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（4）当εf ＜ε1 时（d点，d曲线）
d点表示变形应力超过最大应力达到正常 应力部分（变形应力稳定阶段），动态再 结晶晶粒维持一定的大小和形状，此时加 工硬化率和动态再结晶的软化率达到平衡， 在这种变形量下停止变形，保持变形的高 温，材料的软化过程如d由线。
在动态再结晶的基础上软化开始，由于动 态再结晶的组织中有不均匀位错密度，变 形一停止马上就进入静态回复阶段，接着 就是次动态再结晶阶段。曲线d上不出现 平台，仅出现拐点，这也表明次动态再结 晶不需要潜伏期。
奥氏体热加工的真应力-真应变曲线
I：动态回复阶段
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。当位错重新排 列发展到一定程度，形成 清晰的亚晶界，称为动态 多边形化。奥氏体的动态 回复和动态多边形化都使 材料软化。
晶粒长大阶段：
强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。
储存能变化
回复中刃型位错的攀移及滑移
攀移：刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动，使位错线
脱离原来的滑移面。
多边化
多边化：
刃型位错通过攀移和滑移构成竖直排列，形成位错墙（小角度 亚晶界）的过程。
再结晶
无畸变的晶粒取代变形晶粒的过程
动态回复与动态再结晶
动态再结晶的应力－应变曲线
εc是奥氏体发生动态再结晶的临界变形量， 要想使奥氏体全部发生再结晶就需要继续变 形。
由动态再结晶产生核心到全部完成一轮再结 晶所需要的变形量用εr 表示。
当 εc<εr 时 发 生 连 续 动 态 再结晶。动态再结晶发
生后，随着变面已发生动态再
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控制轧制与控制冷却
奥氏体状态控制 奥氏体状态： 晶粒尺寸：大？小？
奥氏体状态：蓄积能量
内含能量：高？低？ 内部缺陷：多？少？
铁素体、珠光体相变 贝氏体相变 马氏体相变 铁素体、贝氏体相变
相变方向 奥氏体相变条件的控制（阀门） 冷却条件的控制：冷却速度、 开始冷却温度、终止冷却温度、 冷却模式
TMCP的特征
微合金化元素在钢中的主要作用
1.2 控轧控冷强韧化机理
对钢的性能要求越来越高，不仅要求具有高的强度，并且要 具有良好的塑韧性、低的韧脆转变温度以及优异的加工性能 （焊接性能、冷成形性能等）。除对钢材性能的全面要求提 高之外，在钢材的使用上，不断要求降低材料用量、减少工 艺环节、削减生产成本。 在钢材应用上，其室温屈服强度σs、抗拉强度和韧脆转变温 度TC 是钢材的几项基本的力学性能指标。 在大多数条件下σs 和TC是设计选材的最基本标准。因此， 提高钢的σs和降低TC 一直是钢铁材料研究和开发的重点。
1.3 传统TMCP工艺的三个阶段
（1）奥氏体再结晶区变形阶段 t≥950℃ 对加热时粗化的奥氏体晶粒 反复进行轧制并反复再结晶 后使之得到细化 （2）奥氏体未再结晶区变形阶 2 段 t＝950℃ r3 950℃~A 奥氏体晶粒沿轧制方向伸长、 压扁，晶内产生形变带，这 种加工硬化状态的奥氏体具 有促进铁素体相变形核作用 （3）奥氏体＋铁素体两相区变 形阶段 t<Ar3 相变后为大角度晶粒和亚晶 粒的混合组织 图1 TMCP工艺的三阶段及其组织变化
通常研究的结构材料在室温工作条件下， 通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考 虑的是屈服强度和断裂强度。 虑的是屈服强度和断裂强度。
屈服强度 σb≥σk 脆性材料 脆性材料的强度 通常以σ 通常以σk表示 断裂强度 σb≤σk 塑性材料 塑性材料的强度 通常以σ 通常以σb表示

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控制轧制和控制冷却概念
控制冷却（Controlled Cooling)：控 制轧制后钢材的冷却速度达到改善钢材组 织和性能的目的。 控制轧制和控制冷却相结合能将热轧钢 材的两种强化效果相加，进一步提高钢材 的强韧性和获得合理的综合力学性能。 目前，控制轧制和控制冷却工艺已应用 到中、高碳钢和合金钢的轧制生产中，取 得了明显的经济效果。
昆明理工大学多媒体课件
控制轧制与控制冷却
材料科学与工程学院 材料加工工程系
任课教师：王华昆 2012年9月
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§0 绪论（Introduction）
课程简介 教学要求 学习内容 教学安排 参考书目
控轧和控冷的概念 控轧和控冷技术的发展过程 我国控轧和控冷发展概况
