  106-108
    4.3.3 Nb(C,N)粒子形态和分布  108
  4.4 钢板的强韧化机理  108-111
    4.4.1 强化机理  108-110
    4.4.2 韧化机理  110-111
  4.5 本章小结  111-112
  参考文献  112-116
第五章 连铸坯的内部质量及其影响因素  116-139
  5.1 引言  116
  5.2 试验方案  116-118
    5.2.1 连铸坯成分分布测定  116-117
    5.2.2 Gleeble热/力模拟试验  117-118
  5.3 连铸坯成分分布和其对相变的影响  118-127
    5.3.1 连铸坯宏观形貌  118
    5.3.2 连铸坯成分分布  118-124
      5.3.2.1 C元素和Mn元素  118-121
      5.3.2.2 S元素和P元素  121-124
    5.3.3 连铸坯成分分布对相变的影响  124-127
  5.4 连铸坯内部质量的影响因素  127-135
    5.4.1 钢水过热度  127-128
    5.4.2 二冷水强度  128-131
    5.4.3 拉速  131-132
    5.4.4 电磁搅拌  132-133
    5.4.5 轻压下技术  133-135
  5.5 本章小结  135
  参考文献  135-139
第六章 工业化生产的钢板微观组织和力学性能  139-178
  6.1 引言  139
  6.2 钢板生产工艺及试验方案  139-142
    6.2.1 钢板生产工艺  139-140
    6.2.2 试验方案  140-142
      6.2.2.1 试验材料  140
      6.2.2.2 微观组织和力学性能分析  140-141
      6.2.2.3 化学成分分析  141
      6.2.2.4 热处理试验  141-142
  6.3 无分层缺陷钢板微观组织和断口形貌  142-144
  6.4 有分层缺陷钢板断口形貌  144-148
    6.4.1 拉伸断口形貌  144-145
    6.4.2 冲击断口形貌  145-146
    6.4.3 Z向拉伸断口形貌  146-148
  6.5 有分层缺陷钢板微观组织和力学性能  148-152
    6.5.1 微观组织  148-151
    6.5.2 力学性能  151-152
  6.6 钢板分层缺陷的形成机理探讨  152-158
    6.6.1 异常偏析带与分层缺陷的关系  152-153
    6.6.2 混晶组织与分层缺陷的关系  153-154
    6.6.3 硫化物夹杂与分层缺陷的关系  154-158
  6.7 异常偏析带的形成机理  158-163
    6.7.1 异常偏析带的化学成分分布  158-161
    6.7.2 异常偏析带形成的热力学和动力学原因  161-163
  6.8 有分层缺陷钢板的轧后热处理工艺研究  163-172
    6.8.1 正火处理工艺对钢板力学性能和微观组织的影响  164-171
    6.8.2 正火处理对Mn和C偏析的影响  171-172
  6.9 本章小结  172-173
  参考文献  173-178
第七章 结论  178-181
  7.1 主要结论  178-179
  7.2 主要创新点  179-181
致谢  181-183
攻读博士学位期间完成的学术论文和获得的奖励  183-185
附件  185-197
学位论文评阅及答辩情况表  197

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 钢 > 钢的组织与性能
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