控轧控冷16Mn钢力学性能与组织间的定量关系式和强韧化机制

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1988.02.026 北京钢铁学院学报 第10卷第2期 Journal of Beijing University Vol,10 No.2 1988年4月 of Iron and Steel Technology Apr.1988 控轧控冷16Mn钢力学性能与组织间的 定量关系式和强韧化机制 李文卿 方波 白孝忠 (北京钢院材料系) (太原钢铁公司) 摘 要 对含有不同碳.锰.硅的16M钢进行了控轧控冷实验，测定了各项力学性能，对其主 要组织参量铁素体晶粒平均直径(dP)及珠光体百分数(P·%)进行了定量金相分析，进行了 各项力学性能对16M钢中各元素含量和二主要组织参量的多元线性逐步回归分析，获得控 轧控冷16M钢各项力学性能与钢的化学成分和组织参量之间定量关系的数字表达式.根据 数学表达式所提供的信息，参照二组织参量对钢的化学成分和控轧控冷工艺参数的多元线 性回归方程，探讨了控轧控冷16M▣躬的强韧化机制. 关键词 控制轧制，控制冷却，力学性能，强韧化机制 Formulas of Quantitative Relationships Between the Mecha- nical Properties and Microstructure of the Controll ed Rolled and Controlled Cooled 16Mn Steels and Its Strenthen-toughening Mechanism Li Wenging Fang Bo Bai Xiaozhong 1987-09-02收种 167

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 令 控轧控冷 钢力学性能与组织间的 定量关系式和强韧化机制 李文卿 方 波 北京钢院材料系 白孝忠 太原钢铁公司 摘 要 对含有不同碳 锰 硅的 。 钢进行了控轧控冷实验 ， 测定了 各项力学性能 ， 对 其主 要组织参量铁素体晶粒平 均直径 目 及珠光 体百 分数 多 进行了定量金相 分析 ， 进行 了 各项力学性能对 钢中各元素含量和二主要组织 参量 的多元线性逐步回归分析 ， 获得控 轧控冷 钢各项力学性能与钢的化学成分和组织参量之 间定量关系 的数字表达 式 根据 数 学表达式所提供的信息 ， 参照二组织参量对钢的化学成分和控 轧控冷工艺参数的多元线 性回归方程 ， 探讨 了 控轧控冷 钢 的强韧化机制 关链词 控制轧制 ， 控制冷却 ， 力学性能 ， 强韧化机制 一 不犷 ” 夕 。 ” 夕 ” 一 身一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．02．026

Abstract Experiments have been made on 16Mn steels with various con- tents of carbon,silicon and manganese under the condition of controlled rolling and controlled cooling.We have now measu- red their various mechanical properties and have made quanti- tative metallographic analyses for their major structural parameters such as the average diameters of their ferrite grains (de)and pearlite percentages(Pc%).We have made multelinear progressive regressive ana- lyses to find out the relationships between their various mechanical proper- ties and the contents of different elements in 16Mn steels as well as th- eir two main structural paramcters.As a result,We have obtained th formulas of quantitative relationships between the various mechanical Froperties of controlled rolled and controlled cooled 16Mn Steels and theire chemical compositions and structural parameters.According to the infor- mations provided by these formulas,and referring to the multilinea regressive equations of the two structural parameters to the chemical compositions of steels and their technological parameters of control- led rolling and controlled cooling,we probed into the strenthen- toughening mechanism of controlled rolled and controlled cooled 16Mn steels. Key words coatrolled rolling,controlled cooling,mechanical proper- ties,strenthen-toughening mechanizm 前 言 高强度低合金钢中应用最多最普遍的就是161Mn钢，但热轧16M钢材，特别是热轧 16Mn钢板，生产中还存在不少问题，主要是os及0。热轧合格率较低，σs及σb平均值也较 低C1.2)。国内许多钢铁厂对热吼16Mn钢板采用控轧挖冷新技术，以提高其热轧0s和og 合格率和强度级别。本工作对16I钢进行了控轧控冷实验，通过多元线性逐步回归分 析，获得控轧控冷16Mn钢各项力学性能对钢中各元素含量和控轧控冷16Mn钢组织参 量的多元线性回归方程，进面山这些回归方程探讨拉轧控冷16M钢的强韧化机制，促使 16Mn钢材控轧控冷生产合理化。 168

