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薄板坯连铸连轧流程低碳高铌钢的再结晶及相变规律

2020-11-28阅读(957)

薄板坯连铸连轧流程低碳高铌钢的再结晶及相变规律

论文摘要

铌作为抑制奥氏体再结晶作用最为明显的微合金元素之一,被广泛应用于高级别、高性能及超细晶钢中。随着对高等级钢材要求的提高,钢中的铌含量也随之被提高,增加含铌量主要目的是利用高铌强烈抑制奥氏体再结晶作用,增加变形过程中的应变累积、增加位错密度,从而为后期相变提供更多的形核位置,使组织更为均匀细化,消除铌微合金元素对产生混晶等不利影响。近年来,HTP（High Temperature Pressing）技术得到迅速发展,利用HTP技术生产的X80螺旋焊管将在我国西气东输二线中应用。因此,很有必要对含铌量较高钢种进行深入研究。本文为研究较高含铌量对钢组织结构的影响及针对HTP技术所要求的低碳、高铌、无钼的化学成分,设计了含0.05%C-0.128%Nb低碳高铌钢。利用热模拟试验进行了动态再结晶、静态再结晶规律研究,得出了奥氏体再结晶停止温度。在不同变形参数下采用不同冷却条件所得到的CCT曲线,对低碳高铌微合金钢的相变规律进行了系统研究,在此基础上,通过实验室轧制试验,研究了实际控制轧制和控制冷却条件下,低碳高铌钢的组织、性能变化规律。对不同工艺条件下变形抗力进行研究,应用回归分析得到变形抗力数学模拟公式。通过理论计算,分析了碳氮化铌在奥氏体中沉淀析出的相变动力学。利用Thermecmastor-Z热模拟设备,结合薄板坯连铸连轧工艺技术对低碳高铌钢动态再结晶进行研究,尤其是针对1050℃初轧阶段的动态再结晶情况进行了较为详细研究,此时的原始奥氏体晶粒尺寸为1082μm,同时对1082μm和140μm原始奥氏体晶粒尺寸的动态激活能计算结果显示,原始奥氏体晶粒尺寸对动态激活能几乎没有影响,两者相差只有1kJ/mol。为了使奥氏体晶粒较为粗大且保证试验成功率,采用了原始奥氏体晶粒尺寸为400μm试验条件进行研究,通过对变形过程中应力-应变曲线分析结合金相组织观察,确定奥氏体以2s-1变形40%时,再结晶终止温度为1023℃。在双道次及多道次热模拟轧制过程中,道次间隔时间内发生静态再结晶软化现象,对于消除应变累积及位错密度有较大影响,因此本文利用Gleeble-1500D执模拟设备,采用双道次试验方法对静态再结晶进行研究。论文中系统分析了应变速率（0.1-10s-1）、变形量（10-40%）、变形温度（850-1100℃）及原始奥氏体晶粒尺寸（7.4-37.2μm）对静态再结晶的影响,通过分析得到静态再结晶体积分数公式,静态再结晶动力学的t0.5公式,为研究低碳高铌钢应变累积及相变规律提供基础数据。在变形过程中,变形抗力表征金属塑性变形特征,也是影响实际热连轧轧制力的主要参数。对于低碳高铌钢,随着铌含量的增加,钢中铌的固溶及析出含量也势必增加,相对于低铌钢而言,其变形抗力有所不同。本论文分别对原始奥氏体晶粒尺寸为1082μm和140μm的两种情况进行变形抗力研究,分析了应变速率、变形温度等不同热变形参数的影响,利用典型的6参数变形抗力模型,运用Matlab软件对数据进行回归计算,分别得到不同晶粒尺寸的低碳高铌钢变形抗力公式,计算值与实测值相差不到5MPa。除此之外,为了比较不同铌含量钢对变形抗力的影响,本文还选用含0.065%C-0.045%Nb的X65管线钢进行了对比研究,单道次变形试验表明低碳高铌钢与X65管线钢相比其变形抗力增加不显著,两者相差大约25MPa。低碳高铌钢在奥氏体区变形以后,通过控制冷却对γ→α相变规律进行了研究。利用Thermecmastor-Z热模拟设备的激光跟踪仪器,采用热膨胀方法对冷却过程中试样的直径变化进行测定,依据温度-直径变化量曲线得到相变开始及完成温度点。针对静态、单道次及双道次等工艺条件,绘制出低碳高铌钢静态及动态CCT曲线,当冷却速度大于5℃/s时组织多为粒状贝氏体组成。由于相变与原始奥氏体晶粒尺寸、变形温度、变形量及应变速率有关,因此研究了不同热变形参数对相变规律的影响,其结果表明提高变形速率、降低加热温度及增加变形量对相变有促进作用,而变形温度的改变对相变影响不大。通过轧制试验,试验样品的力学性能指标为半尺寸试样冲击值最低为138J,拉伸数据Rm最低为642MPa,RP0.2最低为555MPa,RP0.2/Rm最低为0.83,而断后延伸率在21.5-25.5%。对均匀形核、界面形核及位错线上形核等不同形核机制下碳氮化铌在奥氏体中沉淀析出的相变动力学进行了理论计算。低碳高铌钢无变形条件下,无论是形核率恒定还是形核率迅速衰减为零时最大形核率温度分别约为820℃、780℃、1040℃、最快沉淀析出温度为910℃、900℃、1070℃。同时通过形变储能对沉淀析出影响的计算,表明变形促进了沉淀析出的发生,使临界核心尺寸减小。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 微合金化技术及原理
  • 1.3 含铌微合金钢概述
  • 1.3.1 铌在钢中的作用
  • 1.3.2 铌资源及价格优势
  • 1.3.3 含铌微合金钢的发展
  • 1.3.4 含铌微合金钢的研究进展
