1、控轧控冷全册完整课件控轧控冷全册完整课件 控轧控冷与热模拟 参考文献： 牛济泰，材料和热加工领域的物理模拟技术 小指军夫，控制轧制和控制冷却-改善材质 的轧制技术发展 衣海龙 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学) RALRAL NEUNEU （一）物理模拟的基本概念及其研究意义 （二）模拟技术及试验装置的发展概况 （三）热模拟试验在冶金材料研究的应用 （四）Gleeble物理模拟技术在钢铁材料领域的 运用 （五）热模拟工艺举例 第一部分：热模拟试验及其应用 2/46 RALRAL NEUNEU （一）物理模拟的基本概念及 其研究意义 3/46 物理模拟的基本概念 （1）物理模拟（Ph
2、ysical Simulation) 是一个内涵十分丰富的广 义概念，也是一种重要的科学方法和工程手段。通常，物理模 拟是指缩小或放大比例，或简化条件，或代用材料，用试验模 型来代替原型的研究。例如，宇航员的太空环境模拟试验舱。 （2）对材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件，借助 于某种试验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热 与受力的物理过程，充分而精确地暴露与揭示材料或构件在热加工过 程中的组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现 的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术 依据。物理模拟试验分为两种，一种是在模拟过程中进行的试验，另
3、 一种为模拟完成后进行的试验。 RALRAL NEUNEU 4/46 物理模拟的研究意义 以往在材料科学研究或工程结构及其零部件的生产中，为了 评价工艺方案对材料性能或产品质量的影响，多采用实验的方 法，这种单凭重复实验的“经验”性方法不仅消耗大量时间与 财力，而且得到的结果往往只是某一具体产品在特点情况下的 工艺与性能的关系，不可能获得工艺过程中变化的全面规律， 更不可能探索更普遍的问题，从而延滞新材料、新技术与新产 品的开发和应用。 物理模拟技术不仅能预测某特定工艺下的结果，而且能显示工艺过 程的变化规律，数据更为科学和可靠，大大减少试制周期及费用。 RALRAL NEUNEU 5/46
4、（二）模拟技术及试验装置的 发展概况 6/46 （1）1946年，美国纽约州的伦塞勒工学院的Nippes教授和 Savage博士根据第二次世界大战中美国制造舰艇的需要，为了研 究熔焊规范对舰船用钢板热影响区缺口韧性的影响，将闪光电阻 焊机的电气控制线路进行改装，利用电阻加热法，成功实现了焊 接热循环，这是世界上第一台利用电阻加热的高温延性装置，以 后演变并命名为“Gleeble”。 （2）1958年，Gleeble1500型热模拟试验机，既可以模拟热循环， 又可以模拟应力与应变循环，应用的范围也有焊接领域发展到锻 造、轧制、铸造、热处理、挤压、凝固及相变过程的模拟研究。 （3）1979年以后，
5、随着计算机控制技术的应用以及测量系统的完 善和机械装置的改进，不同功能的Gleeble热/力模拟试验装置不 断研制开发，模拟精度和模拟技术的应用水平不断提高。 模拟技术及试验装置的发展概况 RALRAL NEUNEU 7/46 热力模拟试验机是一种特殊的材料试验机- （可以进行多功能的模拟试验、区别一般的拉伸试验机、冲击试验 机） 模拟技术及试验装置的发展概况 Gleeble 1500 热模拟机（美国热模拟机（美国DSI公司）公司） 1979年研制年研制 RALRAL NEUNEU 8/46 Gleeble 2000 热模拟机热模拟机 1990年研制年研制 9/46 模拟技术及试验装置的发展概