又 认 ， · 了 仓 士 士 ， 十 日 了 ， ， 。 ， ， ， 一 五 高强 度低合 金钢 中应用 最 多最 普遍 的就是 钢 ， 但热 轧 钢材 ， 特别是 热 轧 钢板 ，生 产中还存在不少问题 ， 主要 是 、 及 热 轧合 格率较低 ， 。 、 及 平 均值也较 低〔 ’ · 〕 。 国内许 多钢铁厂对热 儿 钢板采 用控轧控 冷新技术 ， 以提 高其 热轧 。 和 。 。 合格率和强度级别 。 本工作 对 钢进行 了控轧控 冷实验 ， 通 过 多元线性逐 步 回 归 分 析 ， 获得控轧控冷 钢 各项 力 学性能对钢 中各元素 含量 和控轧控冷 钢组 织 参 量 的 多元线 性回归 方程 ， 进 而 由 这些 回 归 方程 探 讨控 轧控 冷 钢 的强韧化 机 制 ， 促使 钢材控轧控冷生 产合理 化

1实验方法 1.1实验用钢及控轧控冷工艺参数 共设计和治炼12炉16Mn钢，含碳量为0.12%、0.16%和0.20%三水平，实际含碳 量波动不超过设计含碳量±0.01%；含硅量为二水平：0.25%和0.55%，实际含硅量波 动范围不超过设计含硅量±0.02%；含锰量为1.25%和1.55%二水平；实际含锰量波 动范围为设计含锰量±0.05%；钢中含氮量，波动在0.010~0.020%，总铝含量波动 在0.044~0.11%，酸溶铅含量波动在0.020~0.062%，含磷量为0.003~0.004%，含 硫量为0.005~0.011%。残余元素Cu约为0.032%，Cr约为0.013%，Ni约为0.029%， 设计和实测的控制轧制工艺参数如表1所示。山表1可以看出，在控制轧制工艺鑫 表1设计的和实测的控制轧制工艺参数 Table 1 Designed and measured technological parameters of controlled rolling 参 数 道 次 第一道 第二道 第三道 第西道 波动范围 试斜厚度”，mm 24 19 公 2 -0.1,+0.3 道次压下率，% 20 20.8 21 20 轧制温度··，℃ 1100 1040 960 880 ±10 轧温度···，℃ 1100 1000 920 840 ±10 注：·轧前试样原始厚度为30▣m; ◆第一种纯制温度分配，高温终轧： 事馨◆第二种轧制温度分配，仁温终轧· 数中，仪改变乳制温度分配和终轧温度，终轧温度选择在对控轧控冷16M钢最适宜的 温度附近3)，波动在830~890℃范围内。 设计和实测的控制冷却工艺参数如表2所示，控制冷却工艺参数是在工作〔3)的基础 上确定的。实测的控冷快冷始冷温度波动在780~820℃范围，快冷终冷温度波动范围为 540~620℃，控冷冷却速度系快冷始冷温度与终冷温度之闻的表面平均冷却速度.所有试 件实测的控轧控冷工艺参数，均符合表1和表2的规定。 表2设计的和实测的控制冷却工艺参数 Table 2 Designed and measured technological parameters of controlled cooling 工艺参数 快冷始冷温度， 快冷终冷温度，℃ 表面平均冷却速度，℃/s 拉制中值 800 580 0.29 1.83 5.010.015.0 波动范围 ±20 士40 ±2.0 1.2取样及力学性能测试 拉伸试样和冲击试样均为横向试样。拉伸试样为中5m的短试样，神击试样为U型 169