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课程简介
除了强度之外，钢材还要求一定的韧性和 可焊性能，这两个指标和强度是相互关联甚 至互相矛盾的，很难单方面改变某一指标而 其它不变。
结构钢的最新发展方向是高强、高韧和 良好的焊接性能，控制控冷是满足这一要求 的一种较好的工艺。
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§1.1 钢的强化机制
强度：金属材料抵抗塑性变形或断裂的 能力，用给定条件下所能承受的应力来 表示。
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我国控轧控冷技术概况
我国控制控冷起步于60年代初，并取得了 初步成果，例如对含有Cr、Ni、V的超高 强度钢德形变热处理工艺研究，轴承钢轧 后快冷工艺研究等；
1978年开始对控制控冷进行系统研究； 武钢、鞍钢、重钢、太钢等钢铁企业采用
控制控冷技术生产高强度、高韧性的造船、 锅炉及压力容器用各种钢材，开发了新钢 种，填补了国内钢材的部分空白。
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控轧控冷技术发展过程
20世纪20年代开始研究钢在热加工时， 温度和变形条件对显微组织和力学性能的 影响；

（3）硫的作用，S在钢中形成MnS后，尤其在低温轧制时， 随轧制方向拉长延伸，使钢的各向异性加大，尤其对横向 冲击韧性不利，严重时导致钢板分层。含S高时，抗H2S腐 蚀能力大为下降。
（4）磷的影响，磷作为有害元素，愈少愈好。 （5）钼的作用，加入钼是为了进一步提高强度和要求较 高的加工硬化率 （6）镍、铬、铜的作用，可以提高钢的强度，镍高可以 改善钢的韧性。 （7）铝的作用，形成AlN可细化晶粒，固定N，可提高钢 的韧性。
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铁素体轧制适用条件 铁素体轧制工艺要求轧制温度控制在铁碳平衡相图的 GS 线以下， 而对于不同的材料，变形阻力随温度降低而变化的规律是不同的， 如图 所示， 只有碳含量小于 0.04％的钢种，在 850~900℃的温度范围内， 屈服应力才会随温度的降低而降低，而对于碳含量高于 0.04％的钢 种则会随温度的降低而升高，导致轧制压力升高，变形困难，无法 确保轧制过程的稳定进行。铁素体轧制工艺适用于超低碳钢(C＝ 0.015％~0.0035％，Mn＜0.3％)和极低碳钢、无间隙原子钢(ULC、 IF，C＜ 0.005％，Mn＜0.2％) （2）铁素体轧制产品组织和性 能特点 采取铁素体轧制工艺可获得晶 粒较大的铁素体组织，具有较低 的屈服极限和强度极限、略低的 r 值。
冷却方式很多，
1）.国外冷却装置特点 2）.国内冷却装置特点 3）. 冷却系统 4) . 控冷装置的布置位置和特点，两种
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CQ DQ DDQ EDDQ CSP IF LC DSA MFS YS DRC DRX SRX SRC Ti-IF Ti-Nb ULC DSP FTSR C.C.T T.T.T SPSS
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8.1.3 加热温度钢板韧性的影响 （1）将加热温度从1200℃降到1050℃促使钢的50％纤维状断口转变 温度相应降低。 （2）对于不含Nb或V的钢降低加热温度对改善韧性效果不大。对于 含Nb或Nb+V的钢则有显著改善效果。 （3）降低加热温度和终轧温度改善了钢的抗脆性断裂的能力是与细 化铁素体晶粒有关的，增加Nb和V的含量会引起晶粒的进一步细化。 （4）随加热温度的提高，钢中的贝氏体含量增加。在含Mo钢中，加 热到1150℃以上，形成上贝氏体，致使钢的韧性下降。 （5）加热温度应控制在1100～1200℃，开轧温度为1050～1150 ℃。

§1 控制轧制与控制冷却
一、控制轧制
在热轧过程中通过对金属的加热制度、变形制度和温度制度的合 理控制，使塑性变形与固态相变结合以获得细小的经理组织，使钢材 具有优异的综合力学性能（强度、韧性和焊接性能等）的轧制工艺。
二、控制冷却
控制轧后钢材的冷却速度以达到改善组织性能的目的。
三、控轧控冷工艺优点
1、控轧 2、控冷
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§2控轧控冷理论
（3）细化F体晶粒 细化F体效果：Nb最显著，Ti次之，V最差。
（4）影响钢的强韧性能 ①、铌：在控轧时，产生显著的晶粒细化和中等沉淀强化。 ②、钛：随Ti含量增加，发生强烈沉淀强化，晶粒细化中 等。 ③、钒：产生中等程度沉淀强化和比较弱的 晶粒细化。
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①、 增s 加
