所謂控制軋制,就是在調(diào)整鋼材化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，通過對軋制過程中的溫度制度、變形制度和軋后冷卻制度等進(jìn)行有效控制，顯著改善鋼材微觀組織，獲得具有良好綜合力學(xué)性能的鋼鐵材料。第二次世界大戰(zhàn)期間，為改善船板的低溫韌性，比利時(shí)、瑞典等國鋼鐵廠所采用的“低溫大壓下”技術(shù)奠定了控制軋制工藝的雛形。五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的應(yīng)用推動(dòng)了控制軋制工藝技術(shù)的日趨成熟?？刂栖堉萍夹g(shù)可以說是20世紀(jì)最偉大的科技進(jìn)步成果之一，目前控制軋制技術(shù)已成為國內(nèi)外鋼材生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝；隨著超細(xì)晶粒鋼等的研究開發(fā)，新一代控制軋制工藝技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。2.1控制軋制的概要2.鋼材的控制軋制與控制冷卻13/47

變形前的奧氏體晶粒低溫變形后晶粒被拉長鐵素體形核相變完成控制冷卻反復(fù)軋制反復(fù)再結(jié)晶2.2鋼材熱軋過程中的組織性能變化14/47

2.2鋼材熱軋過程中的組織性能變化

（1）變形速率不變時(shí)，同一應(yīng)變條件下，變形溫度越高，所對應(yīng)的真應(yīng)力越低（2）變形溫度不變時(shí)，同一應(yīng)變條件下，變形速率越低，所對應(yīng)的真應(yīng)力也越低，且真應(yīng)力的峰值向真應(yīng)力變小的方向移動(dòng)（3）相同變形溫度、速度條件下，隨應(yīng)變的增加，曲線呈現(xiàn)由高變低并逐漸趨于穩(wěn)定的形態(tài)

0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb鋼在0.6Tm以上溫度變形時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

鋼材熱變形時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線規(guī)律15/47

Ⅰ階段：動(dòng)態(tài)回復(fù)變形的開始階段加工硬化速率較大，隨應(yīng)變繼續(xù)增加，軟化速率增大，部分位錯(cuò)消失、亞晶形成，曲線趨于平緩Ⅱ階段：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶隨變形量增加金屬內(nèi)部畸變能增加，達(dá)到一定程度時(shí)驅(qū)動(dòng)形變奧氏體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶Ⅲ階段：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)定階段動(dòng)態(tài)再結(jié)晶全部完成后，繼續(xù)變形時(shí)，應(yīng)力基本不變或呈規(guī)律的穩(wěn)定狀態(tài)ⅠⅡⅢ

典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線的三個(gè)階段2.2鋼材熱軋過程中的組織性能變化

鋼材熱變形時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線規(guī)律16/47

2.2鋼材熱軋過程中的組織性能變化

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的類型根據(jù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核所需的變形量εc和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶核心形成到奧氏體全部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成時(shí)所需的變形量εr不同分為以下兩種類型：（1）連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成條件：εr>εc（2）間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成條件：εc>εr

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形程度對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，應(yīng)力峰值處變形程度的0.83倍。其數(shù)值的大小取決于鋼材的奧氏體形態(tài)和變形條件。變形溫度越高、變形速率越低，其值越小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越容易發(fā)生。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形程度17/47

熱加工過程中所形成的不穩(wěn)定組織，在熱加工的間隙時(shí)間內(nèi)或加工后的緩冷過程中將繼續(xù)發(fā)生靜態(tài)軟化。以右圖所示0.68％C鋼，780℃對應(yīng)不同應(yīng)變值變形后保溫不同時(shí)間的軟化規(guī)律如下：(a)當(dāng)變形量遠(yuǎn)小于靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時(shí)，加工硬化組織不能完全消除的軟化過程為：靜態(tài)回復(fù)(b)當(dāng)變形量大于靜態(tài)而小于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時(shí)，軟化過程為：靜態(tài)回復(fù)＋靜態(tài)再結(jié)晶(c)當(dāng)變形量剛超過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時(shí)，軟化過程為：靜態(tài)回復(fù)＋亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶＋靜態(tài)再結(jié)晶(d)當(dāng)變形量達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)定階段的變形量時(shí)，軟化過程為：靜態(tài)回復(fù)＋亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶2.1鋼材熱軋過程中的組織性能變化

