1、合金钢奥氏体晶界硕士论文合金钢奥氏体晶界硕士论文摘要：微合金钢是钢铁工业中的重要产品之一，但其裂纹敏感性较强，在连铸过程中容易形成表面缺陷，尤其是表面横裂纹问题。研究发现，微裂纹的产生与铸坯的表层组织状态相关。当铸坯表层组织奥氏体晶粒粗大、沿奥氏体晶界有大量膜状铁素体以及第二相析出时，则会在弯曲或矫直时沿奥氏体晶界产生表面横裂纹。但同时，第二相的析出也可以从钉扎晶界细化奥氏体、促进铁素体形核从而消除膜状铁素体等方面对表层组织产生影响，所以研究第二相与表层组织之间的关系，对从控制铸坯组织的角度来解决微合金钢表面横裂纹问题具有重大意义。 本文以多个微合金元素含量不同的钢种为研究对象，分析双相变过程
2、中冷却速度、回热条件对第二相析出-回溶行为的影响，以及第二相析出行为对原始奥氏体长大过程、先共析铁素体分布以及回热过程奥氏体细化的影响，以期通过控制第二相的析出行为，获得均匀细小的奥氏体晶粒，为双相变工艺参数的选择提供理论和实验依据。本文的研究结果可简要概括如下： 通过微合金钢第二相析出的热力学动力学分析可知：第二相的析出顺序为TiCN、NbCN、VCN；连铸过程中第二相形核的位置主要在奥氏体晶界，其次在晶内均匀形核。 通过高温激光共聚焦显微镜模拟微合金钢凝固冷却过程，以及第二相析出的热力学动力学温度分析，发现样品表面的细小浮凸与第二相的析出有关；并提出了通过原位观察表面细小浮凸的产生，间接观
3、察表征连续冷却过程中第二相析出行为的方法。 当 Ti 元素的理论析出量达到 0.008 %时，能起到有效钉扎晶界的作用，抑制原始奥氏体长大；理论析出量超过 0.008 %，多析出的 TiN 对钉扎作用的加强效果有限，原始奥氏体晶粒尺寸不能得到进一步细化。 NbCN 具有促进先共析铁素体形核的作用；以冷却速度为 5.0 s-1进行冷却，可以获得在奥氏体晶内弥散分布的第二相与先共析铁素体，该微观组织结构有利于后续回热过程奥氏体晶粒的细化。 VCN 会延长铁素体向奥氏体转变的孕育时间，抑制回热过程中奥氏体的形核；回热温度为 1000 、回热速度为 3.0 s-1，可以获得均匀细小的奥氏体晶粒。 关键
4、词：微合金钢，表面横裂纹，铸坯表层微观组织，第二相，双相变ABSTRACT:As one of the important products in the steel industry, microalloyed steel is sensitive to cracking. Surface defects are the major problem encountered during the continuous casting of microalloyed steel, especially the transverse cracking on the slab surface. A
5、lot of studies show that micro cracks is related to the surface structure of slab. The coarse austenite, film-like ferrite and secondary phases precipitated on the austenite grain boundary of surface structure lead to microscopic cracks during bending or straightening. Moreover, secondary phases aff
6、ect the microstructure of surface layer, such as refining austenite by pinning the grain boundary and promoting the nucleation of ferrite. Therefore, studying the relationship between secondary phases and microstructure is of great significance to solve the problem of surface transverse cracking of
7、microalloyed steel from controlling the structure. In this paper, the study included many steels which have different microalloying element content. The effect of cooling rates, reheating condition on the precipitation-dissolution behavior of secondary phases during double phase transformation is an