②、产生织构—强度的方向性，并使高阶冲击能（韧性 状态下冲击能）有所降低。
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§2控轧控冷理论
6、三种类型的控制轧制 （1）促进F体细化的途径
①、细化A体晶粒 ②、控轧控冷 （2）控轧 ①、第一阶段，A体再结晶区轧制
1）通过反复形变—再结晶，使A晶粒细化 2）实际生产中动态再结晶有困难，主要发生静态再结晶。 3）实际生产中每道次都发生完全再结晶是困难的，存在部分 再结晶轧制，应避免产生混晶的临界压下量（10%）
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§2控轧控冷理论
④、总变形量和道次变形量要大。
1）总变形量应 45%，可得F体晶粒 5m（12～13级）
2）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。
⑤、未再结晶区材料强度由固溶强化（ sh）和F体晶粒尺寸（d）
等决定。
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s sh K y d 2
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冷却速度对共析钢奥氏体转变温度区域(a)及转变产物 (b)的影响
1-珠光体转变开始线;2-珠光体转变终了线3-珠光体转 变终止线;4-马氏体转变开始线;5-马氏体转变终了线
图 0.30%C钢连续冷却转变曲线奥氏体 化温度:930C;时间:30min
• 7.3 .2显微组织对控制冷却材的强度和韧 性的影响
➢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 。二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却速度和停止控冷的温度 ，即控制相变过程，以保证钢材快冷后得到所要求的金相组织和力 学性能。
➢三次冷却 是指相变后至室温范围内的冷却。对于低碳钢，冷却速 度对组织没有影响；对于含铌钢在空冷过程中发生碳氮化物析出， 对产生的贝氏体产生轻微的回火效果；对于高碳钢或高碳合金钢相 变后空冷时将使快冷来不及的过饱和碳化物继续弥散析出。如相变 完成后仍采用快速冷却工艺，就可以阻止碳化物析出，保持碳化物 固溶状态，以达到固溶强化的目的。
❖雾化冷却：用加压空气使水雾化，水和高压高速气流一起从喷 嘴喷出形成雾状，这种冷却方法叫做雾化冷却。有两种雾化冷却 情况：用空气加速水滴；用空气使水滴微细化。
❖层流冷却：给以一定压力的水从喷嘴喷出形成喷流，当喷射的 出口速度比较低时，形成平滑的喷射喷流。这种平滑的层状喷流 落到一定的距离时，由于水的加速度影响而破断成液滴流，破坏 了层流状态。采用这种层流喷流的冷却方法叫做层流冷却。喷流 可在一较长距离内保持水的层流状态，获得很强的冷却能力。所 以该方法一般在要求强冷时使用。目前钢板生产中采用管层流和 板层流二种方式。
7.1.2 相变热释放现象
（1）钢在冷却过程中由面心立方结构的奥氏体组织向体心立方 结构的铁素体转变，钢发生体积膨胀，同时释放出相变热。

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钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理
（2）选用碳素钢和低合金钢，采用轧后控制冷却 工艺，可生产不同强度等级的钢筋，从而可能改 变用热轧按钢种分等级的传统生产方法，节约合 金元素，降低成本以及方便管理。
（3）设备简单，对于一般老式横列式型钢轧机不 用改动轧制设备，只需在精轧机后安装一套水冷 设备。在某些情况下，为了控制终轧温度或控制 轧制而在中间轧机或精轧前安装中间冷却或精轧 预冷装置。
另一类是轧制后到快冷前，变形的奥氏体尚未发生再结晶，或 者只发生了部分再结晶，这样，就保留或部分保留变形对奥氏 体的强化作用，形变热处理效果较大，可以提高钢筋的综合力 学性能，但应力腐蚀开裂倾向较大，这也可用分段淬火及淬火 后自回火或加热回火来解决。
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钢筋轧后控制冷却的方法及类型
由于钢筋的直径、钢的化学成分决定的淬透性、冷却速度和冷 却温度不同，因此轧后淬火所得组织也不同。直径为8.2mm 的Q235钢，如冷却速度快和冷却温度低，可以在整个横截面 上得到低碳马氏体。直径较大的钢筋。如直径大于12mm，很 难沿整个截面上得到马氏体组织。一般表面层得到马氏体组织， 通过自回火转变为回火马氏体。而心部得到索氏体、贝氏体及 铁素体等。
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双相钢的生产方法
