控制軋制過程的基本原理
歷史背景
歷史上，碳是提高鋼的強度的最重要的化學元素，但碳對許多工藝性能如焊接性能、成型性能有不利的影響。因此，用碳強化的鋼的應用受到限制。為了保證鋼結構的安全性，要求鋼的強度和韌性達到優良的配合，這種含碳較高的鋼往往要進行成本高的熱處理，如淬火加回火。
為了擴大成本低的高強度鋼的應用，物理冶金學家們建議用其它強化機制來替代碳的強化。圖1顯示，根據d-1/2規律（2），晶粒細化是同時提高強度和韌性的最有效的方法。控制軋制工藝是達到此目的的工業技術，該技術把成型過程與顯微組織的控制過程結合起來。
均熱溫度
為了使加熱工藝易于進行，傳統方法是采用較高的均熱溫度。因此，軋制工藝從鋼坯加熱開始就要控制晶粒尺寸，而且其效果是明顯的。人們知道，奧氏體晶粒長大與均熱溫度決定于均熱時要求產生的冶金反應，即使微合金化元素溶于固溶體，其原因將于下面得到解決。對于鋼種而言，最低的均熱溫度決定于鈮、碳含量。如圖2所示，對于0.10%C、0.03%Nb.的鋼來說，其最低均熱溫度為1150℃。
形成非常穩定的TiN，如圖3（3）所示，它可在相當高的均熱溫度下控制奧氏體晶粒尺寸。另外鈦還可以奪走Nb（C、N）相中的N，形成的NbC化合物更易溶解。在鋼中一般氮含量的情況下，Ti的最佳含量，即化學比含量，一般很低，低于0.02%。
log(Nb)(C)=2.96-7510/T…Nordberg and Aronsson
log(Nb)(C+12/14N)=2.26-6770/T…Irvine
再結晶控制軋制
鋼在熱變形過程中發生再結晶。控制這一過程使其發生多次再結晶可導致有效晶粒細化。應當注意每道次軋制應采用的最小變形量，否則將會發生晶粒長大，如圖4（4）所示。
圖5（5）顯示出一種典型的軋制制度可獲得大約50μm的平均晶粒尺寸。在有鈮微合金化的情況下，可以得到更細小的晶粒尺寸。這是因為擴散控制的過程，如道次間的晶粒長大，由于鈮原子的直徑比γ-Fe原子大15.2%，擴散過程受到很大阻礙。
變形前的奧氏體晶粒愈小，軋制溫度愈低，每道次變形量愈大，最終再結晶后的晶粒尺寸愈小。文獻[6]表明，如果最后三道次變形至少約25%，大于圖5報道的15%，再結晶控制軋制的25mm板可以獲得20μm的細小的奧氏體晶粒。
熱機械加工工藝
如果變形溫度很低以至于不能發生再結晶，奧氏體晶粒則變為伸長的晶粒。合金元素含量較高的鋼種，其再結晶的溫度較高。在這一方面，碳、氮化物形成元素，即使含量很少，也是非常有效的，而鈮是最有效的元素。圖6（7）表明，僅含0.03%Nb的鋼，在溫度低于950℃時，經每道次標準變形量的軋制后，不會發生再結晶。
這里有兩個方面的原因（8）：首先，固溶態下鈮原子在某種程度上會推遲再結晶的發生；還有，鈮在這樣一種位錯多的組織中將以碳化物或碳氮化物形式快速析出。這些應變誘導析出的粒子最終完全抑制了再結晶的發生。圖7說明了這一原理。
奧氏體/鐵素體轉變
在純凈鋼中，在奧氏體向鐵素體轉變時，最合適的形核位置是奧氏體晶粒邊界。當變形奧氏體向鐵素體轉變時，晶粒內部的位錯帶也可成為形核位置。形核后，鐵素體晶粒長大直到晶粒間緊密接觸。在一定的冷卻溫度下，有細小的奧氏體晶粒，特別是拉長的奧氏體晶粒轉變成的鐵素體晶粒將變的更細，因為奧氏體晶粒表面積與體積之比增加了。已報道過一些描述鐵素體晶粒尺寸的回歸公式。就實際的軋制條件和空冷而言，一個相當簡單的關系式，即鐵素體的晶粒尺寸dα略小于垂直于軋制面的奧氏體晶粒尺寸hγ的一半，很好地描述了已再結晶或變形的奧氏體的轉變（9）。
dα≈0.4×hγ
圖8為表示經不同的軋制過程所得到的鐵素體晶粒尺寸的示意圖。
加速冷卻
采用較快的冷卻速度，可以進一步細化晶粒，這由于相變開始溫度降低，在過冷奧氏體中形核更多。控制冷卻最早在熱帶軋鋼廠得到應用（10），其后在其它軋鋼廠推廣和優化（11），特別是板材的TMCP軋制工藝中，控冷得到了很好的應用。TMCP代表熱機械控制工藝，該工藝將熱機械加工和冷卻結合起來。
圖9顯示了被應用的冷卻制度：結構鋼空冷后得到鐵素體-珠光體組織，加速冷卻避免了珠光體轉變而得到鐵素體-貝氏體組織。實際上，加速冷卻一般在約550℃時終止，接下來是空冷。
加速冷卻對晶粒細化有雙重作用：
1）如上所述，多邊形鐵素體晶粒尺寸得到細化。冷卻速率愈快，鐵素體晶粒越小。圖10（12）說明為什么在實際生產中優先采用熱機械軋制和加速冷卻相結合的工藝。
2)當加速冷卻時，大約50%的組分是貝氏體組織，這種貝氏體的晶粒尺寸較鐵素體更細小，約為1μm，并具有較高的位錯密度，如圖11所示（13），這樣鋼的強度顯著增加，同時韌性也得到一定程度的改善。
結果
由細晶粒組織導致優異的力學能力，這種高強度結構鋼可應用于惡劣的工作條件。圖12（14）給出了鐵素體晶粒尺寸對低碳鋼性能的影響。可以通過仔細控制整個生產過程中的軋制條件—時間、溫度和形變來獲得晶粒細化。
在過去的十年里，上述工藝應用于低合金高強度鋼的大生產中，用這種工藝生產的鋼大約占世界鋼的總產量的百分之十。
本文來自軋鋼之家
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