实验方法 乒 实验用钢及控轧控冷工 艺参数 共 设计和冶炼 炉 钢 ， 含碳量为 、 。 和 三水平 ， 实 际 含碳 量 波动不超过设计 含碳量 士 含硅量为二水平 。 和。 ， 实际 含硅量波 动范 围 不超过设计 含硅量 士 。 含锰量 为 和 二 水平 实际含锰量波 动 范 围为设计含锰量 士 钢 中含氮量 ， 波 动 在 ， 总 铝 含 量 波 动 在 ， 酸 溶铝 含量 波 动在 。 石 ， 含磷量 为 一 ， 含 硫量为 一 。 残余元素 约 为 ， 约为 ， 约为 。 设 卜和 实测 的控制轧 制工 艺参数 如表 所示 。 由表 可 以看 出 ， 在 控 制轧制工 艺参 表 设计 的和实测的控制 轧制工 艺参数 当 曰 ‘ 口口 ‘ 、 ， ， 二巧又 刁罗 了 猫 次 一 。 一 第一道 第二道 第三道 第四 道 波动范围 试料厚度 ， 。 道次压下率 ， 多 轧制温度二 ， ℃ 寿七制温度 ’ ， ℃ 。 一 。 ， 十 土 士 注 车前试料原始厚度为 叫 … 第二种轧制温度分配 ， 仪温终 轧 帝 第一种 轧制 温 度分 配 ， 高温终轧 数中 ， 仅改 变轧制温 度分配 和终 轧 温度 ， 终轧 温 度选 择在 对控轧控冷 钢最适 宜 的 温 度 附近 〔“ 〕 ， 波动 在 ℃ 范 围 内 。 设计和 实测 的控 制冷却工 艺参数 如表 所 示 控 制冷 却工 艺参数 是 在工作 〔 〕 的基础 上确定 的 。 实测 的控冷快冷始冷温 度 波动在 一 ℃ 范 围 快 冷终冷温 度波 动范围为 一 ℃ 。 控 冷冷却速度 系快冷始冷温度 与终冷温 度 之 间的表面平 均冷却速度 。 所 有试 件实测的控 轧 控冷工 艺参数 ， 均符合表 和表 的 规定 。 表 设计的和实测 的控制 冷 却工艺参数 工艺 参数 快冷始冷温度 ， ℃ 快冷终冷温度 ， ℃ 表面平均冷却速度 ， ℃ 控制中值 波动范围 土 士 。 。 。 。 。 士 。 取样 及力学性能测 试 拉 伸试样和 冲 击试样均为横向试样 。 拉 伸试样为小苏 的短 试样 ， 冲 击试 样为 型

切口的梅氏试样。 拉伸试验是在WPM一30t试验机上，进行常温实验。常温及-40℃冲击试验是在J B一30冲击试验机上进行的。 1.3组织参量的定量金相分析 因为拉伸性能是代表试件心部的性能，所以组织参量是在试样心部区分析的。热轧 16M钢是铁素体一珠光体型钢，在研究条件下控轧控冷16Mn钢的组织也基本上是铁素 体+珠光体组织，但在冷却速度大于10℃/s时心部区也出现少量粒状贝氏体（小于5%）， 在QM-750图像分析仪上定量分析时，少量粒状贝氏体色括在珠光体百分数（Pe%) 内。 在光学显微镜下用截线法测号了铁素体品粒丁均截线长度1，按d。=1.1281换算 成铁素体品粒平均直径(d,)。 2力学性能与组织间的定量关系式的建立 本文采用数理统计的方法找出控轧控冷16Mn钢的各项力学性能与钢的化学成分和 组织参量间的定量关系数学表达式。根据文献〔4,5)和本实验结果，假定控轧控冷16M 钢力学性能与钢中各元素含量和组织参量等各自变量间呈多元线性相关关系： Y=Bo+BX1+B:X:+Bx:+Bxi+BsXs +Bexs+BiX:+Bexs+Bexs+e 式中，Y为力学性能；X:~X:分别表示16Mn钢中C、Si、Mn、P、S、A1及N的含量 (质量百分数)；Y:利X:分别表示组织参量珠光体百分数(P%)和铁素体晶粒平均 直径(d,12);B。~B,称为（偏）可归系数；是随机变量，亦称剩余标谁（离）差， 简称残差，e~N(0,02)。 本工作根据110组独立的控轧控冷实验数据，采用多元线性逐步回归分析法，在H TACM-150型电子计算机上进行逐步回归，逐步剔除F;<F.3(3.94)的自变量 X:,找出回归方程中F;一F。,。5的各自变量X;的回归系数B的估计值，以求出多元 线性回归方程： ￥=b。+b1X1+b2X2+b3X3+…+bmX。 在逐步回归分析时首先按复相关系数(R)和分散比(F)来检验回归总效果的 显著性，以确定多元线性数学模型的假定是否正确；并按标准离差S大小来比较回归方 程精度。根据F分布表9)，在f:=m=9,f2=N-m-1=110-9-1=100的条件 下，F。.05=1.97,F0.01=2.9。可以认为，检验同归总效果的分散比F>F。.01 (2.59),表明回归总效果特别显著；F>F0.05(1.97)表明回归总效果就已显著，证明 所假定的数学模型是正确的。复相关系数R的绝对值越接近1，期望值的标准离差S越 小，则表明回归方程精度就越大。 在检验各自变量对回归方程贡狱显著性时，在f:==1,f2=N-m-1=110- 1-1=108的条件下，F.03=3.94,F0.0:=6.87。在本实验条件下，以F.5 170

