细晶钢及超细晶钢及其生产技术.docVIP

细晶钢及超细晶钢及其生产技术 钢铁材料作为人类使用的最传统和最主要的结构材料，其经济性和性能多样性的结合是目前任何一类工程材料难以媲美的，并在今后相当长的时间内仍将发挥主导作用。但也应该看到，钢铁材料的生产正面临着能源、资源和环境问题的巨大压力，同时也面临着其它材料的激烈竞争。因此，从上世纪末开始，世界上许多国家（如日本、韩国、中国、欧盟等）陆续启动了旨在大幅度提高钢材的强韧性和使用寿命的大型科研项目，掀起了新一轮钢铁材料研究的热潮[1-3]。我国于1999年正式启动了“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目，其主要目标是保证生产经济性的前提下，使钢材的强度和韧性提高一倍，或强度、韧性没有明显增加，但其使用寿命提高一倍[1]。提高材料强度的方法有多种，但晶粒细化是唯一既能提高强度又能改善韧性的方法，其它方法均会损害韧性。因此，超细晶组织应是新一代钢最主要的特征。根据Hall-Petch关系，低碳碳素钢的屈服强度从目前的200MPa级提高到400MPa级，其铁素体晶粒尺寸应细化至3-5(m；而对于低合金钢和微合金钢，其屈服强度从目前的400MPa级提高到800MPa级，铁素体晶粒应细化至1(m或更小。这是新一代钢所追求的目标[1]。 自上世纪六十年代以来，人们一直致力于钢材晶粒细化的研究和开发工作，先后开发出未再结晶控轧（传统控轧）、再结晶控轧以及控制冷却等晶粒细化工艺，并在实际中得以广泛应用[4]。但是，运用上述工艺获得的铁素体最小晶粒尺寸，对于碳素钢为10(m，而对于微合金钢为4(5(m，其屈服强度分别在200(300MPa级和400(500MPa级[4]。自上世纪九十年代开始，一些新的晶粒细化方法又相继问世，如超大塑性变形、极限热机械加工等[34, 39-48]，铁素体晶粒可细化至亚微米甚至纳米级，材料的强度大幅度提高。但是，这些方法目前仅能在实验室中实现，而且制备出的材料尺寸小，成本高，不符合我国新一代钢低成本、大规模生产的要求。 上世纪八十年代初（1981），R. Priestner首次报道了低碳钢轧制时轧缝中（roll gap）发生的(((相变，并称之为应变诱导铁素体相变(Strain-induced Transformation to Ferrite)[52]； Yada等的工作表明，通过1073K多道次变形，可将普通C－Mn钢的铁素体晶粒尺寸细化到1-3(m，晶粒细化的原因被认为是变形诱导相变（Deformation Induced Transformation）和铁素体动态再结晶综合作用的结果[54]（1987）。此后，澳大利亚的Hodgoson等[59]（1992），韩国的Lee等[75]（1995）、W.Y. Choo等[3]（1998）相继报道了类似的现象，并分别称其为应变诱导相变（Strain Induced Transformation）和应变诱导动态相变（Strain Induced Dynamic Transformation）。尽管上述名称各异，研究方法也不尽相同，但其实质相同：（1）强调了相变发生于变形过程中，而不是变形之后的冷却过程中；（2）强调了可以形成超细铁素体晶粒。我国新一代钢铁材料的重大基础研究借鉴了上述学术思想，但深度和广度有了进一步提高。采用变形诱导铁素体相变（Deformation Induced Ferrite Transformation）或变形强化相变（Deformation Enhanced Transformation），我国已分别将碳素钢和低碳微合金钢的铁素体晶粒尺寸细化到3(m和1(m，屈服强度分别提高到400MPa和800MPa以上[89, 94]。 与其它晶粒超细化的方法相比，变形诱导铁素体相变工艺的最大优势在于它与现行钢铁生产工艺流程接近，在现有轧制设备上或经过一定改造的设备上就可以实现，因而具有广阔的发展前景。但这一技术真正走向成熟，有赖于基础研究的深入进行。目前的基础研究大多集中于碳素钢和C-Mn钢，而对于低碳钢微合金钢变形诱导铁素体相变问题的研究还不够充分。本报告将主要围绕低碳微合金钢的变形诱导铁素体相变开展工作，以期阐明其组织演变特点、变形参数和化学成分的影响规律以及热力学和动力学基础，为DIFT技术在这类钢中的应用提供理论依据。 1.2 低碳钢（微合金钢）晶粒细化技术和理论的研究进展 纵观低碳钢晶粒细化问题的研究，大致可分为两个阶段。第一阶段是上世纪六十年代初开始的以控轧控冷工艺为核心的热机械加工技术和相关理论问题的研究。这一研究在七十年代达到高潮，进入八十年代有所减少，但一直延续至今。这一阶段系统地研究了奥氏体的再结晶问题、微合金碳氮化物的溶解与析出以及奥氏体再结晶的耦合关系、铁素体的形核和长大问题等，确立了未再结晶区控轧和再结晶控轧以及控制冷却工艺