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钢材的控制轧制和控制冷却
一、名词解释：
1、控制轧制：在热轧过程中通过对金属的加热制度、变形制度、温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能。。

2、控制冷却：控制轧后钢材的冷却速度、冷却温度，可采用不同的冷却路径对钢材组织及性能进行调控。

3、形变诱导相变：由于热轧变形的作用，使奥氏体向铁素体转变温度Ar3上升，促进了奥氏体向铁索体的转变。在奥氏体未再结晶区变形后造成变形带的产生和畸变能的增加，从而影响Ar3温度。

4、形变诱导析出：在变形过程中，由于产生大量位错和畸变能增加，使微量元素析出速度增大。
两相区轧制后的组织中既有由变形未再结晶奥氏体转变的等轴细小铁素体晶粒，还有被变形的细长的铁素体晶粒。同时在低温区变形促进了含铌、钒、钛等微量合金化钢中碳化物的析出。

5、再结晶临界变形量: 在一定的变形速率和变形温度下，发生动态再结晶所必需的最低变形量。

6、二次冷却：相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。

二、填空：
1、再结晶的驱动力是储存能，影响其因素可以分为：一类是工艺条件，主要有变形量、变形温度、变形速度。 另一类是材料的内在因素，主要是材料的化学成分和冶金状态。

2、控制冷却主要控制轧后钢材冷却过程的（冷却温度）、（冷却速度）等工艺条件，达到改善钢材组织和性能的目的。

3、固溶体的类型有（间隙式固溶）和（置换式固溶），形成（间隙式）固溶体的溶质元素固溶强化作用更大。

4、根据热轧过程中变形奥氏体的组织状态和相变机制不同，将控制轧制划分为三个阶段，即奥氏体再结晶型控制轧制、奥氏体未再结晶型控制轧制、在A+F两相区控制轧制。

5、以珠光体为主的中高碳钢，为达到珠光体团直径减小，则要细化奥氏体晶粒，必须采用（奥氏体再结晶）型控制轧制。

6、控制轧制是在热轧过程中通过对金属的（加热制度）、（变形制度）、（温度制度）的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合使钢材具有优异的综合力学性能。

7、钢的强化机制主要包括（固溶强化）、（位错强化）、（沉淀强化）、（细晶强化）、（亚晶强化）、（相变强化）等，其中（绕过）机制既能使钢强化又使钢的韧性得到提高。

8、一般可把轧后控制冷却过程分为三个阶段，称为（一次冷却）、（二次冷却）和（三次冷却）。

9、对于中高碳钢，如果要同时提高强度和韧性，不仅须进行控制轧制，同时要进行轧后（控冷），使珠光体在低温下产生，得到（细片层状态）的珠光体。

三、选择：
1、控制冷却的关键点在于控制（A )。
（A）奥氏体发生的组织转变（B）奥氏体的再结晶
（C）变形奥氏体（D）奥氏体的形核和长大

2、对于动态再结晶发生的条件，动态再结晶能否发生，主要由温度补偿因子Z和（A）来决定。
（A）变形程度（B）待温厚度（C）设备能力（D）晶粒尺寸

3、在（B )进行变形后的奥氏体中由于有变形带的存在，铁素体不仅在晶界上成核而且在变形带上成核。
（A）再结晶奥氏体区（B）未再结晶奥氏体区
（C）部分再结晶奥氏体（D）奥氏体和铁素体的两相区

4、Nb(C、N)析出质点固定亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶阶段是在：（C )
（A）出炉前（B）出炉后冷却到轧制前
（C）变形奥氏体中（D）变形奥氏体向铁素体转变过程中

5、抑制奥氏体再结晶作用最强的微合金元素是：（A）。
（A）Nb （B）V （C）Ti （D）B

6、控制轧制的关键点在于控制（C）。
（A）奥氏体的形核与长大（B）铁素体的形核与长大
（C）变形奥氏体的状态（D）奥氏体发生的组织转变

7、在以下不同区域进行轧制，铁素体细化程度最大的是：（D )。
（A）再结晶奥氏体粗晶粒区（IA型）（B）再结晶奥氏体细晶粒区（IB型）
（C）部分再结晶奥氏体（过渡型）（D）未再结晶奥氏体区（Ⅱ型）