6、况 RALRAL NEUNEU Gleeble 3500 热模拟机热模拟机 10/46 模拟技术及试验装置的发展概况 RALRAL NEUNEU Gleeble 3800 热模拟机热模拟机 热力模拟试验机的主要功能是再现材料在制备或热加工过程中的 受热或同时受热及受力的物理过程。 11/46 模拟技术及试验装置的发展概况 RALRAL NEUNEU （4）前苏联从50年代开展了热模拟技术及试验装置的研究工作。 50年代中期，前苏联研制了HMET-1型热模拟试验机，利用试样 自身电阻加热，利用该设备建立了一些钢材与合金的CCT曲线； HMET-2型热模拟试验机，用于研究金属在焊接结晶过程中的变形
7、 抗力和热裂纹敏感性设备；HMET-4型热模拟试验机，用于研究延 迟破坏的冷裂纹敏感定量比较的恒载装置；HMET-6型热模拟试验 机，用于研究小型试样的快速膨胀过程。 （5）与美国、前苏联不同，日本研制的热模拟试验装置是以高频 感应加热方式进行，即在试样周围套感应圈，利用试样中产生的 感应电流的热效应加热，其比较典型代表是Thermomastor-Z型 高温变形模拟力学试验机以及Themorestor-W焊接热应力应变模 拟装置。 模拟技术及试验装置的发展概况 12/46 RALRAL NEUNEU 模拟技术及试验装置的发展概况 RALRAL NEUNEU 13/46 （三）热模拟试验在冶金材
8、料 中的应用 14/46 （1）钢铁材料的热模拟是利用小试样，借助热模拟试验机，在 现钢铁材料在制备或热加工过程中的受热或受力的物理过程； （2）热模拟实验可以揭示钢铁材料组织与性能变化规律，评定 或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加工 工艺以及研制新材料提供基础数据和技术方案； 热模拟试验的研究方法 15/46 RALRAL NEUNEU （1）什么是物理模拟： 热模拟试验中的物理模拟过程 1. 1. 借助于模拟装置借助于模拟装置 2. 2. 利用缩小的试样利用缩小的试样 3. 3. 再现受热受力过程再现受热受力过程 4. 4. 揭示组织与性能变化规律揭示组织与性能变化规律
9、5. 5. 优化工艺、保证质量优化工艺、保证质量 16/46 RALRAL NEUNEU （2）物理模拟的应用领域 材料基础研究 材料性能实验 材料加工过程模拟 热模拟试验的应用领域 熔化、凝固 固态相变、临界点、等温转变、连续冷却转变 沉淀相粒子析出、粗化、回熔 加工硬化、软化 形变组织的动静态回复、再结晶 材料热塑性、超塑性 组织细化、超细晶和纳米晶块材 裂纹敏感性 热膨胀和热收缩行为 17/46 RALRAL NEUNEU （2）物理模拟的应用领域 材料基础研究 材料性能实验 材料加工过程模拟 热拉伸性能、高温强度、热塑性、超塑性 单轴热压缩性能、流变应力曲线 平面应变热压缩性能 热机械
10、疲劳 高温蠕变、应力松弛 平面应变断裂韧性、CTOD 焊接性、裂纹敏感性、淬硬脆断倾向 . 18/46 热模拟试验的应用领域 RALRAL NEUNEU （2）物理模拟的应用领域 材料基础研究 材料性能实验 材料加工过程模拟 锻造、连铸 半固态加工 TMCP（轧制、锻造、拉拔.） 热机械疲劳 焊接：电弧焊和高能束焊焊接热循环过程、热 裂纹敏感性评价、冷裂纹敏感性评价、淬硬脆 断倾向评价、焊接工工优化 扩散连接 热处理过程(淬火、正火、退火、回火、临界 热处理、循环热处理.) 板带退火 粉末冶金/ 固相烧结、液相烧结、热 压成型、 高压成型. . 19/46 热模拟试验的应用领域 RALRAL
11、NEUNEU （四）Gleeble物理模拟技术在 钢铁材料领域的运用 20/46 应用的主要工艺过程 （1）连铸过程模拟 （2）TMCP过程模拟 （3）热成形过程 （4）焊接过程模拟 （5）CCT/SHCCT图建立 21/46 RALRAL NEUNEU （1）连铸过程模拟 1 钢水包；2 中间包；3 结晶器；4 夹送辊； 5 液相线；6铸坯；7拉矫机；8切割装置 1 2 3 4 5 6 7 8 将装有精炼好钢 水的钢包运至回转台， 回转台转动到浇注位 置后，将钢水注入中 间包，中间包再由水 口将钢水分配到各个 结晶器中去。结晶器 是连铸机的核心设备 之一，它使铸件成形 并迅速凝固结晶。拉 矫
