控制轧制中铁素体晶粒的细化

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.s1.006 北京钢铁学院学报 1982年增刊2 控制轧制中铁素体晶粒的细化 金相教研宝 藏品光截文建 摘要 本文研究了三种碳一锰、碳一锰一铌钢控制轧制中铁素体晶粒细化的规律。大量试验证 明，热轧后钢中铁体晶素粒尺寸(dr)主要受形变量（ε）、形变温度(T,)、原地真民 体昌粒尺寸()及冷却速度、钢中成分的影响。在单道次轧制中这三种钢的铁素体晶粒 尺寸与各参数的综合定量关系黄可用下式表达： 55th( d-90 d:= 25 +a +b(T。-750)±+cd. 将式中的d改为“等效奥氏体温粒尺寸”，此式就可应用于多道次轧制，予测多道次轧制 后的铁素体晶粒尺寸。 在国外控制轧制已广泛应用于热轧板带的生产，近年来国内在推广控制轧制新工艺中取 得可喜的成果。控制轧制铁素体珠光体钢，主要是依常铁素体晶粒细化并辅以沉淀强化、亚 界强化来达到强韧化的目的。大量研究证明在非调质钢中，唯有晶粒细化可既提高强度又能 降低低温脆性，并建立起铁素体晶粒尺寸(d,mm)与性能间的定量关系[1,2]，d一士 每增加1(mm)-±，屈服强度可提高1.5kg/mm',脆性转化温度可降低11.5℃。目前 用控制轧制工艺生产的低碳含铌钢，铁素体晶粒可达5μm,仅由铁素体晶粒细化就使屈服 强度提高约15kg/mm,脆性转化温度降低到-80℃[8]。正因为如此，多年来人们对控制 轧制中铁素体晶粒细化的机理，铁素体晶粒尺寸与控制轧制工艺的关系进行了很多研究，研 究了铁素体晶粒尺寸与形变温度[4,5,6]、形变量[7,8,9]、加热温度[10,11]、轧后冷 速或卷取温度[9,12]的关系，这些工作只注重各工艺参数的独立作用和定性的影响，对各参 数之间的交互作用和定量的关系，没有进行完整系统的研究。以前的工作中也很少涉及在细 化铁素体晶粒方面单道次轧制与多道次轧制之间的关系，因此根据已有的研究结果很难具体 地予测实际生产中可以获得的铁素体晶粒尺寸。 本文的研究目的就是研究低碳钢、低碳含铌钢单道次热轧时工艺参数（加热温度、形变 温度、形变量、冷却速度等)对铁素体晶粒尺寸的棕合定量彩响，并将得出的数学表达式运 用于多道次轧制，予测多道次轧制后的铁素体晶粒尺寸，为设计控制轧制工艺提供根据。 -51-

北 京 钥 铁 学 院 学 报 二 年 幼刊 之 控制轧制中铁素体晶粒的细化 金 相 教研 室 旅 品光 崔文暄 摘 要 本文研究 了三 种碳 一锰 、 碳一卜 妮 钢控制轧制 中铁素体 位细 化的规伸 。 大 试脸证 明 ， 热 轧 后 钢 中铁体 。 素 较 尺 寸 主要受形 变， 。 、 形变沮 度 。 、 始魂 体 粒 尺寸 及 冷 却速度 、 钢 中成分 的影 晌 。 在单道 次轧翻 中这 三种 俐 的铁索体 位 尺寸与各 今教 的综合 定 关系 甘可用 下式衰达 旦 ， 二 一 、 一 已 、 ， 。 一 女 ‘ 将式 中的 改 为 “ 娜效典氏体 位尺寸 ” ， 此 式就可应用 于多道次轧锐 ， 予 洲 多道 次轧翻 后的铁索体 社 尺寸 。 在 国外控制轧制已广泛应用 于热轧板带的生产 ， 近年来国内在推广控制轧制新工艺 中取 得可 喜的成果 。 