晶粒细化技术实现钢材品种的升级

目

日日

粒细化技术实坝钢材品ＩｍＢｇ升级

天津现代职业技术学院齐菲

［摘要］２１世纪中国钢铁行业进入了技术进步和产业升级的全新阶段，推进钢铁工业转变其增长方式实现钢铁产品升级势在必

行。本文结合相变理论分析了现行的晶粒细化技术机械微合金化细化和控轧控冷细化工艺，表明细晶强化能实现材料高强度和高韧性的良好匹配，同时指出高性能钢材的发展方向。

［关键词］低成本高性能钢细晶强化机械为合金化ＴＭＣＰ

一、钢铁材料的历史和竞争优势

钢铁材料是人类使用的主要结构材料，钢铁工业的发展与人类的

进步息息相关。某种意义上．钢铁的生产能力和消费水平代表了一个国家的综合国力。在２０世纪６０一７０年代，曾一度有人把钢铁工业视为“夕阳工业”。但纵观结构材料的生产、技术和消费水平，钢铁材料在许多方面仍具有明显的竞争优势。

相对于其他材料．钢铁材料的最大竞争力就是其相对丰富的资源优势。首先，铁矿石储藏量巨大；废弃的钢铁可以回收，具有良好的循环再生能力。其次。随着钢铁制造技术的革新，使其生产成本和能耗大

大降低。再次，钢铁材料具有优异日ｆ靠的使用性能，能满足机械、冶金、

建筑、运输．海洋、化工等不同行业的需求。最后，钢铁材料易于加工成型．可以通过冷加工埽｝造、铸造、焊接、热处理等技术手段来满足各种用途。此外．钢铁具有最完备的理论基础和知识体系。在相变。塑变、合金化、生产加１＝等方面积累了大量的实际经验和科技文献．为钢铁的研究、开发、生产和应用创造了有利条件”１。

二、钢铁材料的发展现状——面临增长方式的转变

进入２１世纪，我国钢产量连年位居世界第一，始终保持２０％以上的增长。然而随着科学技术和现代＿Ｅ业冉匀发展，市场却进人了新的供需不平衡的阶段。表现在两个方面．一方面普通产品供给过剩．供大于

求；另一方面高附加值产品供给不足，供不应求。因此，政府颁布了《钢

铁产业发展政策》，鼓励生产企业提高钢材的强度和使用寿命，推进钢铁工业转变其增长方式”１。

低成本高性能钢（ＨＰＬＣ。Ｈｉｇｈ

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＬｏｗ

Ｃｏｓｔ）是近年来钢材品种的发展方向。在ＨＰ【ｃ钢的生产中，减少了合金元素的使用，一方面使成本降低，另一方面，实现了资源的节约。此外，ＨＰＬＣ钢注重冶炼环节的洁净度，降低了有害元素的含量；通过强力型轧机和强力加速冷却装置的工艺优化实现控轧控冷，获得的组织在满足材料高强度的同时，还使塑性，韧性和届强比等荸要指标达到要求”ｌ。

三、实现钢铁产品升级的重要途径——细化晶粒

强度和韧性是材料的蓖要的学性能指标，提高屈服强度（仉），降低韧脆转变温度（Ｅ）是新型ＨＰＬＣ研究的重点。提高强度的方法有舍金元素的固溶强化．第二相的析出强化和弥散强化、细化晶粒足寸的细晶强化以及增加位错密度的位错强化。但大多数强化机制在提高强度的同时会导致甥性的降低；只有细晶强化不会影响塑性，实现材料强度和韧性的同步提高”。

Ｈａｌｌ—Ｐｅｌｃｈ公式表明，材料的强度与晶粒直径成反比。有研究表

明．当材料的粒径从ｌＯｌＬｍ级下降到ｌ“ｍ，ｏ．将提高一倍以上，并能显著

改善其韧性，Ｔ降至一２０００Ｃ以下。目前已应用于大型结构材料生产的细品强化的方法有：机械合金化处理、控轧控冷工艺处理、循环热处理和多向变形量加工等，利用这些细化晶粒的方法可将组织细化到微米级ｌ，＿ａ

