热轧高强结构用钢组织控制理论与工艺开发

NORTHEASTERNUNIVERSITY博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目热轧高强结构用钢组织控制理论与工艺开发作者衣海龙学院材料与冶金学院专业材料加工工程指导教师王国栋院士杜林秀教授备注二零零七年三月日博士学位论文热轧高强结构用钢组织控制理论与工艺开发衣海龙东北大学2007年3月分类号密级UDC学位论文热轧高强结构用钢组织控制理论与工艺开发作者姓名衣海龙指导导师姓名王国栋院士轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学)杜林秀教授轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学)申请学位级别博士学科类别工学学科专业名称材料加工工程论文提交日期2006年9月论文答辩日期2007年3月学位授予日期答辩委员会主席评阅人东北大学2007年3月ADissertationinMaterialsFormingEngineeringMicrostructuralControllingTheoryandProcessDevelopmentofHotRolledHighStrengthStructuralSteelbyYiHailongSupervisor:ProfessorWangGuodongProfessorDuLinxiuNortheasternUniversityMarch2007-I-独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学博士学位论文摘要-II-热轧高强结构用钢组织控制理论与工艺开发摘要随着节约化经济的发展，作为钢铁材料生产流程主要环节的材料加工过程，实现减量化，生产节约型钢铁产品，对促进我国社会经济可持续发展具有重要意义。在新一代钢铁材料的开发研究过程中，希望用尽量少的资源，在不添加或少添加合金元素的条件下，生产出低成本、高附加值的高性能的钢材，这对于进一步挖掘钢铁材料的潜力，实现减量化制造具有重要意义。本文结合国家高技术研究发展计划（863项目）“500MPa碳素钢先进工业化制造技术”，在C－Mn钢基础上添加微合金元素铌、钒、钛，对其在轧制过程中的奥氏体高温变形行为、连续冷却过程的相变行为等物理冶金过程进行研究，探讨以TMCP工艺生产屈服强度为700MPa级高强钢过程中的组织演变及控制理论问题，以少加微合金元素、不添加附加值高的Mo、Cr、Ni等合金元素，实现材料减量化加工工艺的思想，在晶粒细化理论的基础上综合应用相变强化、析出强化等多种强化机制轧制高强钢，为进一步实现高强钢的减量化工业生产打下理论基础。研究取得如下结果：（1）以铌钒钛复合添加和单独添加钛的成分路线，综合运用细晶、析出、相变等强化方式，在实验室条件下成功开发出屈服强度为700MPa级高强钢。结果表明，实验钢具有良好的低温冲击性能及冷弯性能，达到了同类产品的性能要求，在不使用昂贵的Mo、Ni、Cr等合金元素和不稳定的B元素的前提下，实现了减量化生产。（2）针对实验钢奥氏体晶粒细化问题，通过对实验钢高温热变形行为的研究，给出了细化奥氏体组织的思路。结果表明，对于铌钒钛实验钢来说，其奥氏体晶粒的粗化温度大于1200℃，奥氏体再结晶终止温度为910℃，通过6道次大部分未再结晶控制轧制，其奥氏体晶粒细化到8μm。对于含钛实验钢来说，在1125～1250℃的加热温度范围内不存在明显的粗化温度，即粗化温度大于1250℃，奥氏体再结晶终止温度小于860℃，通过6道次再结晶控制轧制，其奥氏体晶粒细化到11μm。（3）针对实验钢组织演变问题，通过连续冷却模拟实验，分析了不添加Mo等合金元素的可行的控轧控冷路线。实验结果表明，实验钢在5～20℃/s较宽的冷却速度范围内都可以得到贝氏体组织，随冷却速度的增加，贝氏体量增多。因此，在轧制过程中可采取适当增加冷速来获得贝氏体，进而取代Mo的作用。由CCT曲线可知，实验钢经奥氏体区轧制后，存在较宽的铁素体析出区。因此，可以充分利用其连续冷却转变曲东北大学博士学位论文摘要-III-线的特点，以细晶铁素体组织为主，综合利用细晶强化、贝氏体的相变强化机制，避开在成分设计上添加Mo、B等合金元素来得到贝氏体组织的思路。（4）细化贝氏体组织对提高实验钢的性能具有重要意义。针对实验钢贝氏体相变的问题，研究了影响贝氏体相变的因素，分析了贝氏体相变动力学。实验结果表明，变形量和冷却速度对贝氏体转变量的影响较大。由于贝氏体板条间的间距在很大程度上是由与每个板条有关的碳的扩散所控制，相变温度是影响贝氏体组织形貌的主要因素，不同相变温度下碳原子具有不同的扩散能力，便形成了不同形态的贝氏体。由于不同组织形态的贝氏体具有不同的力学性能。因此，对于实验钢来说，在成分一定的情况下，可以通过对奥氏体的细化及适当的加速冷却来细化贝氏体组织，从而得到所需的性能。（5）对实验室轧制的700MPa级高强钢的分析结果表明，铌钒钛高强钢的组织为单一铁素体，铁素体晶粒细小而均匀，其平均晶粒尺寸为2.5μm，铁素体基体上分布着几个纳米至十几个纳米的（Nb、Ti）（CN）析出物，有效提高了钢材的性能，通过经验公式计算，其析出强化量约为250MPa。含钛高强钢的组织为铁素体＋贝氏体，铁素体和贝氏体组织明显细化，贝氏体板条束的平均长为6.9μm，平均宽为0.17μm。大量细小弥散的TiC粒子沿位错线及晶界析出或聚集，尺寸在几个纳米至几十个纳米之间，进一步提高了钢材性能。通过对实验钢的冷却过程的控制，改变铁素体和贝氏体的体积百分数，进而可以得到不同强度级别的高强钢，能够满足生产过程既要大规模进行，又要满足用户个性化的需求，在钢材成本减量化的基础上，为实现生产过程的减量化提供了思路。