控制轧制铁素体珠光体钢 ， 主要是依靠铁素体 晶粒细化并辅以沉淀强化 、 亚 界强化 来达到 强 韧化的 目的 。 大量研究证 明在非调质钢 中 ， 唯有 晶粒细化可既提 高强度又 能 降低低温 脆性 ， 并 建 立起铁素体 晶粒尺寸 ， 与性能 间的定量关系〔 ， 〕 ， 一 士 每增加 一 于 ， 屈 服强度 可提 高 ， ， 脆性转化温 度 可降低 ℃ 。 目前 用 控制 轧制 工艺生 产的低碳 含锭钢， 铁素体 晶粒可达 林 ， 仅 由铁素体 晶粒细化 就使屈 服 强度提 高约 ， 脆性转化温度降低到 一 ℃ 〔 〕 。 正 因为如此 ， 多年来人们对控制 轧制 中铁素体 晶粒细 化的机理 ， 铁素体 晶粒尺寸与控制轧制工艺 的关系进 行 了很 多研究 ， 研 究 了铁素体 晶粒尺 寸 与形 变温度 ， ， 、 形变量 ， ， 、 加 热温度 。 ， 川 、 轧后冷 速或 卷取温度 【 ， 的关 系 ， 这些工作只注重 各工艺 参数的 独立作用和 定 性的影响 ， 对各参 数之 间的 交互 作用 和定量 的 关系 ， 没有进行完整系统 的研究 。 以前 的工作 中也很 少 涉及在细 化铁 素体 晶拉方 面单道 次轧制 与多道次轧制之间的 关系 ， 因此 根据 已有 的研究结果很难具 体 地 予测 实际 生 产 中可以获得的铁素体晶粒尺寸 。 本文的研究 目的 就是研究低碳钢 、 低碳含锭钢单道 次热轧时 工艺参数 加 热温度 、 形 变 温度 、 形 变量 、 冷却速 度等 对铁素体 晶粒尺寸的综合定最影响 ， 并将得 出的数学表达式运 用 于 多道 次轧制 ， 予测 多道次轧制后的铁 素体 晶粒尺 寸 ， 为设 计控制轧制 工艺提供 根据 。 一 一 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．s1．006

一、试验材料与试验方法 试验材料为三种C一Mn、C一Mn一Nb钢，化学成分见表1.4C取自武钢生产的板胚， 06Mn、06MnNb钢为非真空感应炉治炼的钢锭锻成25mm方钢。试样全部加工成阶梯形， 一道次轧制后得到六种变形量：0、10、20、30、50、65%。轧制在实验室Φ260轧机上进 行，平均变形速度为7秒-1。每一钢种选取四种加热温度、自加热温度以下每隔50℃选一轧 制温度，最低到800℃，轧制温度由焊入试样中心的热电偶控制，轧后的试样在800~500℃ 区间平均冷却速度为0.45℃/秒及0.6℃/秒。从试样各阶中部选取金相磨面，浸蚀后用定量 金相法测量铁素体晶粒的平均直径，对每一试样统计的晶粒数目为200~400个。 表1 试验材料的化学成份（重量%） 钢 种 C Ma Si Cu Nb 4C 0.13 0.61 0.23 0.037 0.015 0.15 06Mn 0.06 1.31 0.05 0.012 0.005 一 06MaNb 0.06 1.42 0.11 0.008 0.004 0,04 二、工艺参数对铁素体晶粒的影响 “对轧制工艺和化学成份各不相同的500多个试样的铁素体晶粒尺寸进行分析，可以看出 工艺参数及钢中成份对铁素体晶粒尺寸的综合影响。 1。随形变量增大，铁素体晶粒尺寸逐浙减小，但减小的速度也逐渐变慢。形变量为10 一30%时。增大形变量引起的铁素体晶粒细化比较显著，而达到50一60%以后继续增大形变 量几乎不产生附加的细化效果。