CN103710529B - 一种基于超快冷系统的q235钢组织性能预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法，建立UFC-F冷却路径控制平台，在单独使用超快冷、单独使用层流冷却、超快冷+层流冷却连用的分类条件下，通过确定对应的化学成分范围、确定冷却速度层别，建立钢种CCT曲线，进行不同冷却路径下Q235钢的组织性能分析和冷却路径控制，预测出Q235钢的组织和性能。本发明预测结果准确，模型预测偏差15%以内，可实现大范围的组织调控能力，为低屈强比、低温韧性的新品种钢开发提供技术指导，实现用同一成分实现柔性化生产技术，通过工业试制，可以使用Q235系列钢种生产Q345系列钢板。

Description

一种基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法

技术领域

本发明属于金属材料性能检验领域，尤其涉及一种基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法。

背景技术

国内4300mm厚板线使用的超快速冷却系统是由前部无约束斜喷超快冷系统（国内首创）加后部高密度U形管层流冷却系统组合而成。超快速冷却系统的优点如下：

1、可将钢板表面残存水与钢板之间形成的气膜清除，从而实现钢板和冷却水充分均匀接触的全面核沸腾，使得该系统达到极限的冷却速率，同时实现钢板的均匀冷却。

2、可依据CCT曲线实现多阶段冷却路径的控制工艺，从而得到多样化的相变组织和宽范围的材料性能，可进行减量化生产并实现柔性生产工艺。因此，建立一套基于超快速冷却系统且针对不同钢种的组织性能预报方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明旨在提供一种可通过建立超快冷系统-铁素体控制（UFC-F）冷却路径控制平台，实现大范围的金相组织调控能力，利用同一成分实现柔性化生产，且准确度高的基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法。

为此，本发明采取了如下解决方案：

一种基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法，其特征在于，建立超快冷系统-铁素体控制UFC-F冷却路径控制平台，在单独使用超快冷、单独使用层流冷却、超快冷+层流冷却连用的分类条件下，利用钢种CCT曲线，预测Q235钢的组织和性能。其具体方法为：

确定对应的化学成分范围

计算用Q235钢化学成分wt%为：C0.15%，Si0.17%，Mn0.45%，S0.004%，P0.015%，Cr0.2%，Ni0.2%，Cu0.2%。

确定冷却速度层别

根据超快冷和层流冷却能力，将超快冷和层流冷却的冷却速度范围按钢坯厚度对应划分成6个层别，具体为：

钢坯厚度mm	10	20	25	30	40	50
							最大超快冷冷速℃/s	120	60	40	32	25	20
最大层流冷却冷速℃/s	70	35	25	20	15	11
							最小冷却速度℃/s	9	7	6.5	6	5	4

建立动态CCT曲线

将热模拟试样以10℃/s加热速度加热至奥氏体化温度1200℃，保温5min，然后以1℃/s的冷却速度降温至1050℃和900℃，进行压缩变形，随后按0.2～50℃/s冷却速度冷至室温，获得Q235钢动态CCT曲线，通过该曲线清晰了解F、P、B相区以及马氏体相变开始点，以及影响C曲线的主要因素。

不同冷却路径下Q235钢的组织性能分析

（1）、相变组织分析：

在连续冷却过程中，各连续冷却的每一温度下均分别有短暂的孕育期，当冷却到某一温度时，由于这些短暂孕育期的积累效果才完成孕育而达到成核；将连续冷却相变处理成微小等温相变之和，当满足下式时，达到连续冷却相变开始温度：

$\underset{i}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Δt}}_i}{{\mathrm{\τ}}_i}=1$

其中，τ_i为不同温度下的相变孕育期；△t_i为微小时间步长；

采用Avrami等温转变动力学方程进行计算，其表达式为：

X=1-exp(-btⁿ)

X是组织转变份数，b和n是与转变方式有关的参数；

结合CCT曲线，Avrami方程中的相变动力学参数为：

相	n	lnb
			F	0.99	bF=a*(T-685)*(T-685)-aa
P	1.13	bP=b*(T-675)*(T-675)-bb
			B	0.85752	bB=c*(T-520)*(T-520)-cc