  • 1.4 含铌微合金钢再结晶规律研究
  • 1.4.1 含铌钢的动态再结晶研究
  • 1.4.2 含铌钢的静态再结晶研究
  • 1.5 铌的碳氮化物析出规律研究
  • 1.5.1 铌的碳氮化物在奥氏体中的溶解度
  • 1.5.2 微合金碳氮化物的析出方式及作用规律
  • 1.5.3 碳氮化物析出的热力学模型
  • 1.5.4 碳氮化物析出的动力学模型
  • 1.5.5 研究析出的主要方法
  • 1.6 薄板坯连铸连轧技术
  • 1.6.1 薄板坯连铸连轧技术简介
  • 1.6.2 薄板坯连铸连轧的冶金特性
  • 1.6.3 薄板坯连铸连轧流程铌微合金钢的混晶问题
  • 1.7 HTP技术概述
  • 1.8 研究目的、主要研究内容及课题来源
  • 第二章 试验材料及方法
  • 2.1 试验材料
  • 2.2 试验方法
  • 2.2.1 固溶处理
  • 2.2.2 热模拟试验
  • 2.2.3 金相组织观察及定量测定
  • 2.2.4 微观组织观察
  • 2.2.5 变形抗力模拟计算软件
  • 2.2.6 力学性能测试
  • 第三章 低碳高铌钢再结晶规律研究
  • 3.1 试验工艺
  • 3.1.1 奥氏体动态再结晶试验工艺
  • 3.1.2 奥氏体静态再结晶试验工艺
  • 3.2 原始奥氏体晶粒尺寸和温度的关系
  • 3.3 粗晶奥氏体动态再结晶规律研究
  • 3.3.1 应力-应变曲线
  • 3.3.2 变形过程中的本构方程
  • 3.3.3 低碳高铌钢动态再结晶起始位置研究
  • 3.3.4 1050℃变形动态再结晶研究
  • 3.4 低碳高铌钢抑制动态再结晶研究
  • 3.5 静态再结晶试验方法介绍
  • 3.5.1 双道次变形法
  • 3.5.2 平均流变应力法
  • 3.5.3 应力松弛法
  • 3.5.4 含铌钢静态再结晶公式
  • 3.6 双道次再结晶试验研究
  • 3.6.1 变形量因素的影响
  • 3.6.2 变形温度因素的影响
  • 3.6.3 应变速率因素的影响
  • 3.6.4 原始奥氏体晶粒尺寸因素的影响
  • 3.6.5 nA的确定
  • 3.6.6 双道次试验静态再结晶动力学模型
  • 3.7 本章小结
  • 第四章 低碳高铌钢变形抗力规律研究
  • 4.1 试验材料及试验方法
  • 4.1.1 变形抗力的测定方法
  • 4.1.2 研究变形抗力规律的试验工艺
  • 4.2 模拟薄板坯连铸连轧工艺流程变形抗力研究
  • 4.2.1 应力-应变曲线
  • 4.2.2 变形温度对变形抗力的影响
  • 4.2.3 应变速率对变形抗力的影响
  • 4.2.4 变形量对变形抗力的影响
  • 4.2.5 模拟TSCR工艺流程变形抗力数学模型
  • 4.2.6 回归结果和实测值对比
  • 4.3 模拟传统热轧工艺流程变形抗力研究
  • 4.3.1 应力-应变曲线
  • 4.3.3 应变速率对变形抗力的影响
  • 4.3.4 变形量对变形抗力的影响
  • 4.3.5 模拟传统工艺流程变形抗力数学模型
  • 4.3.6 回归结果和实测值对比
  • 4.4 铌含量对变形抗力影响
  • 4.4.1 X65应力-应变曲线
  • 4.4.2 X65变形抗力数学模型及模拟结果比较
  • 4.4.3 铌含量对变形抗力的影响
  • 4.6 本章小结
  • 第五章 未再结晶区连续冷却相变规律研究
  • 5.1 相变规律研究试验工艺及试验制度
  • 5.2 不同变形条件下的CCT曲线
  • 5.2.1 未变形试验研究
  • 5.2.2 单道次试验研究
  • 5.2.3 双道次试验研究
  • 5.2.4 不同变形条件下显微硬度规律
  • 5.3 应变速率对相变规律影响研究
  • 5.4 变形温度对相变规律影响研究
  • 5.5 晶粒度对相变规律影响研究
  • 5.6 变形量对相变规律影响研究
  • 5.7 多道次相变规律研究
  • 5.8 低碳高铌钢试验轧制研究
  • 5.9 本章小节
  • 第六章 碳氮化铌奥氏体中沉淀析出相关理论计算
  • 6.1 微合金碳氮化物沉淀析出驱动力
  • 6.2 微合金碳氮化物在奥氏体中的形核
  • 6.2.1 均匀形核
  • 6.2.2 界面形核
  • 6.2.3 位错线上形核
  • 6.3 不同形核机制下的形核率
  • 6.4 晶核的长大
  • 6.5 沉淀析出的PTT（析出量-温度-时间）曲线
  • 6.6 微合金碳氮化物在钢中的OSTWALD熟化理论
  • 6.7 NB（C,N）沉淀析出动力学理论计算结果及分析
  • 6.7.1 Nb（C,N）沉淀析出自由能理论计算
  • 6.7.2 Nb（C,N）在奥氏体中不同沉淀形核方式的比较
  • 6.7.3 Nb（C,N）在奥氏体中沉淀PTT曲线计算
  • 6.7.4 形变储能对沉淀析出PTT曲线的影响
  • 6.8 本章小结
  • 第七章 结论
  • 参考文献
  • 博士期间发表文章及申请专利
  • 致谢

    • 相关论文文献

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