在细化铁素体晶粒方面，形变量与原始奥氏体晶粒尺寸、轧 后冷却速度、钢中Mn、Nb的含量有交互作用。原始晶粒越细、轧后冷却越快或钢中Mn、Nb 含量越高，形变量对铁素体晶粒尺寸的影响就越弱。形变量与形变温度的交互作用仅表现在 小变形的情况下。形变温度越高，小变形对铁素体晶粒细化的贡献越小。（图1、图3及图 4。) 2.降低形变温度直到800℃，可使铁素体晶粒不断细化。降低形变温度的细化晶粒效 果在1000℃以下比较突出，而在1000℃以上不太明显。形变温度与其它工艺参数的交互作用 不大。但改变钢中的成份可以使形变温度对铁素体晶粒尺寸的影响发生显著变化。对于4C, 形变温度在1000℃以下每降低50℃可使铁素体晶粒尺寸减少2一3um,而对于06MnNb,仅 减少1μm。(图2) 8.加热温度越高，原始奥氏体晶粒越大，轧后得到的铁素体晶粒也越大。原始奥氏体 一52一

一 、 试验材料与试验方法 试验 材料为三 种 一 、 一 一 钢 ， 化学成分 见表 。 取 自武钢生 产的板胚 ， 、 钢 为非真空感应炉冶炼的钢锭 锻成 方钢 。 试样全部加 工成 阶梯形 ， 一道次轧制后得到六种变形量 、 、 、 、 、 。 轧制在实验室中 轧机上 进 行 ， 平均变形速度为 秒 一 ‘ 。 每一钢种选取四种加 热温度 、 自加 热温度以下每隔 ℃选一轧 制温度 ， 最 低到 ℃ ， 轧制温度 由焊人试样 中心的热电偶控制 ， 轧后的试样在 ℃ 区间平均冷却速度为 ℃ 秒及 ℃ 秒 。 从试样各 阶 中部选 取金 相磨面 ， 浸蚀后用定量 金相法测量铁素体 晶粒 的平均直径 ， 对每一试样统计的 晶粒数 目为 ， 。 个 。 表 试 验 材 料 的 化 学 成 份 重 量 钢 种 · ‘ · … · … 二 …一 此 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 通 。 二 、 工 艺参数对铁素体晶粒 的影响 ‘ 一 对轧制工艺和化学成份各不相 同的 多个试样的铁 素体 晶粒尺 寸进 行分析 ， 可以看 出 工艺参数及钢 中成份对铁素体 晶粒尺寸的综合影响 。 随形变 增大 ， 铁素体 晶粒尺 寸逐 渐减小 ， 但减小的速度也逐 渐变慢 。 形 变量 为 一 时 。 增大形 变盈 引起的铁 素体 晶粒细化比较显著 ， 而达到 一 以后继续增大形 变 几乎不产生附加 的细化效果 。 在细 化铁 素体 晶粒方 面 ， 形 变量 与原始奥氏体 晶粒尺 寸 、 轧 后冷却速度 、 钢 中 、 的含量有交互作用 。 原始晶粒越细 、 轧后冷却越快或钢 中 、 ‘ 含 越高 ， 形变 对铁 素体 晶粒尺 寸 的影响就越弱 。 形变最 与形 变温 度的交互作用仅表现在 小变形的情况下 。 · 形变温 度越 高 ， 小 变形对铁素体 晶粒细 化的贡献越小 。 图 、 图 及图 。 降低形 变温度直到 。 ℃ ， 可使铁素体 晶拉不断细化 。 降低形 变温 度的细化 晶粒 效 果在 。 。 。 ℃ 以下比较突 出 ， 而在 。 。 。 ℃ 以上不太明显 。 形 变温度与其它工艺参数的交互 作用 不大 。 但改变钢 中的成份可以使形 变温度对铁素体 晶粒尺寸的影响发生显著变化 。 对 于 ， 形变沮度在 ℃ 以下每降低 ℃ 可使铁素体晶粒尺寸减少 一 林 ， 而对于 ， 仅 减少 “ 。 图 加热温度越高 ， 原始奥 氏体 晶粒越大 ， 轧后得到 的铁素体 晶粒也越大 。 原始奥氏体 一 一