12、机与结晶振动装置 共同作用，将结晶器 内的铸件拉出，经冷 却、电磁搅拌后，切 割成一定长度的板坯。 22/46 RALRAL NEUNEU 连铸过程模拟 （1）连铸过程模拟 铸坯拉矫过程模拟 23/46 RALRAL NEUNEU 连铸过程模拟 （1）连铸过程模拟 铸坯热塑性试验 连铸坯生产过程中, 钢液由 结晶器冷却结成坯壳, 由二 冷段继续冷却而凝固。在这 一过程中, 已凝固的铸坯壳 受到了钢水静压力、弯曲力、 矫直力、拉坯力及各种因素 的作用, 使连铸坯的质量受 到影响。只有当这些应力引 起的变形小于各钢种在高温 状态的塑性极限时, 才能保 证铸坯凝固时的质量, 防止 铸坯表面和内部产生
13、裂纹。 24/46 RALRAL NEUNEU 连铸过程模拟 （2）TMCP过程模拟 控轧控冷工艺参数： 加热温度、道次变形 量、待温厚度（或中 间坯厚度）、再轧开 始温度（或精轧开始 温度）、终轧温度、 开冷温度、终冷温度 （或卷取温度）等 25/46 RALRAL NEUNEU 控轧控冷工艺 （2）TMCP过程模拟 单轴压缩均匀变形组织 单轴压缩均匀变形的实现 26/46 RALRAL NEUNEU 控轧控冷工艺 （2）TMCP过程模拟 单轴压缩多道次变形的实现-液压楔系统 27/46 RALRAL NEUNEU 控轧控冷工艺 （2）TMCP过程模拟 单轴压缩多道次变形的实现-常规单元系统
14、 28/46 RALRAL NEUNEU 控轧控冷工艺 （2）TMCP过程模拟 多道次变形模拟的流变应力曲线 29/46 RALRAL NEUNEU 控轧控冷工艺 （2）TMCP过程模拟 TMCP加速冷却的实现 冷却系统包括一 般冷却系统和淬 火冷却系统，可 实现不同加速冷 却条件下的模拟 30/46 RALRAL NEUNEU 控轧控冷工艺 （2）TMCP过程模拟 TMCP后的力学性能测试 31/46 RALRAL NEUNEU 控轧控冷工艺 （3）热成形过程 (A) 热塑性试验 (B) 温度梯度对热塑性的影响 (C)温度梯度对断面收缩率的影响 A B C 32/46 RALRAL NEUN
15、EU 热成形工艺 （3）热成形过程 温度梯度对高温强度的影响 33/46 RALRAL NEUNEU 热成形工艺 （3）热成形过程 裂缝尖端张开（CTOD或CMOD）试验 裂缝尖端张开位移CTOD-crack tip opening displacement 裂缝嘴张开位移CMOD-crack mouth opening displacement 裂纹张开位移做为控制裂纹扩展的参数，其临界值可作为金属材料 断裂参数指标 34/46 RALRAL NEUNEU 热成形工艺 （4）焊接过程模拟 1. 电弧焊焊接热循环过程模拟 2. 激光焊焊接热循环过程模拟 3. 热裂纹敏感性评价 4. 冷裂纹敏感
16、性评价 5. 脆断倾向评价、焊接工艺优化 35/46 RALRAL NEUNEU 焊接工艺 （4）焊接过程模拟 1. 电弧焊焊接热循环过程模拟 36/46 RALRAL NEUNEU 热成形工艺 （4）焊接过程模拟 2. 激光焊焊接热循环过程模拟 37/46 RALRAL NEUNEU 热成形工艺 （4）焊接过程模拟 3. 热裂纹敏感性评价 38/46 RALRAL NEUNEU 热成形工艺 （5）CCT/SHCCT图建立 39/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 （1）单道次压缩实验-单道次应力-应变曲线 试样尺寸为8mm8mm15mm15mm。将试样以 10/s的速度加热到
17、1200，保温5min， 然后以5/s的速度冷却到变形温度， 保温20s以消除试样内部的温度梯度， 然后进行单道次压缩变形，卸载后立即 淬火冷却，并记录其应力-应变曲线。 变形温度为1100、1050、1000、 950、900、850，变形量为0.6， 应变速率分别为0.5 s-1、1s-1、5 s-1、 10s-1 针对某种试验目的，如何进行试验设计，选择试验类型，并完成相应的 试验参数的输入，是试验开始前必须完成的工作，也是整个试验过程中 最重要的一环。你可以根据自己的试验目的，选择不同的试验类别，进 行相应的试验设计，选择所需要的试验输入参数。从试验设计角度来说， 单道次压缩试验所能完