8、alyzed. The effect of precipitation behavior of secondary phases on austenite grain growth, proeutectoid ferrite distribution and refinement of austenite during reheating is also analyzed. Its hopeful to obtain the fine and uniform austenite grains by controlling the precipitation behavior of second
9、ary phases and provide the theoretical and experimental basis for the choice of technical parameters of double phase transformation. The results of this study can be briefly summarized as follows: Thermodynamics and kinetics calculation of secondary phases precipitation in microalloyed steel shows t
10、hat: secondary phases precipitation sequence is TiCN, NbCN, and VCN. They precipitate on the austenite grain boundary firstly, then homogeneously in the austenite grain of slab. Solidification of microalloyed steel was simulated by confocal laser scanning microscopy. Small reliefs on the samples sur
11、face are related to the precipitation of secondary phases. The precipitation of secondary phases can be indirectly characterized by in-situ observing surface reliefs. This is a new method of secondary phases characterization. While the theoretical precipitation of Ti reaches 0.008 %, grain boundary
12、pinning is effective, which can limit the austenite grain for growth. While its over 0.008 %, the prior austenite grain is not further refined, because the more precipitation part put little strength to pinning. NbCN can promote the nucleation of proeutectoid ferrite. Secondary phases are dispersed
13、in the austenite grain, as well as proeutectoid ferrite by the cooling rate of 5.0 s-1, which is helpful to refine the austenite during reheating later. VCN can expand the incubation time of transformation of ferrite to austenite by inhibition of austenite nucleation during reheating. The austenite
