TMCP材料的性能取決于材料的組織。在諸多影響因素中，組織細化對性能的影響是最重要的。TMCP材料的組織細化可顯著提高材料的性能，例如，組織細化不僅可同時提高鋼的強度和韌性，而且還可以減輕晶界脆化、減少熱處理裂紋和形變、提高耐應力腐蝕性、改變鋼的物理化學性能等。
通過TMCP工藝最終獲得微細的組織，進而獲得良好的綜合性能，這是諸多影響因素的最佳集成，不是某個單一因素造成的，這些影響因素主要有鋼的化學成分(包括主要合金元素和微合金化元素)、再加熱溫度、軋制工藝參數(shù)（壓下量和終軋溫度）和冷卻參數(shù)（加速冷卻速率和終止冷卻溫度）等。 鋼的化學成分中主要合金元素對奧氏體晶粒尺寸的影響是比較復雜的，它隨鋼的冶煉方法、凝固方法、微量元素、熱軋條件和熱履歷的不同而有較大的差異。但是根據(jù)α/γ的相變特點概括地說，可以把合金元素分成兩類：1）降低相變點Ac3的元素C、Mn、Ni、Cr等和碳化物生成元素C、Cr、Mo；2）顯著提高相變點的元素Si。添加降低相變點元素和碳化物生成元素有利于使鋼的奧氏體晶粒尺寸減小，添加提高相變點的元素對鋼奧氏體晶粒的細化是不利的。這里應特別指出，Si是不形成碳化物的元素，它能大幅度提高相變點Ac1和Ac3，當Si含量高于0.2%時，奧氏體晶粒顯著粗化，如圖1所示。 圖1 Si含量對奧氏體晶粒度的影響 ((900~1000)℃×30min,WQ,1%Cr-0.5%Mo鋼) 鋼的化學成分中的Nb、V、Ti、Al、Zr等微合金化元素，對奧氏體晶粒度的影響主要有兩種方式：一種是在奧氏體中析出的M(C,N)對晶界起釘扎作用；一種是固溶在奧氏體中的溶質原子起拖曳作用。從溫度區(qū)間方面看，在高溫區(qū)以固溶拖曳作用為主，在低溫區(qū)則以析出釘扎作用為主。 微合金化元素除通過形成碳氮化物抑制奧氏體再結晶外，同時還能阻礙再結晶后的晶界移動和晶粒長大，提高再結晶奧氏體晶粒的粗化溫度，在微合金化元素Nb、Ti、V中，以Ti的作用最顯著。 在鋼坯的再加熱過程中，加熱溫度是一個很重要的工藝參數(shù)。加熱溫度的選擇，應以加入鋼中的微合金化元素是否能全部或絕大部分溶解到奧氏體中為依據(jù)。如果再加熱溫度過高，雖然微合金化元素都能溶解，但原始奧氏體晶粒會過于粗大，這對最終的組織細化不利，可能導致鋼的韌性降低，轉變溫度升高，所以對韌性要求比較高的低合金鋼，如低溫鋼，高韌性低合金結構鋼，要求較高韌性的長形鋼材等，為提高低溫韌性通常都采用較低的再加熱溫度；如果再加熱溫度過低，加入鋼中的微合金化元素不能全部固溶到奧氏體中，降低了軋制冷卻后的析出強化效果，沒充分發(fā)揮微合金化元素的作用，如V-Ti-N微合金鋼，加熱溫度從1250℃降至1100℃時，屈服強度雖降低40MPa，但韌性卻提高了，韌脆轉變溫度降低約15℃。根據(jù)實踐經(jīng)驗和理論計算，含鈮鋼的再加熱溫度應不低于1200℃，含釩鋼的再加熱溫度應不低于1100℃。 軋制工藝主要有兩種方法：一種是在奧氏體再結晶區(qū)的再結晶控制軋制；另一種是在奧氏體未再結晶區(qū)控制軋制。還有一種是在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制，但應用較少。再結晶控制軋制比較適用于含釩的微合金鋼，最佳的成分是V-Ti-N合金系。奧氏體未再結晶區(qū)控制軋制比較適用于含鈮的微合金鋼。