18、成的试验功能为：在热处理的同时，对试样进行 一定的压缩变形。 40/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 （1）单道次压缩实验-单道次应力-应变曲线 41/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 （2）CCT曲线测定 动态CCT采用压缩试样，压缩卡具。选择镍铬-镍铝热电偶。动态 CCT实验采用单道次压缩或多道次压缩实验界面完成试验。实验取 一组多个试样。实验前，先输入试样类型（圆形）、尺寸、变形前 加热制度、变形过程所需参数。随后按照所输入的参数进行变形前 加热（一般在一定温度保温一段时间，使试样奥氏体均匀，然后降 到某一温度）。加热完毕后，按照之前所选择的变形类型进
19、行变形。 变形完成后，以一定的冷速进行冷却，同时，利用高灵敏径向传感 器（C-Strain传感器）测量试样直径的变化。具体参数输入情况请 参照单向压缩实验。 绘制整个试验过程的试样直径变化量-温度曲线；用切线法找 到相变开始点、中间和结束点，记下这些点的温度-时间坐标。依 次按照不同冷速对各个试样进行实验，直到一组试样做完。最后根 据此组实验结果的相变点温度-时间坐标绘制CCT图。本文以“超细 晶耐候钢控轧控冷工艺的研究 ”实验为背景，来研究测定动态CCT 曲线。 42/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 （2）CCT曲线测定 试样以10/s的速度加热到1150， 保温5min
20、后以10/s的冷却速度冷 却到850、950，保温20s后进行 变形量0.4单道次变形，变形速率为 1s-1，然后分别以0.5/s、1/s、 2/s、5/s、10/s、15/s、 20/s、30/s的冷却速度冷却到 室温，记录冷却过程中的热膨胀曲 线，进行动态CCT曲线测定。 43/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 （2）CCT曲线测定 44/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 （3）拉伸试验 27CrMo27S钢高温塑性的研究及拉凹缺陷分析 将试样以12/s升温至1300，保 温2min，然后以12/s降至拉伸温 度(7501300)，保温30s，以应 变速
21、率2.5S-1，拉伸至断后空冷。 冷却后测量断口直径，并记录实验 最大载荷。绘成的不同温度下试样 断面收缩率和抗拉强度随温度的变 化曲线如图所示。 拉伸试验是研究金属变形抗力的试验方法之一。试验时，在拉伸变形体 积内的应力状态为单向拉伸，并均匀分布。由于在选择拉伸试样时，很难 保证其内部组织均匀，其内部各晶粒，甚至一个晶粒内部的各支点的变形 和应力也不可能完全均匀。但从拉伸变形的总体看，是能够保证得到比较 均匀的拉伸变形的，其不均匀变形程度要比压缩试验小得多。用拉伸法不 足之处在于其所得到的均匀变形程度一般不超过20%30%。 45/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 （2）拉
22、伸试验 不同温度下试样断面收缩率和抗拉强度随 温度的变化曲线 温度/ 断面收缩率 Z/ 抗拉强度 Rm/MPa 750 77.0 259.5 800 81.5 225.9 850 77.9 212.8 900 81.5 180.7 950 80.6 162.0 1000 82.4 140.1 1050 91.6 110.6 1100 89.7 93.3 1150 87.0 71.4 1200 90.4 65.8 1250 81.5 64.3 1300 79.8 53.9 塑性在温度大于塑性在温度大于1200时，随着温度的升高，试样的断面收缩率迅速下降；在时，随着温度的升高，试样的断面收缩率迅速