（一）机械微合金化细化

在钢的成分中适当加入某些合金元素能有效地细化母相组织．并会在母相中引入第二相粒子；而钉扎在晶界的碳氮化物，能抑制晶界的迁移．降低晶核的长大速率。传统的合金化理论表明，一方面某蝗元索（如Ｍｏ）固溶于钢的组织中，在晶界上偏聚，降低了晶界的移动速度，使再结晶的温度升高，一定温度下由于同溶原子的拖拽作用，使晶粒长大的速度受到抑制。另一方面．某砦微合金元素（Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ）在钢率形成纳米级的碳氮化物．强烈阻碍晶粒的长大．并伴有大量非均匀晶核的形成。还有些元素（如Ｃｒ）能降低相变温度，细化相变前后产生的微合金碳氮化物。

微台金元素在钢的加热和均热过程中，由于其碳氛化物的熔点较高。在奥氏体的晶界起到钉扎作用，防止晶粒长大，为组织的进一步细化奠定了基础。热加工过程中．微合金元素受到应变诱导，在奥氏体晶界、位错线和变形带上析出相应的碳氮化物，从而有效地阻止晶界的迁移，抑制奥氏体的再结晶和晶粒长大。相变过程中析出地微合金碳氮化物除了抑制铁素体晶粒的长大，大量弥散的析出相还会产生沉淀强化作用，提高钢的强度，从而获得强韧性的良好配合。但是多年的研究

一ｌｌＯ～

万方数据

●

表明，单纯依靠合金化技术细化晶粒组织具有较大的局限性，只有结合

适当的热处理工艺，才能达到较好的效果。

（二）控轧控冷工艺细化

目前工业上广泛应用的控轧控冷工艺（１ｗｃＰ），即控制轧制和加速冷却。为增大形核驱动力减小粒径尺寸．对奥氏体化的组织进行加速冷却。对已经完全奥氏体化的钢材施加大压下量．使母相组织处于加工硬化状态，从而获得较高的形核率ｌ，同时实现形核位置的增加（即组织缺陷）。ＴＭＣＰ有效地利用了加工硬化和相变强化的机理，是一种将成型工艺和热处理操作相结合的ｔ艺方法。经过形变热处理后的材料不仅实现』’生产流程的简化，而且在性能上表现出高强度和高韧性的

良好配合ｍ。

奥氏体（１）再结晶区轧制、１未再结晶区轧制、奥氏体＋铁素体

（Ⅱ）两相区轧制和加速冷却过程是传统ＴＭＣＰ工艺的四个阶段。１Ｍ—ＣＰ的各个阶段将细化晶粒的方法宥机的组合起来，首先通过再结晶区的反复轧制，细化『．粗大的母相组织；其次，未再结晶【，ｔ的轧制使母相组织处于加工硬化状态，引入了大量的位错和形变带，获得了更多的形核位置；最后进行的加速冷却增大了形核驱动力，实现了晶粒的细化。

ＴＭＣＰ＿Ｔ＿艺细化晶粒主要包括两方面：形变热处理细化和形变诱导相变细化。现行的形变热处理工艺有很多，通常分为两类。一类是对相变前母相１的形变加工，即在较低的奥氏体化温度下施加大变形量．使奥氏体发生再结晶．并于晶粒尚未长大前进行淬火。采用这种方法可将晶粒尺寸将至５Ｉ．Ｌｍ左右，但很难进一步细化组织。另一类是对相变后产物（马氏体）的形变加工，即将淬火处理后的钢进行冷变形处理，然后通过退火，使之发生回复和ｆＩ｝结晶。这种工艺对组织的细化十分有效，但由于马氏体组织的高强度，在进行大变形量加工时．会给实际生产造成困难。

与传统的热轧相比．形变诱导相变将变形温度控制在奥氏体再结晶区的较低温度范围内，从而获得超细的铁素体晶粒的方法。Ａｒ’和Ａｅ，之间对金属材料进行大变形量的轧制．提高丁相变的温度．在发生形变的同时实现丁１一ｄ的转变，最后通过快速冷却保持超细的铁素体组织。形变诱导相变是目前产量最大的方法，可将碳钢的铁素体粒径细化至３肛ｍ以下，但只适用于发生—ｒｑ相变的低碳低合金钢是限制其发展的主要原因“。

四、结语

低成本高性能钢良好的性能优势将在未来的市场竞争中突显。从

国民经济的建设和发展战略上考虑，发展ＨＰＬＣ钢能促进钢铁工业增长方式的转变，推进我国从钢铁大国向钢铁强国的转型。因 …… 此处隐藏：2129字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……