（2）、性能分析：

a、铁素体晶粒尺寸的确定：

其模型为：

其中，是变形量。

b、组织性能分析：

力学性能主要考虑抗拉强度σ_b、屈服强度σ_s和延伸率δ，并以H_F、V_F，H_P、V_P，H_B、V_B和为变量，采用混合法则进行计算：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_b=48.3+80.7H_F{V}_F+128.6H_P{V}_P+68.95H_B{V}_B+19.8{d_F}^{-1/2}\\ {\mathrm{\σ}}_S=4.3+112\·H_F{V}_F+101.2\·H_P{V}_P+75.9\·H_B{V}_B+11.75\·{d_F}^{-1/2}\\ \mathrm{\δ}=0.742-5.77\×{10}^{-4}\·H_F{V}_F+1.136\×{10}^{-3}\·H_P{V}_P\\ -4.866\×{10}^{-3}\·H_B{V}_B-1.120\×{10}^{-2}\·{d_F}^{-1/2}\end{array}\right\}$

冷却路径控制与性能预测

a、UFC控制路径：

结合CCT曲线，超快冷系统即UFC条件下生产UFC-F钢的冷却速度范围确定在15-35℃/s，对应的终冷温度在730～650℃之间，随后空冷；组织为铁素体和珠光体；UFC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能为：

b、LC控制路径：

结合CCT曲线和层流冷却区的冷却能力，在层流冷却系统即LC条件下生产F钢冷却速度范围确定在7～35℃/s，对应的终冷温度在F相区，分别在650～765℃和620～650℃，组织为F+P；LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能为：

c、UFC+LC控制路径：

UFC+LC生产UFC-F钢，采用超快冷工艺将钢板冷却到动态相变点，随后采用层流冷却至终冷温度；结合CCT曲线，UFC冷却速度范围为15～35℃/s，对应的返红温度为730～640℃；层流冷却的冷却速度范围为7～15℃/s，对应的返红温度为＞600℃；UFC+LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能为：

本发明的有益效果为：

本发明通过建立UFC-F的冷却路径控制平台，确定出对应的化学成分范围、冷却路径参数及相应的组织性能，从而具有：

1、预测结果准确，模型预测偏差15%以内，可实现大范围的组织调控能力，为低屈强比、低温韧性的新品种钢开发提供技术指导。

2、利用该冷却路径控制平台，可以实现用同一成分实现柔性化生产技术。

3、通过工业试制，可以使用Q235系列钢种生产Q345系列钢板。

附图说明

图1是热模拟实验工艺图；

图2是Q235钢动态CCT曲线图；

图3是合金元素对C曲线位置及形状的影响程度图；

图4是UFC-F钢的CCT曲线图；

图5是UFC-F钢的控制路径示意图；

图6是LC-F钢的CCT曲线图；

图7是LC-F钢的控制路径示意图；

图8是UFC+LC钢的CCT曲线图；

图9是UFC+LC钢的控制路径示意图。

具体实施方式

本发明基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法，主要是在建立超快冷UFC—层流冷却LC冷却路径控制平台，在单独使用超快冷、单独使用层流冷却、超快冷+层流冷却连用的分类条件下，利用钢种CCT曲线，预测Q235钢的组织和性能。其具体方法为：

一、确定对应的化学成分范围

以Q235钢为例，进行UFC-F冷却路径的设定计算，计算采用Q235钢的化学成分wt%为：C0.15%，Si0.17%，Mn0.45%，S0.004%，P0.015%，Cr0.2%，Ni0.2%，Cu0.2%。

二、确定冷却速度层别

根据现场超快冷和层冷的实际冷却能力，为方便计算，将超快冷和层流冷却的冷却速度范围按钢坯厚度对应划分成6个层别。其具体对应关系如表1所示：

表1   冷却速度与钢坯厚度对应层别划分表

钢坯厚度mm	10	20	25	30	40	50
							最大超快冷冷速℃/s	120	60	40	32	25	20
最大层流冷却冷速℃/s	70	35	25	20	15	11
							最小冷却速度℃/s	9	7	6.5	6	5	4

三、建立动态CCT曲线

由图1可见，热模拟实验工艺是将热模拟试样以10℃/s加热速度加热至奥氏体化温度1200℃，保温5min，然后以1℃/s的冷却速度降温至1050℃和900℃，进行压缩变形，随后按0.2～50℃/s冷却速度冷至室温，获得Q235钢动态CCT曲线（见图2）。通过CCT曲线可以发现，影响C曲线的因素主要包括以下几个方面：

