1、控制軋制細(xì)化鐵素體晶粒
在低碳鋼的超細(xì)化處理工藝中，具有代表性和比較成熟的工藝是熱機(jī)械處理(TMCP)——控制軋制和控制冷卻。對(duì)應(yīng)于上述鐵素體晶粒細(xì)化的四種方法，在控軋控冷工藝中，基本上可分為四個(gè)階段：（1）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的熱軋以獲得初始γ晶粒的細(xì)化；（2）再結(jié)晶控制軋制使γ晶粒進(jìn)一步細(xì)化；（3）非再結(jié)晶控軋以累積變形量，加大α形核面積，驅(qū)動(dòng)γ→α相變，最終達(dá)到細(xì)化晶粒α的目標(biāo)值；（4）形變熱處理。（1）、（2）和（3）可導(dǎo)致鋼的晶粒細(xì)化和超細(xì)化。而形變熱處理是廣義TMCP中的一種，可代替普通再加熱處理，是一種節(jié)能且優(yōu)化性能的不可逆熱處理方式。奧氏體形變后，將發(fā)生鐵素體相變，這時(shí)將有大量的彌散微合金碳氮化合物粒子析出，這些析出的粒子對(duì)鐵素體晶粒同樣也起釘扎作用，限制其長(zhǎng)大。另一方面，這些粒子也起沉淀強(qiáng)化作用，提高鋼鐵材料的強(qiáng)度。研究表明，微合金碳氮化合物析出粒子的大小及其體積分?jǐn)?shù)對(duì)鐵素體晶粒尺寸起決定作用，析出粒子越小，體積分?jǐn)?shù)越大，所獲得的鐵素體晶粒也就越小。因而，努力使析出粒子具有較大的體積分?jǐn)?shù)和較小的尺寸是晶粒細(xì)化過程中的一大目標(biāo)。
形變熱處理大致可分為兩類：高溫形變熱處理是將鋼在較低的奧氏體化溫度進(jìn)行變形，然后淬火；低溫形變熱處理是將淬火后的鋼進(jìn)行冷變形，然后奧氏體化再淬火。高溫形變熱處理工藝是將鋼加熱到稍高于Ac3溫度，保持一段時(shí)間，達(dá)到完全奧氏體化，然后以較大的壓下量使奧氏體發(fā)生強(qiáng)烈變形，之后保溫一段時(shí)間，使奧氏體進(jìn)行起始再結(jié)晶，并于晶粒尚未開始長(zhǎng)大之前淬火，從而獲得較細(xì)小的淬火組織。低溫形變熱處理工藝，是將淬火以后的鋼加熱到相變點(diǎn)以下的低溫進(jìn)行大壓下量的變形，然后加熱到Ac3以上溫度短時(shí)保溫，奧氏體化后迅速淬火。
熱軋工藝對(duì)鋼的性能和質(zhì)量具有重要影響，如鋼坯的加熱溫度和開軋溫度、軋制道次和壓下量，終軋溫度和軋后冷卻制度等都是很重要的影響因素。自從最初發(fā)現(xiàn)降低終軋溫度能夠細(xì)化晶粒從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性之后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到軋制工藝各個(gè)環(huán)節(jié)的重要性，從而形成了所謂的控制軋制。
控制軋制與普通熱軋不同，其主要區(qū)別在于它打破了熱軋只要求鋼材成型的傳統(tǒng)觀念，不僅通過熱加工能使鋼材得到所規(guī)定的形狀和尺寸，而且通過金屬的高度形變充分細(xì)化鋼材的晶粒和改善其組織，發(fā)揮與熱處理相似的作用。經(jīng)過30多年的不斷發(fā)展，控制軋制已趨于成熟，得到廣泛應(yīng)用。特別是加入微合金化元素的低合金高強(qiáng)度鋼，成為改善鋼材質(zhì)量和提高使用性能的最有效方法之一。
控制軋制的典型工藝，可分為兩階段軋制和三階段軋制。其中，兩階段控軋的終軋溫度在Ar3以上，為形變未再結(jié)晶奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，即形變誘導(dǎo)鐵素體相變。三階段控軋，終軋?jiān)?γ+α)兩相區(qū)，其基本原理是先在再結(jié)晶區(qū)通過多次反復(fù)的高溫變形再結(jié)晶，并借助微合金化元素鈮、釩、鈦及其析出物對(duì)再結(jié)晶的抑制作用，使奧氏體晶粒充分細(xì)化，然后再在γ/α。相變前的奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，使細(xì)化了的奧氏體進(jìn)行多道次的變形積累，給鐵素體在γ/α。相變時(shí)的大量形核提供有利條件，以便獲得微細(xì)的鐵素體晶粒，最后在(γ+α)兩相區(qū)終軋。其目的是:一方面通過變形在鐵素體中引入大量位錯(cuò)及其亞結(jié)構(gòu)和織構(gòu)，借此挖掘位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的強(qiáng)化效應(yīng)，提高材料強(qiáng)度;另一方面，通過(γ+α)兩相區(qū)終軋，既有利于微合金化元素在鐵素體中的析出，又能在尚未相變的奧氏體晶粒中繼續(xù)引入大量形變帶，給鐵素體晶粒的均勻形核和充分細(xì)化創(chuàng)造更有利的條件，從而進(jìn)一步發(fā)揮出晶粒細(xì)化和微合金化元素析出相的沉淀強(qiáng)化作用。因此，經(jīng)過(γ+α)兩相區(qū)控軋的鋼材具有晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和織構(gòu)強(qiáng)化等多種強(qiáng)化效應(yīng)，可使鋼材的強(qiáng)度得到大幅度的提高。同時(shí)利用晶粒細(xì)化和織構(gòu)的韌化效應(yīng)達(dá)到提高鋼材韌性的目的。