23、下降；在1200l050的温度范围内，的温度范围内， 断面收缩率变化比较平稳；当温度降到断面收缩率变化比较平稳；当温度降到1000时，时，Z值开始迅速降低；此后，在值开始迅速降低；此后，在1000800的温度范围的温度范围 内随着温度的降低，内随着温度的降低，Z值下降缓慢。当温度在值下降缓慢。当温度在800以下时，以下时，Z值又迅速降低。在值又迅速降低。在7501300高温区间，高温区间， 10501200温度之间塑性最好。温度之间塑性最好。 46/46 RALRAL NEUNEU 模拟工艺过程举例 控轧控冷与热模拟 衣海龙 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大 学) RALRAL NE
24、UNEU （一）热轧原料部分 （二）典型的热连轧生产线 （三）其他典型生产工艺流程 第二部分：钢厂的生产工艺流程 RALRAL NEUNEU （一）热轧原料部分 混3皮带 167米 1.7min 烧结配料 转运站 小矿槽 布料 矿仓 800 链板机 120 筛分 3min 混3皮带 1050 烧结机 55M 环冷机 DIA 24.5m 结矿仓 配1皮带 170米，2.1min 混1 皮带 140米 0.8min 2.8min 5.4min 65 15min 62 1.5m/min 37min 5min 1.5min 筛1皮带 170米 1.8min 成3皮带机 249米 2.6min 80mi
25、n 平均仓存4500t 16h 双仓拉料 烧结烧结 炼铁 高 炉 结矿仓 平均仓存4500t 鱼雷罐 N1皮带 538米 4.5min 1450 h 3min 结矿仓 平均仓存4500t 炼钢 转炉 35min 吹炼17min LF炉 33min 铁水预脱硫 20min 铁水运行距离560米 时间7+5+3=15min 1350 连铸 5min 大包 中包 加热炉 一切 二切 32米 34min 5min 3min 650-750 （二）典型的热连轧生产线 RALRAL NEUNEU 热连轧生产线布局 RALRAL NEUNEU 主轧线设备布置情况 RALRAL NEUNEU 主轧线设备布置情
26、况 步进梁加热炉加热 直接热装 冷 装 高压水除鳞 定宽压力机 粗轧机组轧制 中间带坯保温罩 切头飞剪切头、尾 高压水（蒸汽）除鳞 7机架精轧机组轧制 连铸板坯 带钢冷却系统冷却 卷取机卷取 打 捆 取 样 称 重 喷 印 入库堆冷 热轧成品钢卷 供冷轧原料 RALRAL NEUNEU 蓄热式加热炉 RALRAL NEUNEU 粗轧机 轧辊尺寸mm 1350/12002300 最大轧制力kN 30000 轧辊线速度 02.1/s（在最大辊径条件下） 轧辊开口度mm max300 主传动电机 2AC5000kW30/60r/min 轧机刚度kN/ mm 6400 机架立柱断面尺寸 mm 8007
27、20 压下电机功率kW 2275 液压压下缸尺寸mm 965/79050 液压压下工作压力 bar 290 高压水除鳞 轧机入口侧，出口侧上、下各有一组除鳞集管。 流量： /h，喷嘴处压力：200210bar 除鳞反冲水 轧机入口侧，出口侧上各有一组集管 流量： /h，喷嘴处压力：200210bar 工作辊轴承mm 四列圆锥滚柱轴承 RALRAL NEUNEU 精轧机组 机架号机架号 F1F1 F2F2 F3F3 F4F4 F5F5 F6F6 F7F7 轧制速度（辊径最大）轧制速度（辊径最大）(m/s) 1.501.50 - -4.744.74 1 1. .9494- -6 6. .1414
28、2.512.51- - 7.957.95 3.623.62- - 11.4411.44 5.215.21- - 16.4916.49 6.606.60 - - 21.921.9 9 9 6.606.60- - 21.9921.99 主电机功率主电机功率KW 12000 10000 主电机转速主电机转速rpm 0-158/450 0-200/600 减速比减速比i 4.22 3.26 2.52 1.75 1.0 1.0 1.0 工作辊弯辊力工作辊弯辊力/辊颈辊颈(KN) 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 工作辊横移行程工作辊横移行程mm 150 150 150