（1）碳含量：亚共析钢中，随着碳含量的增大，C曲线右移，而且鼻尖温度下移；共析钢中，随碳含量增加，C曲线左移。

（2）合金元素：大多数合金元素，除钴和铝外，均起减缓奥氏体等温分解的作用，即C曲线右移，过冷奥氏体的稳定性增加。参见图3。

（3）加热条件：奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大，成分也越均匀，同时也有利于难溶碳化物的溶解。所有这些都降低奥氏体分解时的形核率，增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。

（4）塑性变形：塑性变形使奥氏体的晶体缺陷密度增高，有利于碳原子的扩散，使相变速度增加；同时，奥氏体的塑性变形会产生多边化亚结构，破坏晶粒取向的连续性，对铁素体的共格长大不利，故相变速度降低。对贝氏体转变在高温（800℃～1000℃）进行塑性变形，C曲线右移；在低温区，C曲线左移；塑性变形加速珠光体和马氏体转变。

碳含量、合金元素对相变温度具有一定的影响，且现场生产过程中变形量较大，实际相变温度要更高一些。

四、不同冷却路径下Q235钢的组织性能分析

（1）、相变组织分析：

在连续冷却过程中，各连续冷却的每一温度下均分别有短暂的孕育期，当冷却到某一温度时，由于这些短暂孕育期的积累效果才完成孕育而达到成核；将连续冷却相变处理成微小等温相变之和，当满足下式时，达到连续冷却相变开始温度；

$\underset{i}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Δt}}_i}{{\mathrm{\τ}}_i}=1$

其中，τ_i为不同温度下的相变孕育期；△t_i为微小时间步长。

采用Avrami等温转变动力学方程进行计算，其表达式为：

X=1-exp(-btⁿ)

X是组织转变份数，b和n是与转变方式有关的参数；

结合CCT曲线，Avrami方程中的相变动力学参数如表2所示。

表2   Avrami方程相变动力学参数表

相	n	lnb
			F	0.99	bF=a*(T-685)*(T-685)-aa
P	1.13	bP=b*(T-675)*(T-675)-bb
			B	0.85752	bB=c*(T-520)*(T-520)-cc

（2）、性能分析：

a、铁素体晶粒尺寸的确定：

其模型为：

其中，是变形量；

b、组织性能分析：

力学性能主要考虑抗拉强度σ_b、屈服强度σ_s和延伸率δ，并以H_F、V_F，H_P、V_P，H_B、V_B和为变量，采用混合法则进行计算：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_b=48.3+80.7H_F{V}_F+128.6H_P{V}_P+68.95H_B{V}_B+19.8{d_F}^{-1/2}\\ {\mathrm{\σ}}_S=4.3+112\·H_F{V}_F+101.2\·H_P{V}_P+75.9\·H_B{V}_B+11.75\·{d_F}^{-1/2}\\ \mathrm{\δ}=0.742-5.77\×{10}^{-4}\·H_F{V}_F+1.136\×{10}^{-3}\·H_P{V}_P\\ -4.866\×{10}^{-3}\·H_B{V}_B-1.120\×{10}^{-2}\·{d_F}^{-1/2}\end{array}\right\}$

五、冷却路径控制与性能预测

a、UFC控制路径：

结合CCT曲线，UFC条件下生产UFC-F钢的冷却速度范围确定在15-35℃/s，对应的终冷温度在730～650℃之间，随后空冷；组织为铁素体和珠光体；UFC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能如表3。

表3   UFC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能表

UFC-F钢的CCT曲线见图4；控制路径见图5。

b、LC控制路径：

结合CCT曲线和层流冷却区的冷却能力，在LC条件下生产F钢冷却速度范围确定在7～35℃/s，对应的终冷温度在F相区，分别在650～765℃和620～650℃，组织为F+P；LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能如表4。

表4   LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能表

LC-F钢的CCT曲线见图6；控制路径见图7。

c、UFC+LC控制路径：

UFC+LC生产UFC-F钢，采用超快冷工艺将钢板冷却到动态相变点，随后采用层流冷却至终冷温度；结合CCT曲线，UFC冷却速度范围为15～35℃/s，对应的返红温度为730～640℃；层流冷却的冷却速度范围为7～15℃/s，对应的返红温度为＞600℃；UFC+LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能如表5所示。

表5  UFC+LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能表

UFC+LC钢的CCT曲线见图8；控制路径见图9。

Claims (1)