14、is uniform and fine when reheating time is 1000 and reheating rate is 3.0 s-1.Key words: Microalloyed steel, Slab surface transverse cracking, Secondary phases, Double phase transformation, Slab surface microstructure control第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 山洪灾害指的是山丘区域爆发的洪水灾害，民间俗称“发蛟”，是山丘区域广泛分布的自然灾害。由于山丘区河道比降较大，河
15、床以深窄形状居多，河道的调蓄能力较弱，因此山丘区域洪水具有历时短、涨幅大、洪峰集中、冲击力强、成灾迅速等特点。山洪灾害包括了山溪洪水泛滥、泥石流、山体滑坡及崩塌等造成的人员伤亡、财产损失、基础设施损坏、坏境破坏等，给人民生命财产安全造成了严重威胁。 我国山丘区总面积远远超过世界平均水平，约占国土面积的2/3，同时我国地处东亚季风带，气候条件多变，暴雨频发，一旦洪水泛滥，习惯于依山傍水居住的山区居民极易受到山洪灾害及滑坡、泥石流等次生地质灾害的威胁。近年来受人类活动造成的温室效应的影响，极端性强降雨频繁发生，导致山洪灾害对山丘区居民的威胁日趋严峻。据统计，中国有1500多个县级行政区分布在山丘区
16、，受山洪灾害、滑坡、泥石流威胁的人口达7400万人，二十世纪五十年代以来，每年爆发的山洪灾害都会造成数以百计的人员伤亡。山洪灾害一旦发生，不仅会对山丘区基础建设造成破坏，而且极大地威胁了当地人民群众的生命财产安全，成为山丘区域经济社会可持续发展的重要的制约因素之一。 陕西省是暴雨多发省份之一，也是山洪灾害频繁发生的地区，受大气环流的影响，省内常出现旱涝相间的极端天气，大旱也往往伴随着大涝。省内山洪灾害发生地以陕南山区、关中西部和陕北地区居多。据实测资料统计，省内每年几乎都会发生数次24h雨量超过100mm的大暴雨，24h超200mm的特大暴雨每年也会出现1-2次，有的年份甚至出现的更多，受西太
17、平洋副热带高压的影响，每年的“七下八上”更是山洪灾害的多发期，因而大多数河流每年都会出现不同量级的洪水过程，在同一流域或局地，同一年内甚至有可能发生多次山洪灾害。据不完全统计，在19492002年54年之间，全省共发生山洪灾害2400多次，其中安康占23.59%，汉中占20.47%，宝鸡占17.55%，商洛占16.37%，四市境内的山洪灾害数量共占全省总数的77.98%，其中持续性降雨诱发的山洪灾害占总数量的57%，局地暴雨诱发的山洪灾害占总数的43。20102015年共发生山洪灾害156起，平均每年26起，主要集中在陕南地区。紫阳县位于陕西南部，汉江中上游，山高坡陡，河流众多，夏季多暴雨，特
18、殊的气候地理条件导致山洪灾害频发。根据陕西省山洪灾害防治项目实施方案（2014）1提供的初步资料，紫阳县山洪灾害防治区总人口为24.27万，其中受山洪威胁的人口为18.13万，共20个乡镇、491个自然村受山洪灾害威胁。建国后，共发生过十余次大的山洪灾害，其中比较严重的有：1979年7月14日，燎原乡发生局地山洪灾害，因山体滑坡死亡21人，冲毁房屋104间。1983年7月31日，全县山洪暴发死亡286人；2000年7月13日，紫阳县西南部联合、绕溪、瓦庙等乡镇遭受了百年不遇的特大山洪泥石流灾害，死亡226人；2010年7月18日，紫阳全县境内均出现了高强度的暴雨和大暴雨，持续时间长达48小时，
19、全境内遭受暴雨泥石流灾害，25个乡镇普遍受灾，直接经济损失达15.3亿元，受灾人口达228852人。 本文以水利部、财政部共建项目陕西省山洪灾害防治项目子项目“陕西省2015年度山洪灾害调查评价项目”（KYZBZC2015/10-ZB-510）为依托，以陕西省紫阳县为研究区域，在对该区域自然概况、社会经济情况和历史山洪灾害充分调查研究的基础上，选取典型河段计算历史洪水洪峰流量，分析该地区山洪灾害成因，分析研究紫阳县山洪灾害危险性和易损性的分布情况，并在此基础上对该地区山洪灾害风险进行评价研究。研究成果可为当地防洪决策、山洪预警以及抢险施救提供科学依据；对山洪灾害的历史洪水计算以及成因分析也有一
20、定的参考意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 山洪灾害国内外研究现状 国内外对山洪灾害的研究主要集中在山洪灾害的特征成因及防治措施研究、风险评估、预测防治等几个方面。 在山洪灾害的特征、成因及防治措施方面，我国的学者开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。2007年，张志彤概括了我国山洪灾害的成因、特点及防治思路2；同年张平仓等从山洪灾害的地域分异规律和国情出发，综合分析我国8个山洪灾害防治二级区山洪灾害的成因及特点，提出了针对性的防治对策3；2006年，任洪玉等以陕西和湖南省为例，对我国山洪灾害区域性特点的差异进行了研究4；2009年，王俊英根据福建省现存的山丘区域小流域洪水灾害资料