四、简答：
1、简述钢材强化的几种主要机制，并说明对钢材韧性的影响。
钢的强化机制：固溶强化、位错强化、晶界强化、沉淀强化、亚晶强化、相变强化等
1、固溶强化:溶质原子溶入基体金属使材料强度增加的现象。
机理 ：运动的位错与溶质原子之间的交互作用的结果。效果： 提高强度、降低塑属性。
间隙式固溶强化使强度↑，但塑性↓、韧性↓；置换式固溶强化强化效果小，但对塑性、韧性影响不大。
2、位错强化:在塑性变形中，随变形程度↑，基体强度↑的现象。
机理：变形量ε↑，位错密度ρ↑，位错的移动阻力↑，强化↑。
效果：提高强度、降低塑韧性。
3、沉淀强化:第二相微粒从过饱和固溶体中沉淀析出使材料强度↑的现象。
机理：位错和第二相颗粒相互作用。
(1) 对提高强度有积极作用的绕过过程； (2) 对提高强度作用较小的切割/ 剪切过程。 它们都会增加运动阻力，可以提高材料的强度。
4、细晶强化:随晶粒细化，屈服应力变高，基体强度上升的现象。
晶界强化本质：晶界对位错运动的阻碍作用。
晶界强化能同时提高材料的强度和韧性。
5、亚晶强化:位错密度增高，阻止位错运动。
6、相变强化:主要是指马氏体强化。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
碳原子固溶强化是马氏体最基本的强化机制。

2、请画出奥氏体热加工时的真应力—真应变曲线示意图，并说明曲线共分为几个阶段。
1、第一阶段（加工硬化）：当塑性变形小时，随着变形量增加变形抗力增加，直到达到最大值。另一方面，由于材料在高温下变形，变形中产生的位错能够在热加工过程中通过交滑移和攀移等方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，造成奥氏体的回复。加工硬化超过动态软化。
2、第二阶段（动态再结晶）：在第一阶段动态软化抵消不了加工硬化，随着变形量的增加金属内部畸变能不断升高，畸变能达到一定程度后在奥氏体中将发生另一种转变，即动态再结晶。动态再结晶的发生与发展使更多的位错消失，材料的变形应力很快下降。随着变形的继续进行，在热加工过程中不断形成再结晶核心并继续成长直到完成一轮再结晶，变形应力降到最低值。从动态再结晶开始，变形应力开始下降，直到一轮再结晶全部完 成并与加工硬化相平衡，变形应力不再下降为止，形成了真应力一真应变曲线的第二阶段。 动态软化速度大于加工硬化速度。
3、第三阶段（稳态非稳态）：当第一轮动态再结晶完成以后，在真应力一真应变曲线上将出现两种情况：一种情况是应力达到稳定值，变形量虽不断增加而应力基本不变，呈稳态变形。这种情况称为连续动态再结晶；另一种情况是应力出现波浪式变化，呈非稳态变形。这种情况称为间断动态再结晶。 εc从开始到发生再结晶的变形量，εr从开始发生再结晶到最后一个晶粒发生再结晶的变形量。 当εc<εr时发生连续动态再结晶。当εc>εr时发生间断动态再结晶。连续动态再结晶：应力达到稳定值，变形量虽不断增加而应力基本不变，呈稳态变形。间断动态再结晶：应力出现波浪式变化，呈非稳态变形。 当εc<εr时发生连续动态再结晶。当εc>εr时发生间断动态再结晶。

3、简述控制轧制过程各个阶段Nb(C、N)的析出状态。
1、出炉前的Nb(C、N)质点状态：
当含铌的硅锰钢加热到 1200 ℃ 均热2 2 小时后,钢中铌量有 90 % 以上都固溶到奥氏体基体中了。
有极少数Nb(C、N)没有固溶到奥氏体中。经电镜观察，这些粗大粒子直径大约在100nm左右。这些未溶解的大颗粒的 Nb(C、N)不会对轧后奥氏体晶粒的再结晶有什么作用 。
如果将钢加热到 1260 ℃，保温 30 min； 则 Nb (C、N) 全部溶解 。
2、出炉后冷却到轧制前Nb(C、N)的析出状态： 当铌钢加热到 1200 ℃ 以后 ， 分别冷却到 1050 ℃ 、930 ℃ 和 820 ℃ 时钢中析出的 Nb (C 、N N) ) 数量与 1200 ℃时的未固溶的 Nb (C 、N N) ) 数量没有多大差别 ， 也就是说在轧制前这一阶段的时间中 ， 并没有从固溶体中析出多少 Nb(C、N) 。这是因为 碳氮化物相从固溶体中析出的动力学决定于晶核的形成条件 、 合金元素的扩散速度 、 过冷度和内应力 （ 畸变能 ）
3、变形奥氏体中Nb(C、N)的析出状态：在变形中析出 Nb(C、N) 的过程是动态析出过程 。
只有当变形速度很低的情况下才能产生这种析出相 。另外在变形过程中析出的碳化物也难以和变形后快速冷却下析出的碳化物区分开 。即使在变形过程中 ， 由于产生大量位错和畸变能增加 ， 引起 “ 形变诱导析出 ” ， 使铌析出速度增大 ， 如果变形时间短 ， 实际析出量并不大 。 高温轧制 后 （ 再结晶区轧制 ， 如 1050 ℃ ） ， 由于变形 产生的位错和畸变能由于回复和再结晶而 消失 ， Nb(C、N) 颗粒的析出部位是沿奥氏体晶界析出 ， 而在晶内析出很少 ，颗粒直径在 20 nm 左右 。低温轧制 后 （ 未再结晶 区轧制 ， 如 900~ ~ 800 ℃ ） ， 由于奥氏体未发生再结晶 ， 具有较高畸变能 ， 位错密度高 ， 因而加速了碳和铌的扩散速度 ， Nb(C、N) 颗粒的析出部位既有在晶界上也在晶内和亚晶界上 ， 故颗粒细小 ， 直径在5 5~ ~ 10 nm 。此 冷 却 过 程 中 Nb (C 、 ) N) 的 析 出 量 约 占 其 总 量 的25 %~ ~ 30 % 左右 ， 控制轧制就是 应用这种微细 的 Nb(C、N) 析出质点固定亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶 ， 达到细化晶粒的目的