29、 150 150 15 0 150 有效行程有效行程mm 100 100 100 100 100 100 100 液压缸工作压力液压缸工作压力bar 290/ /245 压下速度压下速度 max.(mm/s) 6.686.68 6.686.68 6.686.68 6.686.68 7.877.87 7.877.87 7.877.87 工作辊尺寸工作辊尺寸mm 850/7652600 700/6302600 支撑辊尺寸支撑辊尺寸mm 1600/14402300 工作辊换辊行程工作辊换辊行程mm 33200（横移行程为（横移行程为1600） 支撑辊换辊行程支撑辊换辊行程mm 约约. 6500 入口
30、侧导板开度入口侧导板开度mm 9002270 侧导板标高调整范围侧导板标高调整范围mm F2F7：约：约15 ( +10 -5 ) 工作辊冷却水压力工作辊冷却水压力bar 约约. 10 机架间冷却水压力机架间冷却水压力bar F1F6后后: 约约10 RALRAL NEUNEU 层流冷却系统 （三）其他典型生产工艺流程 RALRAL NEUNEU 板材生产工艺流程 RALRAL NEUNEU 线材生产工艺流程 面缩不变面缩不变 减速轧制减速轧制 强风余热相变强风余热相变 强冷强冷 （形变诱导相变） （形变诱导相变） 水冷水冷 水冷水冷 水冷水冷 打包打包 取样取样 4 4 水箱水箱 4 4 水
31、箱水箱 4 4 水箱水箱 强冷降低精强冷降低精 轧入口温度轧入口温度 120 120m2 无缺陷方坯无缺陷方坯 1050 25 1025 25 125 烧钢均匀烧钢均匀 调整延伸系数调整延伸系数，减速冲击减速冲击 震动震动 强度校核计算强度校核计算 控轧控冷与热模拟 衣海龙 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大 学) 1.钢材的强韧性能 1.1 强韧性能的概念 1.2 强韧性能的定量关系式 1.3 影响强韧性能的主要因素 2.钢材的控制轧制与控制冷却 2.1 控制轧制的概要 2.2 钢材热轧过程中的组织性能变化 2.3 控制轧制的类型 2.4 轧制工艺参数的控制 3.控制轧制技术的进展
32、1/471/47 1.钢材的强韧性能 轧制过程是指金属在外力的作用下轧制过程是指金属在外力的作用下 产生塑性变形的过程，它不仅可使金属产生塑性变形的过程，它不仅可使金属 获得所必需的尺寸和形状，而且也使之获得所必需的尺寸和形状，而且也使之 获得所必须的组织和性能。获得所必须的组织和性能。 形状形状：泛指板面的平直度泛指板面的平直度（板形板形）， 浪形浪形、瓢曲瓢曲、旁弯旁弯、表面缺陷的有无表面缺陷的有无 等等 尺寸尺寸：泛指宽度泛指宽度、长度和厚度；横向长度和厚度；横向 厚度偏差和纵向同条差是控制的关键厚度偏差和纵向同条差是控制的关键 组织组织：铁素体晶粒度铁素体晶粒度，珠光体百分含珠光体百分
33、含 量量，带状级别带状级别，魏氏组织魏氏组织，夹杂物数夹杂物数 量量、大小大小、形状及分布状态等形状及分布状态等 性能性能：力学性能力学性能（屈服强度屈服强度、抗拉强抗拉强 度度、冲击韧性等冲击韧性等）；工艺性能；工艺性能（冷弯冷弯、 冲压冲压、焊接性能等焊接性能等）；理化性能；理化性能（耐耐 蚀蚀、耐火耐火、电磁性能等电磁性能等） 结构钢的三要素结构钢的三要素：强度强度、韧性和焊接韧性和焊接 性能性能 2/472/47 1.1 强韧性能的概念 低碳钢拉伸时的应力应变曲线低碳钢拉伸时的应力应变曲线 比例极限比例极限P P应力应力、应变能保持比应变能保持比 例关系时的最大应力例关系时的最大应力
34、弹性极限弹性极限e e完全卸载后不出现任完全卸载后不出现任 何明显残余应变的最大应力何明显残余应变的最大应力 屈服强度屈服强度S S有明显上有明显上、下屈服点下屈服点 时时，用下屈服点对应用下屈服点对应 的应力表示的应力表示， 无明显屈服点时无明显屈服点时，以试样残余应变以试样残余应变 达到达到0 0. .2 2时的应力表示时的应力表示，标为标为 0 0. .2 2 抗拉强度抗拉强度b b试样在拉断前所承受试样在拉断前所承受 的最大应力的最大应力 强韧性是指金属材料的强度和韧性而言。强度指标有屈服强度、抗强韧性是指金属材料的强度和韧性而言。强度指标有屈服强度、抗 拉强度等；韧性指标有冲击韧性和