在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制時，未相變的形變奧氏體被繼續(xù)拉長，在晶內形成形變帶，提高位錯密度，促進進一步形成很細的等軸鐵素體，先前析出的鐵素體也將產(chǎn)生塑性變形，在晶粒內部形成大量的位錯及亞結構，提高鋼的綜合性能。目前，采用兩相區(qū)軋制的工藝方法應用還比較少。 終軋溫度對奧氏體的再結晶有較大影響。鋼的奧氏體再結晶區(qū)溫度通常不低于950℃，因此，再結晶控制軋制一般在950℃以上的溫度下進行。當終軋溫度低于950℃時，奧氏體就不能完全再結晶，有試驗結果表明，當終軋溫度為905℃時再結晶分數(shù)可達50%，終軋溫度為875℃時再結晶分數(shù)只有20%。在熱軋條件下，V-Ti-N系微合金鋼通過900~1000℃的再結晶控制軋制，可產(chǎn)生明顯的組織細化。在奧氏體溫度區(qū)軋制時，通常是終軋溫度越低，晶粒就越細，強度和韌性都會提高，如圖2和圖3所示。圖2的結果表明，終軋溫度是TMCP的一個重要工藝參數(shù)，它對材料的強度和韌性都有很大影響，但是由于微合金鋼的成分體系不同，終軋溫度對微觀組織和力學性能的影響也不同。在Ti-V(Nb)-N鋼的情況下，當終軋溫度接近Ar3時，鋼的低溫韌性(如50%FATT) 和強度獲得了良好的配合，然而，當采用再結晶控制軋制，終軋溫度為950℃時，也同樣獲得了良好的強度與韌性的匹配。這表明在Ti-V(Nb)-N微合金鋼的情況下，終軋溫度對鋼的力學性能幾乎沒有影響，為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的穩(wěn)定性創(chuàng)造了十分有利的條件。Chilton和Roberts對V-N微合金鋼的研究也獲得了相同的結果。 圖2 終軋溫度對Ti-V(Nb)-N鋼力學性能的影響 a-強度；b-沖擊韌性 Treh-再加熱溫度；ACC-加速冷卻速度；FACT-加速冷卻終止溫度 圖3 終軋溫度(1030℃)到終冷溫度(FCT)的冷卻速率對Ti-V(Nb)-N鋼組織和性能的影響 a-鐵素體晶粒尺寸；b-屈服強度；c-沖擊韌性 終軋后的冷卻速度和加速冷卻終止溫度對材料的顯微組織和綜合力學性能有強烈的影響。 終軋后的冷卻速度越快，使材料通過相變溫度區(qū)的速度加快，過冷度增大；終軋后的冷卻速度對γ→α的相變溫度有顯著影響，冷卻速度越快，導致γ→α的相變溫度降低，鐵素體的形核率提高，鐵素體晶粒的長大速率降低，使鐵素體晶粒細化。當終軋后的冷卻速度過快時，盡管鐵素體晶粒得到了細化，但鋼的綜合性能不能明顯提高。 在一般情況下，若冷卻速度增大，則過冷度增加，形核驅動力增大，鐵素體形核率增加，晶粒細化。但在含釩、鈮、鈦的微合金鋼中，由于有析出M(C,N)的釘扎作用，當冷卻速度減小時，鐵素體晶粒的長大并不明顯。過快的冷卻速度會抑制M(C,N)的析出，使微合金元素在奧氏體中的固溶量增加，奧氏體的穩(wěn)定性增強，促進中溫或低溫相變產(chǎn)物（如貝氏體、馬氏體）的形成，冷卻速度對屈服強度、鐵素體晶粒尺寸、沖擊轉變溫度都有顯著影響。 對成分為0.12% ~0.15% C、0.30% ~0.45% Si、1.30% ~1.55% Mn、0.070% ~0.085%V、0.010% ~0.014%N的V-N微合金化鋼板的研究表明，軋后采用不同的冷卻速度冷卻后，鋼的縱橫向屈服強度、抗拉強度、沖擊韌性和斷裂韌性均有不同程度的提高。