低温卷取型热轧双相钢
控制轧制工艺的终轧温度应控制在Ar3附近（变形 条件下的Ar3），甚至可以降低到析出少量铁素体 的A+F两相区以促进A→F相变。但是，温度不能 太低，以防止出现变形的铁素体组织。若终轧温度 太高，铁素体晶粒粗大，而且也易出现A→B相变。
卷取温度必须低于M点温度，一般在200℃以下， 否则也易出现A→B相变，同时也易出现铁素体的 时效和马氏体的自回火。卷取温度太低，需要加大 卷取能力，也会使板带的屈强比偏高和板形恶化。

材料抵抗裂纹失稳扩展断裂癿能力用k表示是材料本身癿特性由材料癿成分组织状态决定不裂纹癿尺寸形状及外加应力大小第54页兯72页12材料的韧性二提高钢材韧性癿途徂断裂韧性是材料癿一种性能不强度一样取决于材料癿组织结构而材料癿成分和生产加工工艺又决定了材料癿组织结构故改善材料癿韧性必然从工艺入手改变材料癿结构以达到改善材料韧性癿目癿
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控轧控冷技术发展过程
• 60年代中期，英国钢铁研究会对钢的成分与钢的力学性能之间的关系进行了系 列研究，提出了相应的控制轧制理论；
• 在开发控制轧制工艺时，人们致力于降低终轧温度； • 近些年来，控制冷却工艺已经成功地运用到棒材、螺纹钢、钢管及型钢生产和合
金钢生产中，并取得了明显的经济效益和社会效益。
§1 钢的强化和韧化
对于钢材来说，在大多数情况下其力学性能是最重要的，其中强度性能又居首位。 除了强度之外，钢材还要求一定的韧性和可焊性能，这两个指标和强度是相互关 联甚至互相矛盾的，很难单方面改变某一指标而其它不变。 结构钢的最新发展方向是高强、高韧和良好的焊接性能，控制控冷是满足这一 要求的一种较好的工艺。
§1.1 钢的强化机制
二、固溶强化
(solid solution strengthening)
1、基本概念
• 固溶强化：当合金元素（溶质）固溶 到基体金属（溶剂）中形成固溶体时， 合金的强度和硬度则会提高，称为固 溶强化。如黄铜(Cu-Zn)强度要高于
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§1.1 钢的强化机制
2、强化机理
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§1.1 钢的强化机制
金属和合金塑性变形包含晶内变 形和晶间变形。晶内变形是通过各种 位错运动而实现的晶内一部分相对于 另一部分的剪切运动，最基本的是滑 移、孪生和扭折。

普碳钢的临界变形量很小， 且与温度的关系很弱，即普碳 钢在较小的变形量、较宽的温 度范围内均容易产生再结晶。 而含铌钢的临界变形量却较大， 在950℃以下的温度区域内要 使含铌钢完成再结晶是很困难 的。
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2.3 奥氏体/铁素体相变规律及形变诱导相变
奥氏体/铁素体相变行为
轧制后奥 氏体晶粒
铁素体 形核
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（2）轧制温度的控制
轧制温度的控制主要是强调 对精轧温度区间的控制，精 轧温度越高，终轧温度也越 高，奥氏体晶粒越粗大，相 变后易出现晶粒粗化及魏氏 组织。 通常要求最后几道次的轧制 温度要适当降低，使终轧温 度尽可能地接近奥氏体开始 转变的温度，对低碳结构钢 约 为 830℃ 或 更 低 些 ， 对 含 铌钢可控制在730℃左右。
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铌、钒、钛对铁素体/珠光体钢脆性转变温度的影响
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2、轧制过程中的组织性能的变化
2.1 钢材热变形过程中的硬化、软化和组织结构变化
钢材热变形时的应力－应变曲线规律
图5. 0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在
0.6Tm 以上温度变形时的应力－应变曲
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线
2.1 钢材热变形后的静态再结晶过程
控制轧制与控制冷却
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主要内容
➢ 钢材的质量性能 ➢ 轧制过程中的组织性能变化规律 ➢ 轧制过程中的组织性能控制 ➢ 控轧控冷技术的新进展
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1.1性能指标
性能指标
韧塑性 影响因素
强塑指标 冲击韧性 冷弯性能 焊接性能
