1、控制軋制細化鐵素體晶粒
在低碳鋼的超細化處理工藝中，具有代表性和比較成熟的工藝是熱機械處理(TMCP)——控制軋制和控制冷卻。對應于上述鐵素體晶粒細化的四種方法，在控軋控冷工藝中，基本上可分為四個階段：（1）動態(tài)再結晶的熱軋以獲得初始γ晶粒的細化；（2）再結晶控制軋制使γ晶粒進一步細化；（3）非再結晶控軋以累積變形量，加大α形核面積，驅(qū)動γ→α相變，最終達到細化晶粒α的目標值；（4）形變熱處理。（1）、（2）和（3）可導致鋼的晶粒細化和超細化。而形變熱處理是廣義TMCP中的一種，可代替普通再加熱處理，是一種節(jié)能且優(yōu)化性能的不可逆熱處理方式。奧氏體形變后，將發(fā)生鐵素體相變，這時將有大量的彌散微合金碳氮化合物粒子析出，這些析出的粒子對鐵素體晶粒同樣也起釘扎作用，限制其長大。另一方面，這些粒子也起沉淀強化作用，提高鋼鐵材料的強度。研究表明，微合金碳氮化合物析出粒子的大小及其體積分數(shù)對鐵素體晶粒尺寸起決定作用，析出粒子越小，體積分數(shù)越大，所獲得的鐵素體晶粒也就越小。因而，努力使析出粒子具有較大的體積分數(shù)和較小的尺寸是晶粒細化過程中的一大目標。
形變熱處理大致可分為兩類：高溫形變熱處理是將鋼在較低的奧氏體化溫度進行變形，然后淬火；低溫形變熱處理是將淬火后的鋼進行冷變形，然后奧氏體化再淬火。高溫形變熱處理工藝是將鋼加熱到稍高于Ac3溫度，保持一段時間，達到完全奧氏體化，然后以較大的壓下量使奧氏體發(fā)生強烈變形，之后保溫一段時間，使奧氏體進行起始再結晶，并于晶粒尚未開始長大之前淬火，從而獲得較細小的淬火組織。低溫形變熱處理工藝，是將淬火以后的鋼加熱到相變點以下的低溫進行大壓下量的變形，然后加熱到Ac3以上溫度短時保溫，奧氏體化后迅速淬火。
熱軋工藝對鋼的性能和質(zhì)量具有重要影響，如鋼坯的加熱溫度和開軋溫度、軋制道次和壓下量，終軋溫度和軋后冷卻制度等都是很重要的影響因素。自從最初發(fā)現(xiàn)降低終軋溫度能夠細化晶粒從而提高鋼的強度和韌性之后，人們逐漸認識到軋制工藝各個環(huán)節(jié)的重要性，從而形成了所謂的控制軋制。
控制軋制與普通熱軋不同，其主要區(qū)別在于它打破了熱軋只要求鋼材成型的傳統(tǒng)觀念，不僅通過熱加工能使鋼材得到所規(guī)定的形狀和尺寸，而且通過金屬的高度形變充分細化鋼材的晶粒和改善其組織，發(fā)揮與熱處理相似的作用。經(jīng)過30多年的不斷發(fā)展，控制軋制已趨于成熟，得到廣泛應用。特別是加入微合金化元素的低合金高強度鋼，成為改善鋼材質(zhì)量和提高使用性能的最有效方法之一。
控制軋制的典型工藝，可分為兩階段軋制和三階段軋制。其中，兩階段控軋的終軋溫度在Ar3以上，為形變未再結晶奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，即形變誘導鐵素體相變。三階段控軋，終軋在(γ+α)兩相區(qū)，其基本原理是先在再結晶區(qū)通過多次反復的高溫變形再結晶，并借助微合金化元素鈮、釩、鈦及其析出物對再結晶的抑制作用，使奧氏體晶粒充分細化，然后再在γ/α。相變前的奧氏體未再結晶區(qū)，使細化了的奧氏體進行多道次的變形積累，給鐵素體在γ/α。相變時的大量形核提供有利條件，以便獲得微細的鐵素體晶粒，最后在(γ+α)兩相區(qū)終軋。其目的是:一方面通過變形在鐵素體中引入大量位錯及其亞結構和織構，借此挖掘位錯亞結構和織構的強化效應，提高材料強度;另一方面，通過(γ+α)兩相區(qū)終軋，既有利于微合金化元素在鐵素體中的析出，又能在尚未相變的奧氏體晶粒中繼續(xù)引入大量形變帶，給鐵素體晶粒的均勻形核和充分細化創(chuàng)造更有利的條件，從而進一步發(fā)揮出晶粒細化和微合金化元素析出相的沉淀強化作用。因此，經(jīng)過(γ+α)兩相區(qū)控軋的鋼材具有晶粒細化、沉淀強化、位錯與亞結構強化、固溶強化和織構強化等多種強化效應，可使鋼材的強度得到大幅度的提高。同時利用晶粒細化和織構的韌化效應達到提高鋼材韌性的目的。