1.一种基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法，其特征在于，建立超快冷系统-铁素体控制UFC-F冷却路径控制平台，在单独使用超快冷、单独使用层流冷却、超快冷+层流冷却连用的分类条件下，利用钢种CCT曲线，预测Q235钢的组织和性能；其具体方法为：

确定对应的化学成分范围

计算用Q235钢化学成分wt％为：C 0.15％，Si 0.17％，Mn 0.45％，S0.004％，P0.015％，Cr 0.2％，Ni 0.2％，Cu 0.2％；

确定冷却速度层别

根据超快冷和层流冷却能力，将超快冷和层流冷却的冷却速度范围按钢坯厚度对应划分成6个层别，具体为：

钢坯厚度mm 10 20 25 30 40 50 最大超快冷冷速℃/s 120 60 40 32 25 20 最大层流冷却冷速℃/s 70 35 25 20 15 11 最小冷却速度℃/s 9 7 6.5 6 5 4

建立动态CCT曲线

将热模拟试样以10℃/s加热速度加热至奥氏体化温度1200℃，保温5min，然后以1℃/s的冷却速度降温至1050℃和900℃，进行压缩变形，随后按0.2～50℃/s冷却速度冷至室温，获得Q235钢动态CCT曲线，通过该曲线清晰了解F、P、B相区以及马氏体相变开始点，以及影响C曲线的主要因素；

不同冷却路径下Q235钢的组织性能分析

(1)、相变组织分析：

在连续冷却过程中，各连续冷却的每一温度下均分别有短暂的孕育期，当冷却到某一温度时，由于这些短暂孕育期的积累效果才完成孕育而达到成核；将连续冷却相变处理成微小等温相变之和，当满足下式时，达到连续冷却相变开始温度；

$\underset{i}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δ}{t}_i}{{\mathrm{\τ}}_i}=1$

其中，τ_i为不同温度下的相变孕育期；Δt_i为微小时间步长；

采用Avrami等温转变动力学方程进行计算，其表达式为：

X＝1-exp(-btⁿ)

X是组织转变份数，b和n是与转变方式有关的参数；

结合CCT曲线，Avrami方程中的相变动力学参数为：

相 n lnb F 0.99 bF＝a*(T-685)*(T-685)-aa P 1.13 bP＝b*(T-675)*(T-675)-bb B 0.85752 bB＝c*(T-520)*(T-520)-cc

(2)、性能分析：

a、铁素体晶粒尺寸的确定：

其模型为：

其中，是变形量；

b、组织性能分析：

力学性能主要考虑抗拉强度σ_b、屈服强度σ_s和延伸率δ，并以H_F、V_F，H_P、V_P，H_B、V_B和为变量，采用混合法则进行计算：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_b=48.3+80.7H_F{V}_F+128.6H_P{V}_P+68.95H_B{V}_B+19.8d_F^{-1/2}\\ {\mathrm{\σ}}_S=4.3+112\·H_F{V}_F+101.2\·H_P{V}_P+75.9\·H_B{V}_B+11.75\·d_F^{-1/2}\\ \mathrm{\δ}=0.742-5.77\×{10}^{-4}\·H_F{V}_F+1.136\×{10}^{-3}\·H_P{V}_P\\ -4.866\×{10}^{-3}\·H_B{H}_B-1.120\×{10}^{-2}\·d_F^{-1/2}\end{array}\right\}$

冷却路径控制与性能预测

a、UFC控制路径：

结合CCT曲线，超快冷系统即UFC条件下生产UFC-F钢的冷却速度范围确定在15-35℃/s，对应的终冷温度在730～650℃之间，随后空冷；组织为铁素体和珠光体；UFC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能为：

b、LC控制路径：

结合CCT曲线和层流冷却区的冷却能力，在层流冷却系统即LC条件下生产F钢冷却速度范围确定在7～35℃/s，对应的终冷温度在F相区，分别在650～765℃和620～650℃，组织为F+P；LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能为：

c、UFC+LC控制路径：

UFC+LC生产UFC-F钢，采用超快冷工艺将钢板冷却到动态相变点，随后采用层流冷却至终冷温度；结合CCT曲线，UFC冷却速度范围为15～35℃/s，对应的返红温度为730～640℃；层流冷却的冷却速度范围为7～15℃/s，对应的返红温度为＞600℃；UFC+LC控制路径参数、珠光体含量、晶粒尺寸及力学性能为：