切 口 的梅 氏试样 。 拉伸试验 是在 一 试验机上 ， 进行常 温实 验 。 常 温 及 一 ℃ 冲击试验 是 在 一 冲击试验 机上进行 的 。 组 织参量的定量金相分 析 因为 拉伸性能是 代表 试件心部 的 性能 ， 所 以组织 参量 是 在 试样心部区分析的 。 热轧 钢 是铁素体一珠 光体型钢 ， 在 研究 条件下控轧控 冷 钢 的组织也基本上是 铁素 体 珠光体组织 ， 但在冷却速度大于 ℃ 时心部区也 出现少量 粒 状 贝 氏体 小 于 ， 在 一 图像分析仪 定量 分析时 ， 少量 粒状贝 氏体包括在 珠 光 体百分数 尸 。 内 。 在光学显微镜 下用 截线 法测是 了铁 索体 品粒 平均截线 长 度 ， 按 换 算 成铁 素体 晶粒平 均 直径 。 力学性能 与组织 间的定量 关系式的建立 人一 本文采用 数理统 计的 方法找 出控轧 控冷 钢的各项 力 学性能 与钢的化学成 分 和 组织参量 间的定量关 系数学表达式 。 根据文 献 〔 ， 〕和本实验结果 ， 假定 控轧控 冷 钢 力学性能 与钢 中各元素含量 和 组织 参量 等各 自变量 间呈 多元线 性相 关 关系 日 。 十 日 ， 一卜 日 尤 之 日 日 ‘ ‘ 日 。 尤 。 日 万 日 、 日 。 。 日 。 。 ￡ 式 中 ， 为 力 学性能 一 分 别表示 钢 中 、 、 、 、 、 及 的含量 质 量百分数 尤 。 和万 。 分别 表示组 织 参量珠 光体百分 数 尸 和铁素体 晶粒平 均 直径 一 ’ 日 。 日 称 为 偏 回 归 系 数 。 是 随机变 量 ， 亦称剩 余标准 离 差 ， 简称残差 ， 一 ， 。 木 工作 根 据 组独 立的控 轧控冷实验 数据 ， 采 用 多元线 性逐 步 回 归分 析法 ， 在 一 型 电子计算机上进行逐 步 回 归 ， 逐 步剔 除 。 。 的 自 变 量 ， 找 出回 归方程 中 》 。 。 的 各 自变 量 的回 归 系数 山的估计值 ， 以 求 出 多元 线 性回 归 方程 了 。 工 干 加 十 … … 十 。 。 在逐 步回 归分析时首先 按复相 关 系数 刀 和 分散 比 来检验 回 归 总 效 果 的 显著性 ， 以确 定 多元线 性数学模型 的假 定是 否正确 并 按标准离差 大小 来比较回 归 方 程 精度 。 根据 分 布表〔 〕 ， 在 川 ， 二 一 。 一 二 一 一 的条 件 下 ， 。 。 了 ， 。 。 泪 。 可 以 认 为 ， 检 验 回 归 总 效 果 的 分 散 比 尸 。 。 ， ， 表 明 回归总 效果特别 显著 厂 厂 。 。 。 表 明回 归总 效 果就已 显著 ， 证 明 所 假定 的数学模型 是 正确 的 。 复相关 系数 的绝 对值越 接近 ， 期 望值的标 准 离差 越 小 ， 则表 明回 归方程 精度就 越 大 。 在 检验 各 自变 录对回 归方 程 贡献 显 著性时 ， 在 ， ， 一 一 二 一 二 的 条件 下 ， 。 。 。 二 ， 。 。 ， 。 在 本实验 条 件 下 ， 以 。