4、在奥氏体向铁素体转变过程中和在铁素体内Nb(C、N)的析出状态： 由于各种碳氮化物在奥氏体中的溶解度都远远大于在铁素体中的溶解度 ， 因此当 A→F 相变发生后 ， 微量元素立即达到高度过饱和 ， 产生快速析出 。 而位错 、 界面和其它晶体缺陷处则是析出最有利的位置 。相间析出 — 随 A→F 转变 ， A/F 之间的界逐渐向A A 推进 ， 而析出总是紧贴在相界面上成列状沉淀析出 ， 相界面不断推进 ， 列状沉淀析出就形成一排排有规则 的新析出相 。一般析出 — 无规则的在位错线上和基体上沉淀析出 。 一般沉淀析出是主要的 、 常见的 ， 而列状的相间析出很少见 。相变后剩余在F F 中的固溶 Nb 将在F F 中继续析出 。 质点长大速度缓慢 ， 质点细小 ， 一般小于5 5 nm 。 其质点大小决定于冷却速度

4、根据热轧过程中变形奥氏体的组织状态和相变机制不同，将控制轧制划分为哪三个阶段，各有什么特点。

1、奥氏体再结晶型控制轧制：是在奥氏体变形过程中和变形后自发产生奥氏体再结晶的温度区域中进行轧制。
2、奥氏体未再结晶型 控制轧制
3、在 A+F 两相区控制轧制：钢板和带钢控轧工艺。在奥氏体向铁素体相变的A+F两相区的上限温度进行一定道次的轧制，使尚未相变的奥氏体晶粒继续变形、拉长，晶粒内形成新的滑移带，并在这些部位形成新的铁素体晶核 。

再结晶奥氏体相变：奥氏体再结晶型控制轧制（Ⅰ阶段）
ⅠA型：如果热轧后奥氏体发生再结晶，并且在转变前粗化成小于或等于ASTM№5级的奥氏体晶粒，那么转变时容易形成魏氏组织铁素体和珠光体。形成魏氏组织的倾向在含铌钢中最强烈，其次是非合金钢，含钒钢最弱 。

ⅠB型：如果热轧后奥氏体发生再结晶，转变前奥氏体晶粒是ASTM № 6级或者更细，则转变就按IB型进行。铁素体晶核基本上在奥氏体晶界上形成，并获得具有等轴铁素体与珠光体的均匀组织。原始奥氏体晶粒愈细。转变后的铁素体也愈细。这就是再结晶型的控制轧制。

未再结晶奥氏体相变：
过渡型：一种是一大部分奥氏体再结晶晶粒按着ⅠB型转变形成细小的铁素体和珠光体，而另一部分是未再结晶奥氏体晶粒，转变后形成魏氏组织和珠光体； 另一种情况是一部分变形量大的奥氏体未再结晶晶粒按Ⅱ型转变后形成细小的铁素体和珠光体组织，而另一部分变形量小的奥氏体则转变成魏氏组织和珠光体。

Ⅱ型：如果热轧温度低，热轧后变形的奥氏体晶粒不发生再结晶，则奥氏体向铁素体的转变将按Ⅱ型方式进行。铁素体在变形带边界处和晶界处成核，形成细小的等轴晶粒。随后在奥氏体晶内也形成多边形的铁素体晶粒和珠光体。Ⅱ型转变中不形成魏氏组织和上贝氏体。这就是未再结晶型的控制轧制。

铁素体细化的程度将按： Ⅱ型 > ⅠB型>过渡型> ⅠA型变化 Ⅱ型的最细。

5、什么是一次冷却、二次冷却、三次冷却？
一次冷却：指从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3或二次碳化物开始析出温度Arcm这个温度范围内的冷却控制，即控制其开始快冷温度、冷却速度和快冷终止温度。
二次冷却：是指从相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。
三次冷却：是指相变后至室温范围内的冷却（空冷）。

6、微合金元素在控制轧制和控制冷却中主要有哪些作用。
1、加热时阻止奥氏体晶粒的长大；
2、抑制奥氏体再结晶
3、细化铁素体晶粒
4、影响钢的强韧性。

五、举例说明：
请结合所学知识，举例说明控制轧制和控制冷却工艺在某一具体产品（钢种不限）生产中的应用。

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