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韧塑性 影响因素
合金元素：H：会引起氢 脆和延迟断裂（高强钢、
强板、高建等）
坯料停放
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再结晶行为对组织性能的影响

控制轧制和控制冷却是热轧生产中的新技术和新工艺，是将轧制
工程学、塑性加工理论、金属材料学、传热学和流体力学等学科
结合为一体的一门新学科。
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第一篇 控制轧制及控制冷却理论
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1 钢的强化和韧性
1.1 钢的强化机制
基本概念
（1）金属的强化：通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高 金属强度的方法。
板坯或钢锭在加热时，原始奥氏体晶粒大小，碳化物的固溶程度都 直接影响变形过程中的再结晶状态，变形后奥氏体晶粒尺寸以及碳 化物析出状态。
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控制轧制工艺
3.控制变形温度 根据不同阶段应用不同的轧制温度 4.道次变形量的控制 在完全再结晶区，每道次的变形量必须大于再结晶临界变形量的 上限，以确保发生完全再结晶。 在未再结晶区轧制时，加大道次变形量，以增多奥氏体晶粒中滑 移带和位错密度，增大有效晶界面积，为铁素体相变形核创造有利 条件。 在（γ+α）两相区控制轧制时，在压下量较小阶段增大变形量，钢 的强度提高很快。当变形量大于30%时，在加大压下量则强度提高 比较平稳，而韧性得到明显改善。
➢管内流水冷却：水在管内及平行板之间流动，热钢材在其间通过并进行冷却 的方法叫做管内流水冷却。不适于作为弱冷却法，而应作为高效冷却设备加以 采用，它可以得到高度均匀的冷却效果，并在线材、棒材冷却中广为采用。
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TMCP(Thermo MechanicalC ontrol Process：热机械控制工艺)就是在 热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制 (CRControl Rolling)的基础上，再实施空冷或控制冷却(加速冷却／ ACC：Accelerated Cooling)的技术总称。TMCP工艺是当今高性能钢 材主要生产手段，是提高钢材的强度、韧性和焊接性的一种控制工 艺技术。通过TMCP可以替代正火处理，利用钢材余热可进行在线 淬火－回火（离线）处理，取代离线淬火－回火处理，改善钢材的 力学性能，大幅度减少热处理能耗。

(5)对于中高碳钢，控制轧制利控制冷却的目的不仅只是
2021/7/30 提高强韧性，有时还有一些其它性能及组织方面的要求。
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6.控轧条件下的变形抗力
6.1 控轧中组织的变化对变形抗力的影响？ （1） 控轧中存在的残余应变对变形抗力的影响 （2） 控轧中广泛采用的形变-再结晶，时A晶粒不断细化，细小
4.2 Nb（C，N）析出特点
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4.3 微量合金元素在控轧控冷中的作用
1） 加热时阻止奥氏体晶粒长大：由于微量元素形成高度弥散的碳氮化合 物小颗粒，可以对A晶界起固定作用，从而阻止A晶界迁移，组织A晶粒 长大。
2） 抑制A再结晶：由于微合金元素原子的固溶阻塞及拖曳作用，及微合金 元素的碳氮化合物的动态析出，阻止了A的动态再结晶。也阻止了再结晶 发生数量及长大。
3）细化了F晶粒:一方面阻止了A晶粒长大，一方面阻止A再结晶，细化了 A，从而细化F。
4）影响强韧性能：形成细小晶粒及第二相弥散沉淀物，从而既提高强度又 提高韧性。
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5 中高碳钢的控轧特点
5.1 试简述中高碳钢的控轧特点？
(1)以铁素体为主的钢，以细化铁素体晶粒来提高强度和 韧性，不论采用何种控制轧制方法都可以；
使奥氏体变形应力增加的原因，
一方面是由于固溶于A中微量元
素的作用，另一方面是由于在
1100 ℃下形变诱导析出和在变
形温度下析出的Nb（C、N）抑
制了A的再结晶。
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6.3多道次变形对变形抗力的影响
已知：道次之间的软化率反映了静态回复和静态再结晶的进行情况。变形 温度愈高、间隙时间愈长，软化率愈大。