(a)4C,T,=1100℃，d=12pm 35 Tot -1050-x 20 0=100950 A 900 50一 0 800 10 30 ()06Mr,T,-1c50℃，d.=120tm 25 To C 1000 .950 900 850 10 800 30 25 (c)06MnN,Ta-1200℃，d.=1I1um T。c 1150 三1100,1050t 900 850 800 0 10 0 30 0 50 60 70 e%, 图1铁素体晶粒平均直径(dF)与形变量(e)的关系，800~500℃平均 神却速度：a一0.45℃秒，b.c,一0.6℃/秒 晶粒尺寸对铁素体晶粒尺寸的影响在形变量不大时非常显著，但随形变量的增大逐渐减弱。 (图8) 4.提高轧后的冷却速度可使铁素体晶粒进一步细化，其细化效果随形变量的增大而有 所减小。（图4） 5,在任何相同的轧制条件下。三个试验钢种的铁素体晶粒以06MnNb最细，4C最粗。 提高锅中Mn含量，特别是加入微量Nb,对细化铁素体晶粒有显著的效果。虽然不同的钢种 铁素体晶粒尺寸随形变量、形变温度而变化的幅度不一样，但工艺参数对铁素体晶粒尺寸的 综合影响的规律在这三个钢种中是一致的。 对参数e在0一65%、Tp在800.一1150℃、d.在34一186μm范围内变化时各钢种的d,一 e、d一Tp、d一d关系曲线进行曲线拟合和统计分析，可以得到表达铁素体晶粒尺寸与各 工艺参数综合关系的公式如下： 当e≥10(%)时， d,=[5th(2g90）+a1e1+b。-750)古+C4A (1) 53-

二 郊 ，口曲」， 氏朴勺 ’ 。 ℃ 阵一 旧 吞 二二二二 一 、 一 一 口 心 一 盛一 外盼朽诸 艺 ‘ 山，乃勺‘ 二自﹄﹄ 三一二 一 一 一一 一一‘ 二二二万 一卜 ， ， 二 】 ℃ ， ， 二 卜 。酥 ℃ 越趁落至石。 。 。牙褪三 已兰三岁名 至汗 ￡ 一 图 铁索 体 晶 较平 均 直径 与 形 变 幼 的关 系 ， 亡 平 均 冷却速 度 一 ℃ 秒 ， 一 ℃ 秒 晶粒尺 寸对铁素体 晶粒尺 寸 的影响在 形 变量 不 大时非常 显著 ， 但随 形 变量的增大逐 渐减弱 。 图 提 高轧后的冷却速度可使铁素 体晶粒进 一步细 化 ， 其细 化 效果随 形 变量 的增大而有 所减小 。 图 在任何相 同的 轧制条件下 。 三个试验钢种 的铁素体晶粒 以 最 细 ， 最 粗 。 提 高钢 中 含量 ， 特别是加入微量 ， 对细 化铁素体 晶粒有显著的效果 。 虽然不 同的钢种 铁素体 晶粒尺 寸随形 变量 、 形 变温度而 变化 的幅度不一样 ， 但工艺参数对铁素体 晶粒尺 寸 的 综 合影响的规律在这三个钢种 中是一致 的 。 对参数 。 在 。 一 、 。 在 。一 。 ℃ 、 在 一 林 范 围内变化时 各钢 种的 一 。 、 ，一 。 、 ，一 ‘ 关系 曲线进行 曲线拟合和统计分析 ， 可 以得到表达铁素体晶粒尺 寸与各 工艺参 数综 合关系的公式 如下 当。 迄 时 ， ， 〔 、 旦 ·云丝 · 〕一 。 一 ， “ ， 士 · ‘ · “ ， 一 一