35、脆性转变温度等拉强度等；韧性指标有冲击韧性和脆性转变温度等 3/473/47 断面收缩率断面收缩率拉伸前后拉伸前后 试样横截面的相对减缩量试样横截面的相对减缩量 延伸率延伸率拉伸前后试样拉伸前后试样 的相对伸长量。因集中变形的相对伸长量。因集中变形 受试样形状和尺寸的制约，受试样形状和尺寸的制约， 国标规定拉伸试样的尺寸比国标规定拉伸试样的尺寸比 例应为例应为L L0 0/D/D0 0=5=5或或1010，所以对，所以对 应长短试样分别标为应长短试样分别标为5 5或或 10 10 此外此外，通过拉伸试验还可测通过拉伸试验还可测 定定Z Z值值、塑性应变比塑性应变比R R、应变硬应变硬 化指数化
36、指数n n值和屈强比值和屈强比s/s/b b值值 等用以评价板带产品的冷成型等用以评价板带产品的冷成型 性能性能 1.1 强韧性能的概念 4/474/47 冲冲 击击 韧韧 性性 冲击试验原理冲击试验原理 将规定形状和尺寸的试将规定形状和尺寸的试 样置于固定支架上样置于固定支架上，然后释然后释 放具有一定位能的重锤放具有一定位能的重锤，把把 一次冲断试样所作的功一次冲断试样所作的功A AKV KV或 或 A AKU KU除于试样的原始面积 除于试样的原始面积F F0 0所所 得的值定义为冲击韧性得的值定义为冲击韧性，以以 a aKV KV或 或a aKU KU 表示 表示。 夏比夏比V V型缺
37、口试样型缺口试样 1.1 强韧性能的概念 5/475/47 测定不同温度下的测定不同温度下的A AK K值值，可得到温可得到温 度与度与A AK K值的关系曲线值的关系曲线，曲线上冲击值显曲线上冲击值显 著的温度称为韧脆转变温度著的温度称为韧脆转变温度，也叫脆也叫脆 性转变温度性转变温度 韧脆性转变温度的测定方法：韧脆性转变温度的测定方法： （1 1）能量法：取曲线上韧脆状态下能量法：取曲线上韧脆状态下 冲击韧性平均值所对应的温度冲击韧性平均值所对应的温度 （2 2）取断口结晶区面积为总面积取断口结晶区面积为总面积5050 时所对应的温度时所对应的温度，以以5050FATTFATT表示表示 （
38、3 3）塑变量法：取试样相对收缩变形塑变量法：取试样相对收缩变形 为为1 1时所对应的温度时所对应的温度 韧脆转变温度韧脆转变温度 1.1 强韧性能的概念 冲击功冲击功- -温度曲线温度曲线 塑变量法确塑变量法确 定脆性转变温度定脆性转变温度 6/476/47 根据位错塞积理论导出 著名的HallPetch关系式 如下： 晶内变形阻力： 晶界性质影响的阻力系数； d 晶粒直径大小。 2 1 0 dK ys 0 y K 2/1 10 )( dk vtms K1 晶粒尺寸系数，为曲线的斜率；晶粒尺寸系数，为曲线的斜率； m 固溶强化作用的增长量；固溶强化作用的增长量； t 沉淀强化作用的增长量；沉
39、淀强化作用的增长量； v 位错强化作用的增长量。位错强化作用的增长量。 或表示为：或表示为： 1.2 1.2 强韧性能的定量关系式强韧性能的定量关系式 7/477/47 2/1 2 d k rG c 1/2 TA md 转变 式中：式中： G G 材料剪切模量；材料剪切模量； R R 表面能；表面能； K K 常数。常数。 式中：式中： A A、m m 材料剪切模量材料剪切模量 铁素体晶粒尺寸与韧性断裂铁素体晶粒尺寸与韧性断裂 强度的关系如下：强度的关系如下： 铁素体晶粒尺寸与韧铁素体晶粒尺寸与韧- -脆转变温脆转变温 度的关系如下：度的关系如下： 由以上公式可以看出：钢材的屈服强度由以上公式
40、可以看出：钢材的屈服强度，断裂强度与铁素体晶断裂强度与铁素体晶 粒尺寸粒尺寸 成正比成正比，即晶粒尺寸越细即晶粒尺寸越细，屈服强度和断裂强度越屈服强度和断裂强度越 高；铁素体晶粒越细高；铁素体晶粒越细，韧韧- -脆转变温度越低脆转变温度越低，低温韧性就越好低温韧性就越好。 2/1 d 重要提示重要提示：在所有的钢材强化方法中，唯有晶粒细化可同时提高钢在所有的钢材强化方法中，唯有晶粒细化可同时提高钢 材的强度指标和塑、韧性指标。材的强度指标和塑、韧性指标。 1.3 影响强韧性能的主要因素影响强韧性能的主要因素 一、晶粒的大小一、晶粒的大小 8/478/47 二、珠光体的数量、大小及分布二、珠光体
