轧后冷却速度对窄带钢组织性能及其温度场的影响

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1、轧后冷却速度对窄带钢组织性能及其温度场的影响摘要本文通过热模拟机Gleeble－1500对Q215热轧窄带钢在不同的轧后冷却速度下进行了模拟，研究了冷却速度对热轧窄带钢组织性能的影响。同时，采用MARC对其冷却过程进行有限元数值模拟，分析了冷却速度对钢带温度场分布的影响。为提高产品的强度及韧性，适应以后的冷轧工艺，根据现场条件，制定了合理的冷却制度。关键词冷却速度热轧窄带钢显微组织力学性能温度场1引言热轧窄带钢与宽带相比其组织性能指标较低，产品的流向以焊管、冷弯原料为主，近几年来已开始用于冷轧带钢的原料，用户对窄带钢产品质量的要求也越来越高

2、。目前国内的热轧窄带钢生产大部分在轧后采用蛇型振荡的冷却方式，有的甚至轧后无任何冷却方式，直接卷取，以致卷取温度过高，组织晶粒过大，不利于后面的冷轧，最终产品质量也难以达到用户的要求。带钢热轧以后的冷却速度对于钢带的组织与性能有着极其重要的影响，铁素体－珠关体组织的低碳钢的强化与普通热轧态钢比较是通过轧后控制冷却速率来实现的。钢种、板厚、终轧及卷取温度和轧制规程等都相同，只是冷却速度不同就引起性能上的较大差别[1,2]。因此，本文根据某热轧窄带钢厂车间的实际情况，采用gleeble热模拟方法加入一定的轧后冷却速度，研究其对热轧窄带钢组织性能

3、的影响。同时，采用MARC有限元软件对其冷却过程的温度场进行模拟计算，研究其厚度方向上的温度场分布情况。2试验方法及结果分析2.1试验材料目前，热轧窄带厂的原料以Q195、Q215、Q235等普碳钢为主。本研究中的试验材料取自某热轧窄带厂的成品，其化学成分如表1。表1试验用钢主要化学成分元素CMnSiPS质量分数/%0.09～0.150.25~0.55＜0.3＜0.04＜0.042.2试验方案及检验根据试验内容和试验方案的要求将试样加工成120×16×3mm的矩形试样。利用北京科技大学Gleeble-1500热模拟试验机采集试验数据。试验方

4、案为：将室温下的热轧窄带钢试样以20℃/s的加热速度分别加热到880℃，保温5分钟使其完全奥氏体化，然后以不同的冷却速度冷却到650℃，最后空冷至室温。考虑到该厂车间终轧设备到卷取机的距离比较短，选用比较大的冷速进行冷却，分别为20、30、40、50、60℃/s（终轧到卷取温度范围内的平均速度）。具体工艺参数情况见表2。将热模拟完后的试样加工成标准拉伸试样，对其进行力学性能测试，并与未经热模拟的0＃样进行比较。同时用中间截取的部分制成金相样，抛光后用4%的硝酸酒精溶液侵蚀，在NEOPHOT21型金相显微镜下观察分析其组织特点。2.3试验结果

5、分析2.3.1试验结果以下表2为室温20℃、不同冷却工艺制度下测定的力学性能结果，图1为不同冷却工艺制度下观察到的微观组织。其中0＃试样为未经热模拟的原始试样。表2力学性能测定结果编号工艺参数晶粒的平均直径d()屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）总延伸率（%）屈强比终轧温度（℃）冷却速度（℃/s）终冷温度（℃）0原始试样34.8526039032.10.66718802065027.7326840031.70.67028803065023.6528741833.90.68738804065020.3329042036.50.6824880

6、5065021.7128342528.50.66758806065024.8127539526.70.696图1不同冷却速率下对应的金相组织(a)0#工艺(b)1#工艺(c)2#工艺(d)3#工艺(e)4#工艺(f)5#工艺2.3.2轧后冷却速度对组织性能的影响图2为冷却速度对试验钢强度和延伸率的影响曲线，表明随冷却速度的提高，试样的屈服强度和抗拉强度均有不同的提高。对于常温为铁素体和珠光体的低碳钢，从霍尔－佩奇（Hell－Petch）公式[3]可以看出晶粒尺寸和屈服强度的关系：(1)式中，σ0——铁素体单晶体的屈服极限κy——晶粒尺寸影响

7、系数d——铁素体晶粒尺寸图2冷却速度对力学性能的影响可见，在屈服强度增加量中，细晶强化起着主要作用。试验钢在轧后冷却过程中将发生形变奥氏体γ向铁素体α的转变，轧后冷却速度是影响相变过程中的重要参数之一。轧后快速冷却使γα相变开始温度（Ar3）移向较低温，这就提高了铁素体的形核率，同时温度较低又限制了晶界的运动能力，降低长大速率，造成铁素体晶粒的细化[4]。加速冷却还可阻止转变前已经细化的奥氏体晶粒长大，同样有利于细化铁素体晶粒。我们知道，对于控冷组织为铁素体＋珠光体的钢，其韧性主要取决于铁素体晶粒大小及珠光体的片层间距。从表中数据可以看到，

8、当终轧温度和终冷温度不变时，冷速从20℃/s增大为30、40℃/s时，铁素体晶粒的平均直径减小，其延伸率则增大。这是因为加速冷却在细化铁素体晶粒的同时也细化了珠光体，减少了珠光体