当e=0时， do=Ah(22O）+B+2cd, (2) 在e=0-10(%)的范围内， d=o0(d0-do)e=(1-0do+80d4o (3) 其中dF1o是e=10(%)时由1式求出的d值，公式1、2中的a、b、c及A、B是与钢中Mn、 Nb含量有关的常数，对于含铌钢。a、c的值也与加热温度即Nb在奥氏体中的固溶量有关 (见表2)。用试验实测的结果检验了上面的公式，在±2μm的置信区间公式的可信度为 90%以上。 三、综合关系式在多 道次轧制中的应用 0 在单道次轧制中，轧前的奥氏体是 加热形成的，而多道次轧制中，各道次 20 (a)4C 轧前的奥氏体状态不都与加热形成的奥 T.=1200℃ 氏体相同。为考察多道次轧制与单道次 d.=186μm 轧制的关系，对o6MnNb钢进行了两阶 段两道次轧制试验。加热温度为1200℃， 图倒e% ○0 I阶段（再结晶区，T。>1000℃）的 + 10 形变量同单道次轧制试验、Ⅱ阶段（未 20 30 再结品区，TD<950℃)的形变量为20、 45 40、60(%)。结果发现，I阶段的工艺参 60 数对最终铁素体晶粒尺寸的影响随Ⅱ阶 (b)06Mn 段形变量的增加而减弱，Ⅱ阶段的形变 TA=1l00℃ dA=146μm 量对铁素体晶粒尺寸的影响也随I阶段 十 形变量的增大而减小，为了获得平均尺 -0 寸相同的铁素体晶粒，两个阶段的形变 量可以互相补偿，Ⅱ阶段的形变温度对 铁素体晶粒尺寸的影响与单道次轧制时 (c)06MnNb T.=1200℃ 基本相同（图5、图6）。这些结果说 dA=111μm 明，在两阶段两道次轧制中，I阶段的 800 900 】000 1100 1200 作用是为Ⅱ阶段提供细化程度不同的轧 图2快素体晶粒直径(F)与形变温度(TD)的关系 前奥氏体晶粒，Ⅱ阶段则是在I阶段所 提供的奥氏体晶粒的基础上进一步形 变。Ⅱ阶段的形变量越大，Ⅱ阶段轧前的奥氏体晶粒尺寸即I阶段形变量的大小对最终：的 影响就越弱，I阶段的形变量越大，即Ⅱ阶段轧前的奥氏体晶粒越细，Ⅱ阶段的形变量对d:的 54-

当 。 时 ， ‘ ，。 亘 · 尹 ‘ 在。 一 的范围内 ， ， 、 、 ￡ 『 一 而 叹 「 一 “ 「‘ ， ’ “ 二 又 王 一 而 「 而 「‘ ” 其 中 「 。 是 。 时由 式 求 出的 ，值 ， 公式 、 中的 、 、 。 及 、 是 与钢 中 、 含量有关 的常数 ， 对 于含泥钢 。 、 的值也 与加 热温度 即 在奥氏体 中的 固溶量有 关 见表 。 用 试验 实测 的结果检验 了上面的公式 ， 在 士 协 的 置信 区间公式 的可信度 为 习 以 上 。 肠 一 一二一 － 一 一 一 一 － 一 一 一二一 一 一 产 一口尹碑口 ‘ 下 、 一 ‘ 城 一 舀 一 几 口尸浏一 一 犷夕梢二 。 一 了厂 ，心几尸行广 岁 一一一 几‘ 护产艺 一 ， ℃ 心尸少尹 。 。 一 尹产 ， 二 林 一 ， 毛 、 肠 色 压 巨 … 卜 一 一 一 一 一 一 一 一一 心 困例 。 