(3.94)作为各自变量剔留的判据。对所剔除的F,<F。,3的自变量X;用做图法来检 验是否存在非线性关系。 为了简化起见，并不追求过高的显著性和精度，所以未考虑各自变量间的交互作 用。 3 各项力学性能对化学成分和组织参量的回归方程 3.1屈服点(0s)回归方程 3.1.10s对组织参量的回归方程 σs=205.5÷3.29Pe%+6.36de-1/2,MPa… (1) 检验其回归总效果显著性的指标是：复相关系数R=0,803,分散比F=96.7,标准离差 S=20.5MPa。检验其组织参量对gs回归方程贡献显著性的分散比分别为F。,=58.5; F:-1/2=10.9。 3.1.2·s对钢中各元素含量和组织参量的回归方程 Cs=158.5+128.1Si%+37.8Mn%-462,7A1% +1.85Pe%+8.73d-日，MPa (2) 检验其回归总效果显著性的R=0.919,F=107.8,S=14.0MPa。检验各自变量对0s 回归方程贡献显著性的指标是：Fs;=62.7;Fwn=12.6;Fk1=17.5;F,。=29.9, F:1/=40.0。 比较式(2)与式(1)可见：(4)σs对其组织参量的回归总效果特别显著，这意 味着钢的化学成分和控轧控冷工艺参数主要是通过改变此组织参量而影响σs的；(2） 在逐步回归中逐步输入钢中各元素含量，使回归总效果的显著性和回归精度逐步提高，这 意味着这些元素还可通过其他作用机制而影响σs。 3.2抗拉强度(0。)回归方程 3.2.1σ对组织参量的回归方程 ob=385.8+5.34Pe%,MPa (3) 检验其回归总效果显著性的指标是：R=0.810,F=198.7,S=24.7MPa。 3.2.20,对钢中各元素含量和组织参量的回归方程 ob=261.7+555.5C%+158.8Si%+58.1Mn% -615.6A1%+1.04Pe%÷7.27d-2,MPa (4) 检验回归，总效果显著性的判据是：R=0.969,F=256.0,S=10.6MPa;检验各自变量 对0。回归方程贡献显著性的指标是：Fc=92.9,Fsi=140.8,F4n=43.5,FA1= =41.7,F,。=9.1,Fa1/=41.9。 比较式(4)与(3)可以看出：(1)σ。对组织参量P%的回归总效果已特别 显著，这表明钢的化学成分和控轧挖冷工艺参数主要是通过改变P%而影响σ。的； (2)在逐步回归中逐步输人钢中各元素含量时，回归总效果的显著性和回归精度逐步提 171

作为 各 自变量剔 留的判据 。 对所 剔 除的 。 。 。 的 自变量 ，用做图祛 来 检 验 是 否存在非线 性关系 。 为 了简化起见 ， 并不追求过高的 显著性和精度 ， 所 以未考虑各 自变量 间 的 交 互 作 用 。 各项 力学性能对化学成分和组织参量 的回 归方程 屈服点 。 。 回 归方程 对组织参量 的回 归方程 十 一 ’ ， … … 检验其回 归总 效果 显著性的 指标是 复相 关系数 。 ， ， 分 散 比 ， 标准 离差 。 检验其组织 参量 对 、 回 归方程贡献 显著性的分 散 比分 别为 ， 二 一 ’ 。 。 对钢 中各元素含量和组织参量的 回归方程 。 一 右 。 尸 ‘ 一 丢 ，， 检验共回归总 效果显著性的 二 。 ， 了 ， 。 检验各 自变量对 回归方程 贡献显著性的指标是 ， 二 ， ， 。 人 二 一 多 一 ‘ 含 。 比较式 与式 可 见 对其组织 参量 的 回 归总 效果特别显著 ， 这 意 味着钢的化学成分和控轧控冷工 艺参数主要是通 过改变此组织 参量 而影响 。 的 在逐步回归 中逐 步输人 钢 中各元素含量 ， 使回归总 效 果 的显著性 和 回归精度逐 步提高 ，这 意味 着这 些元素还可通 过其他作 用机制而影响 。 抗拉强 度 。 回 归方程 对 组织 参量 的 回 归方 程 、 。 ， 检验其回归总 效果显著性的指标是 二 。 ， 二 ， 。 。 口 对钢 中各元素 含量和组织 参量 的 回 归方程 。 一 。 。 一 孟 “ ， 检验 回 归总效果显著性的 判据 是 二 ， ， 二 检验各 自变量 对 回归方程贡献显著性的指 标 是 。 ， ， 。 二 ， ， ， 。 二 ， 百 ‘ ’ 。 比较式 与 可 以看 出 对组织 参量尸 。 的 回 归总 效果 已 特 别 显著 ， 这表 明钢的 化学 成分 和控 轧控冷工 艺参数主 要是 通 过改变 。 而 影 响。 的， 在逐 步回 归 中逐步输人 钢 中各元 素含量时 ， 回归总 效 果的 显著性和 回归精度逐 步提