21、，分析其特点及发生的频率，确定福建省重点防治区、一般防治区，并提出了针对防治区的水土流失、山洪灾害防治的非工程措施和工程措施5。综合以上研究，可以看出，我国山洪灾害具有分布广泛、突发性强、破坏力大、季节性强的特点；成因主要有气象水文因素、地形地貌因素、人类活动因素等；防治措施主要有工程措施和非工程措施。 在山洪灾害风险评估方面，国内外学者的研究成果颇丰。美国、日本、西欧等发达国家对洪水风险的研究起步较早，如20世纪五、六十年代，美国就开始制作洪水风险图，截止到2003年4月，联邦紧急事务管理局(FEMA)负责的洪水保险计划(NFIP)已经绘制了9万多张洪水风险图，涵盖了约19000个社区，38
22、.9万平方公里的洪泛区6、7。1995年，日本开始绘制洪水风险图，到2004年，已经制作完成了国内180条河流（流域）的洪水风险图8。21世纪以来，国外基于GIS技术对山洪灾害风险的研究成果颇丰9-13，英格兰和威尔士由英国环境署制作和发布1:50000的洪水风险图，并且可以通过环境署的网站查询，形成了一个基于Web-GIS的洪水风险服务系统14。我国对山洪灾害风险的研究起始于20世纪80年代中期。1985年，中国科学院对三峡库区泥石流进行了危险度差异性区划研究15；1996年，赵士鹏对我国山洪灾害进行了整体区划，将全国划分成西北区、内蒙区、青藏区、中部区、东部平原区、东南区六大区域，并对各区
23、山洪灾害风险度进行了定性分析16；1997年，魏一鸣等基于系统论的观点，提出了洪水灾害系统的概念理论，并结合洪水灾害评估的具体特点，设计了洪水灾害评估体系的总体框架17；同年，赵士鹏以山洪灾害的强频分析和灾变系数为指标在闽江上游地区开展了山洪灾害风险评价 18；2003年，詹小国等利用ArcG IS的栅格模块地图代数功能，选取集水面积、最大三日降雨量、土地利用类型和坡度等指标，并考虑山洪灾害引起水土流失和滑坡泥石流灾害等因素，采用层次分析法确定各因子的计算权重，采用加权平均法来计算山洪灾害风险，并评价了三峡库区湖北片的洪灾风险19；2006年，杜鹃等从研究区自然属性和社会属性两方面出发，采取“
24、乘”法计算公式，即“风险=危险性脆弱性”，构建山洪灾害评价模型，进行了湘江流域洪水灾害的综合风险评价，在此基础上将湘江流域洪水灾害风险划分为高风险区、较高风险区、中等风险区、较低风险区和低风险区5个等级区域，并借助GIS技术绘制了湘江流域洪水灾害综合风险等级评价图20；2010年，姜俊厚采用了历史水灾法结合水力学法进行洪水风险计算，得到洪水淹没范围、水深、历时等洪水淹没特征信息21。综合观察国内外洪水灾害风险研究成果不难看出，将洪水灾害风险与地理信息系统相结合是国际上洪水风险研究和管理的共同趋势。GIS强大的空间分析功能使其成为洪水灾害风险评估强有力的分析工具，可以极大提高评价的精度和效率22
25、，因而得到了广泛的应用。山洪灾害预警预报作为山洪灾害防治非工程措施的一项重要手段，一直以来都是国内外学者研究的热点。迄今为止，关于山洪灾害、泥石流、滑坡等预报预警技术的研究主要包括时间预报技术、空间预报技术以及预警系统的开发研制23。国际上公认的比较科学实用的空间预报方法是奥地利H.奥里茨基提出的“荒溪分类及危险区制图指数法”24，主要是在对具体荒溪调查采样的基础上，通过在沟道里或沟道口冲击锥上根据山洪灾害危险性质划分出等级的方法，由高到低分别以红色、黄色及白色区分，以便在山洪灾害发生时采取必要的针对性措施，达到预警预报的目的。国内学者对山洪灾害空间预报也进行了相应的研究，刘希林等以云南省昭通
26、地区10县市为例，选取该区与泥石流灾害有关的8个主要指标，对每个指标给定权重进行综合评分，把昭通地区10县市划分为五级危险区和无危险区25；张仓平等人在对中国山洪灾害成因、特点、分布特征等资料充分分析的基础上，对中国山洪灾害危险区的空间分布作了初步研究26。 时间预报分为实时预报和中长期预报两种。实时预报技术主要是通过水文气象信息和径流模型进行预报。迄今为止对于暴雨山洪灾害的实时预报，以确定临界雨量和降雨分析法、人员观测和仪器监测3种方法运用得比较多27。国内对于山洪灾害实时预报预警系统的研究，主要是通过传感器感受山洪灾害幅频信号，再通过先进的传输手段传递信号，以达到预警预报的目的。中科院、长