一 一 令 、 一 一令碑声尸 二 户尸下 一 ‘ 口 口 民 、 一 尸 了 产产 一今 一 一 入 ，亡 一 幽一 至产尸 沪声声一 今 ， ‘ 尹产 洲尸 产一 一 ‘ 夕峨户 二 一 ℃ 一 二 林 … ， 声 抽 一 － 一 － － 一 一 一 州 一 占 一 一 － 一 叹 一 笼 ， ’ 、 一一一洲 竺二 － － 几 丹 ‘ 一 舀 一 一 飞 二共娜于止百刁悉漏 乞 办洲》 十一 一 ‘ ， 丫一 ， … 二 川 三 、 综合关 系式在多 道次轧制中的应用 招堵注气， ‘二‘ ， ℃ 图 铁 亲 体晶 粒 直径 与 形 变 沮 度 的关 系 在单道 次轧制 中 ， 轧前的 奥氏体是 加 热形成的 ， 而 多道次轧制 中 ， 各道次 轧前 的奥 氏体状态 不都 与加 热形成 的奥 氏 体相 同 。 为考察 多道 次轧制 与单道 次 轧制 的 关系 ， 对 钢进行 了两 阶 段 两道次轧制 试验 。 加 热温 度 为 。 。 ℃ ， 阶段 再结 晶区 ， 。 。 。 。 ℃ 的 形 变量 同单道次轧 制 试验 、 阶段 未 再结 晶区 ， 。 ℃ 的形变量 为 、 、 。 结果发现 ， 阶段的 工艺参 数对最终铁素体 晶粒尺 寸的影响随 阶 段 形 变量的 增加 而减弱 ， 阶段的形 变 量 对铁素体 晶粒尺 寸的影响 也随 阶段 形 变量的增大而 减小 为 了获得 平均尺 寸相 同的铁素体 晶粒 ， 两个阶段的形变 量 可以互相补偿 ， 阶段 的形 变温度对 铁 素体晶粒尺 寸的影响 与单道次轧 制时 基 本相 同 图 、 图 。 这些结果说 明 ， 在两 阶段 两道次轧 制 中 ， 阶段 的 作用 是 为 阶段提供细 化 程度不 同的轧 前奥氏体 晶粒 ， 阶段 则是 在 阶段 所 提供的奥 氏体晶粒的基础上 进 一 步 形 变 。 阶段 的形 变量越 大 ， 阶段轧前的奥氏体 晶粒尺 寸 即 阶段形 变量 的大 小对 最终 ，的 影响 就越 弱 阶段 的形 变 量越大 ， 即 阶段 轧前 的奥 氏体 晶粒越细 ， 阶段 的形 变量 对 「的

(a)4C (c)0GMn 40 T。=900℃ T。=900℃ 30 o 图侧O+×△◇· c601020304560 十 (b)4C 0= (d)06MnNb 40 T。=800℃ TD=1000℃ o 20 60 160 140 18060 100 140 d,μm 图3 铁素体品粒平均直径(F)与原始奥氏体晶粒直径(A)的关系 06Mn 06MaNb % TA=1050℃ TA=1200℃ 轧解温度 10 符号 1000℃ 900℃ 00 5 800℃ △▲ 0 20 06Mn 06MaNb T.=950℃ TA=1100℃ 1 0 60 20 40 e% 图4轧后冷却速度对铁素体晶粒平均直径的影响，800℃一500℃ 的待都速度：一一一0.45℃/分，一—0.6℃/秒

。 二 ℃ 。 。 “ 亡 ， 乙八甘 尸佗 飞鬓爹李 旦 ’ “ 图倒 ‘ ，百 右 · 十 乙 公 奔 。 一 ℃ 卜二续塞聋 踌吞乡乡夕一 杯 图 铁 素 体 晶 较平 均 直径 与 原 始奥 氏 体 晶 校 立径 的关 系 。 。 悦 ℃ ℃ 轧制谧度 ℃ ℃ ℃ 梦亏 含‘ 一 呈 心 杏 △ ▲ 二 ℃ ℃ ﹄‘ 即 匕致牟 干、 撼选之之蒸 刃 忆 日 ‘ 轧 后 冷 却 速度 对 铁 素 体 晶 粗平 均 立 径 的 形响 ， 亡 一 ℃ 的冷 却邃度 一 一 一 ， 亡 秒 ， － － 二 亡 秒 一 一