從以上所述的控軋?jiān)碇锌梢钥闯?，控制軋制利用較多的是奧氏體的回復(fù)與再結(jié)晶細(xì)化奧氏體晶粒，從而細(xì)化鐵素體組織，以及增加位錯(cuò)密度借以增大形核場(chǎng)密度來細(xì)化鐵素體晶粒。利用再結(jié)晶形核、長(zhǎng)大現(xiàn)象進(jìn)行晶粒細(xì)化時(shí)，臨界晶核尺寸大小成為晶粒細(xì)化極限的目標(biāo)。臨界晶核的尺寸是形核驅(qū)動(dòng)力的函數(shù)，驅(qū)動(dòng)力越大，臨界晶核尺寸越小。通常，相變時(shí)的驅(qū)動(dòng)力比再結(jié)晶時(shí)大得多，相變時(shí)臨界晶核尺寸能到0.1μm以下，而再結(jié)晶時(shí)的晶粒尺寸通常為1μm左右。從本質(zhì)上講，相變比再結(jié)晶細(xì)化晶粒的能力大得多，因此將相變作為形變熱處理的主要形核機(jī)制將會(huì)更有效地細(xì)化鐵素體晶粒。
2、形變誘導(dǎo)鐵素體相變細(xì)化鐵素體晶粒
形變誘導(dǎo)相變(Deformation Induced Ferrite Transformation)是將低碳鋼加熱到奧氏體相變溫度Ac3以上，保溫一段時(shí)間，使其奧氏體化，然后以一定速度冷卻到Ar3和Ae3之間，進(jìn)行大壓下量變形，從而獲得超細(xì)鐵素體晶粒。在變形過程中，形變能的積聚使Ar3點(diǎn)溫度上升，在變形的同時(shí)發(fā)生鐵素體相變，并且變形后進(jìn)行快速冷卻，以保持在變形過程中形成的超細(xì)鐵素體晶粒。在形變誘導(dǎo)相變細(xì)化晶粒中，形變量和形變溫度是兩個(gè)最為重要的參數(shù)，隨著形變量的增加和形變溫度的降低，形變誘導(dǎo)鐵素體相變的轉(zhuǎn)變量增加，同時(shí)鐵素體晶粒變細(xì)。
形變誘導(dǎo)相變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是研究提高傳統(tǒng)材料性能的重要突破，它的出現(xiàn)為大幅度提高傳統(tǒng)金屬材料的性能提供了新手段。與傳統(tǒng)形變熱處理工藝相比，形變誘導(dǎo)相變工藝強(qiáng)調(diào)將形變溫度控制在Ar3附近，從而使γ→α。相變的起始溫度高于平衡相變溫度。研究表明，在Ar3附近進(jìn)行低溫大變形，通過形變誘導(dǎo)鐵素體相變和鐵素體的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶兩種機(jī)制，可以獲得超細(xì)的鐵素體晶粒。
形變誘導(dǎo)相變細(xì)化晶粒主要應(yīng)用于鋼鐵材料的控軋控冷生產(chǎn)過程中。
3、循環(huán)加熱淬火細(xì)化奧氏體晶粒
采用多次循環(huán)加熱淬火冷卻方法可有效細(xì)化材料的組織。其具體工藝是將鋼由室溫加熱至稍高于Ac3的溫度，在較低的奧氏體化溫度下短時(shí)保溫，然后快速淬火冷卻至室溫，再重復(fù)此過程。每循環(huán)一次奧氏體晶粒就獲得一定程度的細(xì)化，從而獲得細(xì)小的奧氏體晶粒組織。一般循環(huán)3~4次細(xì)化效果最佳，循環(huán)6~7次細(xì)化程度達(dá)到最大。
該工藝的關(guān)鍵在于升溫速率和冷卻速率，基本要求就是加熱和冷卻速率都要快，當(dāng)不能實(shí)現(xiàn)急冷和急熱時(shí)則不能明顯細(xì)化晶粒。利用特殊的快速加熱方法如火焰加熱、感應(yīng)加熱、電接觸加熱，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的快速循環(huán)加熱淬火，可得到明顯的細(xì)化效果，且超細(xì)化效果的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于鹽爐循環(huán)加熱。
文章摘自：每天學(xué)點(diǎn)熱處理
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