熱變形后的靜態(tài)軟化18/47

0.68%C鋼不同變形量時(shí)的軟化行為

熱變形后的靜態(tài)軟化2.1鋼材熱軋過程中的組織性能變化何謂亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

熱變形過程中已經(jīng)形成、但尚未長大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核，當(dāng)變形停止、且變形溫度足夠高時(shí)，這些晶核不需要孕育期而繼續(xù)長大，此過程稱為亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是形變奧氏體晶粒內(nèi)不均勻的位錯(cuò)密度。19/47

Q345鋼不同溫度不同變形量時(shí)的奧氏體組織

從圖可以看出，隨著變形溫度的降低，奧氏體發(fā)生再結(jié)晶的臨界變形量增大：高溫區(qū)軋制，10－20%的變形量足以使再結(jié)晶充分進(jìn)行；部分再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，臨界變形量在30%以上，否則道次間隙時(shí)間內(nèi)靜態(tài)再結(jié)晶來不及發(fā)生1100℃1000℃950℃900℃10%20%30%40%

熱變形后的靜態(tài)軟化過程20/47

再結(jié)晶奧氏體的長大過程Q345鋼不同停隔時(shí)間的奧氏體組織

奧氏體晶粒的長大過程2.2鋼材熱軋過程中的組織性能變化abcdef21/47

變形溫度和變形量對含鈮鋼再結(jié)晶行為和再結(jié)晶晶粒直徑的影響熱變形后的再結(jié)晶行為因變形量和軋制溫度的變化可分為再結(jié)晶區(qū)、部分再結(jié)晶區(qū)和回復(fù)區(qū)等三個(gè)區(qū)域。采用再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，整個(gè)體積發(fā)生再結(jié)晶，形成均勻的細(xì)晶粒組織在部分再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，形成部分再結(jié)晶和未再結(jié)晶的混合組織在回復(fù)區(qū)域軋制時(shí)，多數(shù)晶粒產(chǎn)生回復(fù)，部分晶粒生成粗大晶粒變形條件對再結(jié)晶行為的影響2.2鋼材熱軋過程中的組織性能變化22/47

2.1鋼材熱軋過程中的組織性能變化

靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量

為了使再結(jié)晶能夠充分進(jìn)行，則所給予的壓下率必須大于對應(yīng)條件下靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量。該值隨鋼種和變形條件的不同彼此相差很大。普碳鋼的臨界變形量很小，且與溫度的關(guān)系很弱，即普碳鋼在較小的變形量、較寬的溫度范圍內(nèi)均容易產(chǎn)生再結(jié)晶。而含鈮鋼的臨界變形量卻較大，在950℃以下的溫度區(qū)域內(nèi)要使含鈮鋼完成再結(jié)晶是很困難的。23/47

Q345鋼道次間靜態(tài)再結(jié)晶軟化曲線

再結(jié)晶軟化曲線示例24/47

再結(jié)晶軟化曲線示例Q235鋼靜態(tài)再結(jié)晶軟化率與道次間隔時(shí)間的關(guān)系含鈮Q345鋼靜態(tài)再結(jié)晶軟化率與道次間隔時(shí)間的關(guān)系25/47

軋制后奧氏體晶粒鐵素體形核相變后控冷后形變硬化的鐵素體變形區(qū)晶粒邊界位錯(cuò)亞晶邊界長大水淬2.1鋼材熱軋過程中的組織性能變化

奧氏體/鐵素體相變行為26/47

（1）奧氏體再結(jié)晶區(qū)變形階段t≥950℃

對加熱時(shí)粗化的奧氏體晶粒反復(fù)進(jìn)行軋制并反復(fù)再結(jié)晶后使之得到細(xì)化（2）奧氏體未再結(jié)晶區(qū)變形階段t＝950℃-Ar3

