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控轧控冷对普碳钢组织性能影响的研究

摘要：介绍了控轧控冷的基本思想和工艺原理，并对比了不同控轧控冷条件下所得到材料的力学性能和晶粒尺寸，验证了控轧控冷技术的一些基本原理，也说明了控轧控冷技术会成为生产高性能钢材的必然趋势。
关键词：控轧控冷；普碳钢；力学性能；晶粒尺寸

1.前言
控制轧制和控制冷却技术，即TMCP，被称为20世纪钢铁行业最伟大的发明。也正是由于TMCP的快速发展，才出现了各种各样高质量优良的钢材，支撑社会的发展和进步[1]。
所谓控制轧制，就是控制热轧条件,在奥氏体(γ) 的基体上形成高密度的铁素体(α) 晶核，从而在相变后，达到细化钢材的组织结构。换言之，即为对奥氏体硬化状态的控制，通过变形在奥氏体中积累大量的能量,在轧制过程中获得处于硬化状态的奥氏体,为后续的相变过程中实现晶粒细化做准备。
为了突破控制轧制的限制,同时也是为了进一步强化钢材的性能,在控制轧制的基础上,又形成了控制冷却技术。控制冷却的核心思想,是通过控制钢材的冷却速度，同样达到控制硬化奥氏体相变过程的目的,以进一步细化铁素体晶粒,以及通过相变强化得到贝氏体等强化相,进一步改善材料的性能。实现控制冷却的主要媒介是冷却水[2]。
2.实验材料及实验方法
本实验采用普碳钢做实验材料，分为4组。坯料的原始厚度是28mm。钢坯加热温度为1150℃，出炉后采用450热轧实验轧机经过5道次轧制获得2mm左右的钢板，其间运用红外线测温仪测量钢材温度从而达到控制轧制的目的，具体的压下规程（考虑轧机弹跳）和轧制温度见表1和表2.
表1.热轧变形制度（考虑轧机弹跳）

道次 1 2 3 4 5

轧后厚度/mm 15 8 4 1.5 0.8

控制冷却方案Ⅰ为轧后空冷，主要应用于1号钢和2号钢，冷却方案Ⅱ为轧后水冷，应用于3号和4号钢。
表2.热轧温度及冷却方式表

编号 轧制温度/℃ 开冷温度/℃ 冷却方式
1 2 3 4 5
预定
实际
1120 1060 1000 950 900
1 1120 1059 1026 996 896 863 空冷
预定
实际
1120 1060 1000 950 800
2 1122 1076 1007 858 864 805 空冷
预定
实际
1120 1060 1000 950 900
3 1104 1023 1021 1006 903 776 水冷
预定
实际
1120 1060 1000 950 800
4 1080 1055 1020 952 875 745 水冷

3．实验结果与讨论
3.1 试验结果
在实验钢上按照国家标准取宽为12.5mm的轧向拉伸试样，之后在拉伸试验机进行拉伸试验，试验结果如图1.沿钢板轧向取V冲击试样进行常温冲击实验,试验结果如图2所示。
线切割获得10×10的试样，经砂纸打磨和抛光之后用4%的硝酸酒精溶液浸蚀得到金相试样。采用金相显微镜观测分析金相组织，部分实验钢金相显微组织如图3和图4所示。
图1.拉伸试验结果

图2.不同试验材料室温冲击韧性的分布

(a) (b)

(c) (d)
图3.不同工艺下沿轧向的显微组织（放大500倍）
（a）-1号试验钢;（b）-2号试验钢;（c）-3号试验钢;（d）-4号试验钢

(a) (b)

(c) (d)
图4.不同工艺下沿垂直于轧向的显微组织（放大500倍）
（a）-1号试验钢;（b）-2号试验钢;（c）-3号试验钢;（d）-4号试验钢
3.2 冷却方式对组织和性能的影响
对比1号钢和3号钢，2号钢和和4号钢的实验结果可以看出，在轧制制度相同的情况下，水冷的钢板不论屈服强度或是抗拉强度均明显高于空冷的钢板，相反延伸率和冲击韧性均要低于空冷。通过图3和图4也可以得到3号钢组织比1号细小，4号钢组织比2号钢细小。这主要由于3号和4号钢轧后采用了冷却速度较大的水冷，保留下来更多的硬化奥氏体，在之后相变的过程中提高了铁素体的形核率，从而细化了晶粒，提高了力学性能。然而1号和2号钢板轧后空冷，冷却速度较慢，导致板材发生了再结晶，从而软化了钢板，削弱了其力学性能。
对于3号和4号钢，虽然其屈服强度和抗拉强度相对较高，但造成其屈强比较大，从而导致了冲击韧性的降低。
3.2 不同的轧制温度对组织和性能的影响
不同的轧制温度也导致了钢材的组织和性能的不同。对比1号钢和2号钢，2号钢屈服强度和抗拉强度均高出1号钢60MPa左右，延伸率几乎是1号钢的2倍，冲击韧性相差不大，对比其显微组织也能到2号钢的晶粒细小且均匀。造成这种规律的原因在于热轧最后一道次2号钢的开轧温度较低。在靠近相变点尽量低的温度下轧制，同样起到了保留较多的高能量奥氏体的作用，从而提高铁素体的形核率，达到细化晶粒，提高力学性能的目的。传统的控轧控冷通常采用的 “低温大压下”的原因也正在于此。此外，传统控轧控冷技术通常还采用添加微合金元素的手段，其原理在于提高了奥氏体再结晶温度，达到同样的效果[1]。
4．结论及分析
（1） 热轧过程中，采用不同的控轧控冷制度可以不同程度上的提高板材的力学性能；
（2） 在轧后的冷却方式相同的条件下，开轧温度越低越有利于获得质量优良的板材，屈服强度和抗拉强度可以提高60MPa左右；
（3） 针对相同的轧制制度，不同的轧后冷却方式也会影响板材性能。采用冷却速度较快的冷却方式可以更多的保留硬化奥氏体，从而达到细化晶粒的目的。
5.参考文献
[1] 王国栋. 新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程[J].东北大学学报（自然科学版），2009，30（7）
[2] 於亮， 刘军会，宋惠改. 控轧控冷技术的发展与应用[J].河北冶金，2006（1）