关键词：减量化；700MPa级高强钢；细晶强化；相变强化；析出强化；贝氏体；连续冷却转变曲线；控轧控冷；东北大学博士学位论文Abstract-IV-MicrostructuralControllingTheoryandProcessDevelopmentofHotRolledHighStrengthStructuralSteelAbstractWiththedevelopingofsavingeconomy,materialprocessinghasactedasthemainsegmentinferrousmaterialproductionflow,andinwhichreduceandproducingsavingtypesteelproducthavegreatinfluenceonthesociometricsustainabledevelopment.Duringtheresearchofnewgenerationferrousmaterial,thelowcostandhighperformancesteelsareexpectedtobeproducedbasedonsmalladditionofalloyelements,noadditionofexpensiveelements,andthishasgreatinfluenceonincreasingtheferrousmaterialpotentialandrealizingreducedsteelrollingtechnology.Theworksofthisdissertationwerecarriedoutintegratingwiththe863projectof“TheAdvancedIndustrialManufactureTechnologyOf500MPaCarbonSteel”.Theaustenitedeformationbehaviorathightemperature,phasetransformationduringcontinuouscoolingconditions,andbainitetransformationwereinvestigatedbasedonC-MnsteelusingmicroalloyingelementsNb,VandTi,individuallyorincombination.Themicrostructuralevolutionandcontroltheorywerestudiedduringdevelopmentof700MPahighstrengthsteelsusingthermo-mechanicalcontrolledprocess(TMCP).Thehighstrengthsteelswereobtainedusinggrainrefinement,phasetransformationstrengthening,precipitationstrengtheningandsoonbasedonsmalladditionofmicroalloyelements,noadditionofMo,Cr,Nietchighaddedvalueelementsandreducedsteelrollingtechnology.Thetheoryfoundationwaspreparedforproductionhighstrengthsteelsinthecommercialreducingprocessing.Themainworksinvolvedasfollows:(1)Thehotrolledmicroalloyedsteelsatstrengthlevelsupto700MPayieldstrengthhavebeenproducedinlaboratory,andstrengthenedbyacombinationofgrainrefinement,precipitationstrengtheningandphasetransformation,usingmicroalloyingelementsNb,V,TiincombinationorTiindividually.Theresultsshowthatthesteelshavehighlowtemperaturetoughnessandgoodcoldformingproperties,whichmeetrequiredperformanceforthesame东北大学博士学位论文Abstract-V-gradesteel.ThereducedsteelrollingtechnologywasrealizedbasedonnoadditionofMo,Cr,NietchighaddedvalueelementsandinstabilityelementB.(2)Inordertorefinetheaustenitegrain,hightemperaturedeformationwasinvestigated,andthemethodofrefinetheaustenitewasgiven.ForNb-V-Tibearingsteel,coarseningtemperatureofaustenitewasathigherthan1200℃,andrecrystallizationstoptemperaturewasat910℃,andtheaustenitegrainsizehadbeenrefinedto8μmthroughsixpassesdeformationinmostofn