從以上所述的控軋原理中可以看出，控制軋制利用較多的是奧氏體的回復與再結晶細化奧氏體晶粒，從而細化鐵素體組織，以及增加位錯密度借以增大形核場密度來細化鐵素體晶粒。利用再結晶形核、長大現(xiàn)象進行晶粒細化時，臨界晶核尺寸大小成為晶粒細化極限的目標。臨界晶核的尺寸是形核驅(qū)動力的函數(shù)，驅(qū)動力越大，臨界晶核尺寸越小。通常，相變時的驅(qū)動力比再結晶時大得多，相變時臨界晶核尺寸能到0.1μm以下，而再結晶時的晶粒尺寸通常為1μm左右。從本質(zhì)上講，相變比再結晶細化晶粒的能力大得多，因此將相變作為形變熱處理的主要形核機制將會更有效地細化鐵素體晶粒。
2、形變誘導鐵素體相變細化鐵素體晶粒
形變誘導相變(Deformation Induced Ferrite Transformation)是將低碳鋼加熱到奧氏體相變溫度Ac3以上，保溫一段時間，使其奧氏體化，然后以一定速度冷卻到Ar3和Ae3之間，進行大壓下量變形，從而獲得超細鐵素體晶粒。在變形過程中，形變能的積聚使Ar3點溫度上升，在變形的同時發(fā)生鐵素體相變，并且變形后進行快速冷卻，以保持在變形過程中形成的超細鐵素體晶粒。在形變誘導相變細化晶粒中，形變量和形變溫度是兩個最為重要的參數(shù)，隨著形變量的增加和形變溫度的降低，形變誘導鐵素體相變的轉(zhuǎn)變量增加，同時鐵素體晶粒變細。
形變誘導相變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是研究提高傳統(tǒng)材料性能的重要突破，它的出現(xiàn)為大幅度提高傳統(tǒng)金屬材料的性能提供了新手段。與傳統(tǒng)形變熱處理工藝相比，形變誘導相變工藝強調(diào)將形變溫度控制在Ar3附近，從而使γ→α。相變的起始溫度高于平衡相變溫度。研究表明，在Ar3附近進行低溫大變形，通過形變誘導鐵素體相變和鐵素體的動態(tài)再結晶兩種機制，可以獲得超細的鐵素體晶粒。
形變誘導相變細化晶粒主要應用于鋼鐵材料的控軋控冷生產(chǎn)過程中。
3、循環(huán)加熱淬火細化奧氏體晶粒
采用多次循環(huán)加熱淬火冷卻方法可有效細化材料的組織。其具體工藝是將鋼由室溫加熱至稍高于Ac3的溫度，在較低的奧氏體化溫度下短時保溫，然后快速淬火冷卻至室溫，再重復此過程。每循環(huán)一次奧氏體晶粒就獲得一定程度的細化，從而獲得細小的奧氏體晶粒組織。一般循環(huán)3~4次細化效果最佳，循環(huán)6~7次細化程度達到最大。
該工藝的關鍵在于升溫速率和冷卻速率，基本要求就是加熱和冷卻速率都要快，當不能實現(xiàn)急冷和急熱時則不能明顯細化晶粒。利用特殊的快速加熱方法如火焰加熱、感應加熱、電接觸加熱，可實現(xiàn)對材料的快速循環(huán)加熱淬火，可得到明顯的細化效果，且超細化效果的穩(wěn)定性要遠高于鹽爐循環(huán)加熱。
文章摘自：每天學點熱處理
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