41、的数量、大小及分布 rs vT d 珠光体为渗碳体与铁素体所组珠光体为渗碳体与铁素体所组 成的混合物。通常的情况下，珠光成的混合物。通常的情况下，珠光 体的体积百分率增大时，使钢材硬体的体积百分率增大时，使钢材硬 化，从而导致钢的韧性变坏。化，从而导致钢的韧性变坏。 对于铁素体珠光体钢，珠光体对于铁素体珠光体钢，珠光体 量和晶粒大小与脆性转变温度的定量和晶粒大小与脆性转变温度的定 量关系如下：量关系如下： 1 2 43 37()6.21.5() rs vTMnd 珠光体 式中式中 脆性转变温度脆性转变温度； 晶粒直径晶粒直径 。 式中式中 铁素体体积分数；铁素体体积分数； 珠光体体积分数珠光体
42、体积分数 ； 完全铁素体的内摩擦应力；完全铁素体的内摩擦应力； 完全珠光体的内摩擦应力。完全珠光体的内摩擦应力。 a f p f ia 0 1 ap ff 当钢中的含当钢中的含C C量（亦即珠光体量）量（亦即珠光体量） 增加时，钢的屈服极限增加，也就是增加时，钢的屈服极限增加，也就是 使使HallHallPetchPetch关系式中的关系式中的 增大，增大， 减小。在铁素体珠光体钢中，此现减小。在铁素体珠光体钢中，此现 象亦可从下式中明确地看出：象亦可从下式中明确地看出： 1 2 saiappa fff kd 0 k 1.3 影响强韧性能的主要因素影响强韧性能的主要因素 9/479/47 铌铌
43、、钒钒、钛等合金元素与钢中的碳钛等合金元素与钢中的碳、氮溶质原子具有极强的亲合力氮溶质原子具有极强的亲合力， 能够形成极为稳定的碳能够形成极为稳定的碳、氮化合物氮化合物，在轧制过程中起到延迟再结晶和阻碍在轧制过程中起到延迟再结晶和阻碍 再结晶晶粒长大的作用再结晶晶粒长大的作用，几种微合金化元素对几种微合金化元素对0.07C、1.40Mn碳锰钢再结碳锰钢再结 晶温度的影响规律如下：晶温度的影响规律如下： 三、铌、钒、钛等合金元素的作用三、铌、钒、钛等合金元素的作用 1.3 影响强韧性能的主要因素影响强韧性能的主要因素 10/4710/47 在钢材轧制过程中，如能有效控制这些碳、氮化合物的析出 行
44、为（数量、大小、形状和分布状态等），则可以充分发挥微 合金化元素对钢材施行细晶强化和析出强化的双重作用。铌、 钒、钛三种微合金元素对铁素体/珠光体钢晶粒细化、沉淀强 化的影响规律如下图所示。 三、铌、钒、钛合金元素的作用三、铌、钒、钛合金元素的作用 1.3 影响强韧性能的主要因素影响强韧性能的主要因素 11/4711/47 三、铌、钒、钛合金元素的作用三、铌、钒、钛合金元素的作用 铌、钒、钛对铁素体铌、钒、钛对铁素体/ /珠光体钢脆性转变温度的影响珠光体钢脆性转变温度的影响 1.3 影响强韧性能的主要因素影响强韧性能的主要因素 12/4712/47 所谓控制轧制,就是在调整钢材化学成分的基础上
45、，通过对轧制 过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制， 显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材 料。 第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典 等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了控制轧制工艺 的雏形。 五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了控制轧 制工艺技术的日趋成熟。 控制轧制技术可以说是20世纪最伟大的科技进步成果之一，目 前控制轧制技术已成为国内外钢材生产的主导工艺；随着超细 晶粒钢等的研究开发，新一代控制轧制工艺技术已经出现。 2.1 2.1 控制轧制的概要控制轧制的概要 2.钢材的控制轧制与控制冷却 13/4713/47 变形前的奥