奧氏體晶粒沿軋制方向伸長、壓扁，晶內(nèi)產(chǎn)生形變帶，這種加工硬化狀態(tài)的奧氏體具有促進(jìn)鐵素體相變形核作用（3）奧氏體＋鐵素體兩相區(qū)變形階段t<Ar3

相變后為大角度晶粒和亞晶粒的混合組織

控制軋制的三階段及其組織變化

2.2控制軋制的類型27/47

（1）加熱溫度的控制當(dāng)鋼材加熱溫度超過1000℃以后，隨加熱溫度的升高奧氏體晶粒呈顯著的增大趨勢。因此，對普碳鋼加熱溫度宜控制在1050℃或更低些；對含鈮或含鈦的微合金化鋼，考慮到合金元素的充分固溶，可將加熱溫度控制在1150℃左右。加熱溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響2.3軋制工藝參數(shù)的控制28/47

（2）軋制溫度的控制軋制溫度主要是強(qiáng)調(diào)對精軋溫度區(qū)間的控制，精軋區(qū)溫度越高，奧氏體晶粒越粗大，相變后易出現(xiàn)魏氏組織，一般要求最后幾道次的軋制溫度要低，終軋溫度盡可能地接近奧氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度，對低碳結(jié)構(gòu)鋼約為830℃或更低些，對含鈮鋼可控制在730℃左右。2.3軋制工藝參數(shù)的控制

軋制溫度對Al、V、Nb鋼奧氏體晶粒度的影響29/47

（3）變形量的控制：通常要求在低溫區(qū)保證足夠的變形量，在再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，要求道次變形必須大于臨界變形量，并采用不間隔的連續(xù)軋制。由于普碳鋼的未再結(jié)晶區(qū)間很窄，為實(shí)現(xiàn)完全再結(jié)晶、避免混晶組織出現(xiàn)，必須充分重視道次變形量的設(shè)定，而含鈮鋼在720－950℃的較寬溫度區(qū)間內(nèi)應(yīng)變均可以累積，因此更重視總變形量的設(shè)定。2.3軋制工藝參數(shù)的控制壓下率和軋制溫度對再結(jié)晶奧氏體晶粒直徑的影響30/47

(a)(c)(b)

不同壓下道次縮孔愈合模擬圖

從有限元模擬不同壓下道次縮孔的焊合狀態(tài)圖可以看出，縮孔在軋制壓力作用下，隨壓下量的增加，逐漸地由球形變成橢球形，并沿橢球的長軸方向延伸，直到最后被焊合。當(dāng)軋后鋼板的厚度同為130mm時(shí)，采用大壓下、正常壓下和輕壓下時(shí)，縮孔的焊合情況截然不同。采用大壓下時(shí)縮孔在第4道次被焊合，而采用輕壓下時(shí)縮孔在第7道次被焊合，可見適當(dāng)加大高溫區(qū)的壓下量有利于內(nèi)部缺陷的焊合。31/47

（4）冷卻制度的控制水是“鋼的最有效合金化添加劑”高度概括了加速冷卻在鋼材生產(chǎn)中的作用：加速冷卻可提高相變驅(qū)動(dòng)力、降低Ar3溫度、使鐵素體細(xì)化；促使強(qiáng)韌的低碳貝氏體形成并呈小島狀彌散分布，提高鋼材強(qiáng)度；鐵素體細(xì)化的同時(shí)珠光體也得到細(xì)化，珠光體片層間距減小，帶狀組織基本消失；在不降低強(qiáng)度的前提下，可減少鋼中碳當(dāng)量，有利于改善焊接性能。2.3軋制工藝參數(shù)的控制冷卻速度對鋼材力學(xué)性能的影響32/47

冷卻制度的控制主要包括冷卻開始溫度、冷卻速度和冷卻終了溫度的合理控制：當(dāng)奧氏體的有效晶界面積較大，即終軋溫度較高，奧氏體晶粒比較粗大時(shí)，冷卻速度過快，會使鋼中的貝氏體含量顯著增大，雖然強(qiáng)度指標(biāo)會明顯提高，但塑、韌性會相對降低。因此，應(yīng)針對