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原文传递超快冷条件下含Nb高强船板钢的组织性能调控

论文题名：	超快冷条件下含Nb高强船板钢的组织性能调控
关键词：	高强船板钢;控轧控冷工艺;超快速冷却;表面质量;力学性能
摘要：	随着船体大型化、轻型化、环保化的发展趋势，船板钢也向着高强、高韧和高塑性的方向发展。控轧控冷工艺(TMCP)和微合金化技术是提高船板钢力学性能的重要手段。其中，添加合金元素会造成同级别船板钢的合金含量偏高、生产成本增加，并且也会对焊接性能产生不利影响。因此，开发新型节约化的生产技术显得愈加重要。为了克服传统TMCP技术的局限性，以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术得以发展和广泛应用。新一代TMCP技术能够充分利用各种强化手段，在改善钢材综合力学性能的同时有效降低微合金元素的用量，实现节约型减量化生产。目前，关于超快速冷却技术在高强船板钢中的应用研究较少，因此，深入研究超快速冷却条件下高强船板钢的组织性能调控基本规律具有重要的理论意义和实际应用价值。　　本文以含Nb高强船板钢为研究对象，通过热模拟和热轧实验研究了实验钢的高温变形行为、相变行为、析出行为以及控轧控冷工艺参数对实验钢力学性能的影响，为超快速冷却技术在高强船板钢中的应用提供了理论基础。论文的主要工作和成果如下: 　　(1)研究了实验钢的奥氏体高温变形行为和组织演变规律，并回归得到实验钢的未再结晶温度(Tnr)计算模型。　　新一代TMCP技术的终轧温度相对较高，为了使变形奥氏体中具有较高的位错密度和较多的变形带，就需要对实验钢的奥氏体高温变形行为进行研究。本文通过实验轧机单道次热轧、热模拟双道次及多道次压缩实验对实验钢的奥氏体变形行为进行了研究。结果表明，变形温度为1000℃时，20％的道次变形量可使实验钢奥氏体发生再结晶。变形温度为900℃时，低于30％的变形量，奥氏体不发生再结晶;变形量增大至40％～50％，发生部分再结晶。变形温度为850℃时，50％的变形量也不能使奥氏体发生再结晶。微合金元素碳氮化物的析出能够抑制静态再结晶的发生，导致软化率曲线出现平台。随着预应变的增大，软化率平台的温度降低。实验钢的Tnr随着变形量、应变速率及道次间隔时间的增加而降低，其中道次应变量对Tnr的影响最大，其次是道次间隔时间，最后是道次应变速率。此外，建立了计算实验钢Tnr经验数学模型，且计算值与实测值具有很好的一致性。再结晶区域图和Tnr数学模型能够为新一代TMCP条件下终轧温度的确定提供理论基础。　　(2)系统研究了实验钢的连续冷却相变行为和等温相变行为，对比分析了不同变形工艺条件下层流冷却及超快速冷却对实验钢相变过程的影响。　　奥氏体组织状态不同，相变过程也会有差异。热模拟实验结果表明，实验钢在1050℃变形后，奥氏体为再结晶状态。而910℃和850℃变形后，奥氏体组织均为压扁状态。连续冷却条件下，未再结晶区的变形能够提高铁素体相变开始温度，扩大铁素体相变区，细化铁素体晶粒，但延迟了铁素体相变过程。再结晶奥氏体冷却至铁素体区等温时，大冷速抑制了冷却过程中C原子的扩散，延迟了等温过程中铁素体的相变。因此，等温时间相同时，低冷速的铁素体体积分数要大于高冷速的铁素体体积分数;而未再结晶奥氏体冷却至铁素体区等温时，大冷速虽然抑制了冷却过程中铁素体的形核，但是将变形储能及大部分形核点保留至铁素体区，提高了铁素体的相变驱动力。因此，在短时间等温时，低冷速的铁素体的含量较多，但在等温100s后，40℃/s条件下铁素体的含量要大于10℃/s条件下铁素体的含量。　　(3)通过计算和热模拟实验研究了实验钢在奥氏体区等温、连续冷却条件下以及相变区等温时的析出行为，明确了超快速冷却在应变诱导析出调控中的作用机理。　　通过计算，实验钢Nb(C，N)在奥氏体中等温析出的“鼻子点”温度在910℃～930℃，在铁素体中等温析出时，均匀形核和位错线上形核的最大形核率温度分别约为620℃和660℃，均匀形核析出和位错线上析出的“鼻子点”温度分别约为700℃和740℃。热模拟实验表明，实验钢在910℃等温时的析出开始时间在10s～30s之间，在850℃等温时的析出开始时间大约在30～100s之间。在连续冷却条件下，随着冷却速度的增大，析出开始温度逐渐降低，析出粒子的尺寸减小。当冷却速度增大至10℃/s后，实验钢的应变诱导析出行为完全受到抑制。未再结晶区的变形能够促进Nb(C，N)在铁素体中的等温析出，析出粒子的数量随着等温时间的延长而增多。等温温度由680℃降低至600℃后，微合金元素Nb的扩散受到抑制，析出粒子的尺寸减小。根据计算结果及热模拟实验，实验钢在合适温度变形后，可采用超快速冷却工艺抑制Nb(C，N)在奥氏体中的析出，并选择合适的冷却终止温度使Nb(C，N)在铁素体中大量、弥散地析出，增强其析出强化作用。　　(4)对实验钢进行了高温终轧的控轧控冷工艺研究，提出了“高温变形+超快速冷却+层流冷却”的轧制工艺，分析了冷却路径对实验钢组织性能的影响。　　控轧控冷工艺决定了钢铁材料的组织和力学性能。实验室热轧的结果表明，超快速冷却具有较强的冷却能力，可以通过相变强化显著提高实验钢的强度，但延伸率略有降低。通过不同的冷却工艺可以获得铁素体/珠光体、铁素体/针状铁素体、铁素体/贝氏体/针状铁素体的组织。其中铁素体/贝氏体双相组织具有良好的变形协调性，在获得较高强度的基础上还能保证具有较好的延伸率。同时，该双相组织的塑性变形能够吸收较多的冲击功，还能够阻止裂纹的扩展，显著提高裂纹扩展功。实验钢的低温韧性不仅与大角度晶界的比例有关，还与晶粒尺寸相关。晶粒尺寸越小，低温冲击韧性越好。采用“超快速冷却至690℃+层流冷却至500℃”的冷却路径，实验钢的力学性能能够达到FH500级别船板钢的要求。　　(5)在国内某钢厂针对不同成分分别进行了控轧控冷工艺研究。　　“高温终轧+超快速冷却”工艺能够加快轧制节奏，提高生产效率，降低船板钢的微合金含量，还可以显著改善船板钢的表面质量。在国内某钢厂采用“高温终轧+超快冷+层流冷却”的工艺进行了低Nb(0.01％) AH32船板钢和AH32升级FH420级别船板钢的工业试制。采用“低温终轧+超快速冷却+层流冷却”的工艺进行了低Nb(0.01％) FH36船板钢、低Nb(0.015％)含V EH420级别的船板钢的工业试制，力学性能均能满足要求。各工艺均能降低100元左右的吨钢成本。
作者：	杨浩
专业：	材料加工工程
导师：	王国栋;周晓光
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文