27、江水利委员会进行了许多山洪灾害实时预警预报的相关工作，其基本方法与日本的预报预警系统近似，只是在传感器的选择和布置上有所差异29。中长期预报主要采用前苏联学者C.M.弗来施德的理论观点，根据已有山洪灾害资料确定其发生的周期和频率，预测山洪灾害的发展趋势28，历史资料的多少和准确程度对中长期预报的准确性非常关键。 1.2.2 GIS 技术在水文研究中的应用 GIS 即地理信息系统，是 Geographic Information System 的缩写，是依托计算机硬件和软件的支持，基于空间地理数据库，对空间中相关的地理数据进行采集、存储、提取、检索、分析、显示和制图的技术系统。GIS 与其他信息
28、系统最大的区别在于它具有管理空间地理数据，并能按照其在实际空间中的相对位置进行处理分析的功能。GIS 的空间分析功能包括了空间查询与量算、空间差值、叠加分析、栅格分析、缓冲分析、三维分析等，其强大的空间分析功能使其被广泛应用于勘测、土地利用与管理、水利、环保、自然灾害预测、资源利用与整合、人口统计等各个领域。在水文研究领域，GIS 主要应用于以下几方面： 1.水文模拟 近年来，GIS 在水文模拟中得到了非常广泛的应用，其强大的空间分析和数据处理功能使得水文模型的研究发生了根本性的转变。GIS 与水文模型的结合主要表现为以下三种形式：将部分 GIS 工具嵌入水文模型软件，将水文分析模块嵌入 GI
29、S模型，或互相耦合嵌套的模式30。国内外关于 GIS 的流域水文模型研究较多，如钟炜，宋洋通过 DEM 将流域划分为若干子流域单元，并以地形信息模拟水文响应的TOPMODEL 模型为理论基础，设计了一个分布式水文模型，结合西南某水库径流资料进行模拟计算，取得了良好的应用效果31；井立阳等基于 GIS 技术，利用数字高程模型，推求出了三峡区间流域的地理地貌特征值，并率定了新安江模型参数32；Boyina, Ramana Prasad V.等将 GIS 技术与网络技术相结合构建水文网络地图，应用于美国北卡罗莱纳州霍夫曼森林，以获取流域参数应用于当地水文模型研究33。 2.水资源管理 水资源的分布、
30、存储量、需求量、和后期预测等许多属性都与地理有着极强的关联，通过 GIS 技术可以很轻松地完成流域水资源相关信息的查询和管理，有利于水资源统一管理和保护。近年来，国内外学者进行了大量将水资源管理和 GIS 技术相结合的研究工作，如杨卫华等在 GIS 支持下开发出了以水资源可持续量化模型为核心的城市水资源管理系统，并以邯郸市为例，完成了对城市可持续利用水资源量的定量模拟、技术优化和科学管理34；周小希以开发的角度研究基于 GIS 技术的水资源支持决策系统，并以衡水市为例进行了实际应用35。Abiy, Anteneh Z.和 Melesse, Assefa M.利用 GRACE 技术观测流域尺度内
31、的土壤含水量和地下水储量的变化，并基于 GIS 技术进行物理变量的多层次分析，最终描绘了埃塞俄比亚塔纳湖流域潜在含水层区域36； 3. 水环境监测 通过 GIS 技术可以模拟区域水环境相关参数及污染源的分布情况，布设水质检测点，可以为水环境监测管理及污染物扩散预测提供有效手段。近年来，随着人类环保意识的加强，基于 GIS 技术的水环境检测研究成为了国际上研究的热点，国内外学者进行了大量的研究工作，如：Jarray Hanen 等应用 SINTACS 模型模拟突尼斯东南部重要水源地 Zeuss-Koutine 含水层地下水脆弱性，并基于 GIS 技术进行了区划分布研究37；Kourgialas,
32、 Nektarios N.等基于 GIS 技术绘制了希腊克里特岛水源地FWPI 指数分布图，以评估化肥污染对研究区水质的影响38；李军、张明华将 WASP富营养化水质模型在 GIS 中完全集成，并以温州温瑞堂河水质模拟为例进行应用研究，取得了良好的效果39；高永年等以 GIS 技术为支撑，结合各指标分区数据，制作了每个指标的空间分布图，并采用二阶聚类结合人工辅助的方法将太湖流域划分为 21 个水生态功能三级区，分区结果体现出了较强的合理性和科学性40。 4. 防洪预警 近年来，将洪水灾害风险与地理信息系统相结合成为了国内外洪水风险研究和管理的共同趋势16-22。除此以外，将实时雨水情数据库与 GIS 技术结合起来可以实现水位、流量、降雨量、水库水位等水情在电子地图上的及时报警；将 GIS 技术与遥感、航空摄影及图象处理等技术结合起来，可以为估计洪灾损失及灾后重建提供科学参考和决策依据。 1.3 研究内容 论文以安康市紫阳县为研究对象，以 GIS 软件作为技术支持，建立山洪灾害风险评价模型，对紫阳县进行山洪灾害风险区划，具体研究内容如下： （1）通过对研究区基础资料的整理与收集，掌握研究区山洪灾害方面的基本信息。 （2）根据采集到的历史洪痕信息，选取河段，运用比降法计算研究
