TMCP材料的性能取决于材料的组织。在诸多影响因素中，组织细化对性能的影响是最重要的。TMCP材料的组织细化可显著提高材料的性能，例如，组织细化不仅可同时提高钢的强度和韧性，而且还可以减轻晶界脆化、减少热处理裂纹和形变、提高耐应力腐蚀性、改变钢的物理化学性能等。
通过TMCP工艺最终获得微细的组织，进而获得良好的综合性能，这是诸多影响因素的最佳集成，不是某个单一因素造成的，这些影响因素主要有钢的化学成分(包括主要合金元素和微合金化元素)、再加热温度、轧制工艺参数（压下量和终轧温度）和冷却参数（加速冷却速率和终止冷却温度）等。 钢的化学成分中主要合金元素对奥氏体晶粒尺寸的影响是比较复杂的，它随钢的冶炼方法、凝固方法、微量元素、热轧条件和热履历的不同而有较大的差异。但是根据α/γ的相变特点概括地说，可以把合金元素分成两类：1）降低相变点Ac3的元素C、Mn、Ni、Cr等和碳化物生成元素C、Cr、Mo；2）显著提高相变点的元素Si。添加降低相变点元素和碳化物生成元素有利于使钢的奥氏体晶粒尺寸减小，添加提高相变点的元素对钢奥氏体晶粒的细化是不利的。这里应特别指出，Si是不形成碳化物的元素，它能大幅度提高相变点Ac1和Ac3，当Si含量高于0.2%时，奥氏体晶粒显著粗化，如图1所示。 图1 Si含量对奥氏体晶粒度的影响 ((900~1000)℃×30min,WQ,1%Cr-0.5%Mo钢) 钢的化学成分中的Nb、V、Ti、Al、Zr等微合金化元素，对奥氏体晶粒度的影响主要有两种方式：一种是在奥氏体中析出的M(C,N)对晶界起钉扎作用；一种是固溶在奥氏体中的溶质原子起拖曳作用。从温度区间方面看，在高温区以固溶拖曳作用为主，在低温区则以析出钉扎作用为主。 微合金化元素除通过形成碳氮化物抑制奥氏体再结晶外，同时还能阻碍再结晶后的晶界移动和晶粒长大，提高再结晶奥氏体晶粒的粗化温度，在微合金化元素Nb、Ti、V中，以Ti的作用最显著。 在钢坯的再加热过程中，加热温度是一个很重要的工艺参数。加热温度的选择，应以加入钢中的微合金化元素是否能全部或绝大部分溶解到奥氏体中为依据。如果再加热温度过高，虽然微合金化元素都能溶解，但原始奥氏体晶粒会过于粗大，这对最终的组织细化不利，可能导致钢的韧性降低，转变温度升高，所以对韧性要求比较高的低合金钢，如低温钢，高韧性低合金结构钢，要求较高韧性的长形钢材等，为提高低温韧性通常都采用较低的再加热温度；如果再加热温度过低，加入钢中的微合金化元素不能全部固溶到奥氏体中，降低了轧制冷却后的析出强化效果，没充分发挥微合金化元素的作用，如V-Ti-N微合金钢，加热温度从1250℃降至1100℃时，屈服强度虽降低40MPa，但韧性却提高了，韧脆转变温度降低约15℃。根据实践经验和理论计算，含铌钢的再加热温度应不低于1200℃，含钒钢的再加热温度应不低于1100℃。 轧制工艺主要有两种方法：一种是在奥氏体再结晶区的再结晶控制轧制；另一种是在奥氏体未再结晶区控制轧制。还有一种是在奥氏体和铁素体两相区轧制，但应用较少。再结晶控制轧制比较适用于含钒的微合金钢，最佳的成分是V-Ti-N合金系。奥氏体未再结晶区控制轧制比较适用于含铌的微合金钢。在奥氏体和铁素体两相区轧制时，未相变的形变奥氏体被继续拉长，在晶内形成形变带，提高位错密度，促进进一步形成很细的等轴铁素体，先前析出的铁素体也将产生塑性变形，在晶粒内部形成大量的位错及亚结构，提高钢的综合性能。目前，采用两相区轧制的工艺方法应用还比较少。 终轧温度对奥氏体的再结晶有较大影响。钢的奥氏体再结晶区温度通常不低于950℃，因此，再结晶控制轧制一般在950℃以上的温度下进行。当终轧温度低于950℃时，奥氏体就不能完全再结晶，有试验结果表明，当终轧温度为905℃时再结晶分数可达50%，终轧温度为875℃时再结晶分数只有20%。在热轧条件下，V-Ti-N系微合金钢通过900~1000℃的再结晶控制轧制，可产生明显的组织细化。在奥氏体温度区轧制时，通常是终轧温度越低，晶粒就越细，强度和韧性都会提高，如图2和图3所示。图2的结果表明，终轧温度是TMCP的一个重要工艺参数，它对材料的强度和韧性都有很大影响，但是由于微合金钢的成分体系不同，终轧温度对微观组织和力学性能的影响也不同。在Ti-V(Nb)-N钢的情况下，当终轧温度接近Ar3时，钢的低温韧性(如50%FATT) 和强度获得了良好的配合，然而，当采用再结晶控制轧制，终轧温度为950℃时，也同样获得了良好的强度与韧性的匹配。这表明在Ti-V(Nb)-N微合金钢的情况下，终轧温度对钢的力学性能几乎没有影响，为提高生产效率和产品的稳定性创造了十分有利的条件。Chilton和Roberts对V-N微合金钢的研究也获得了相同的结果。 图2 终轧温度对Ti-V(Nb)-N钢力学性能的影响 a-强度；b-冲击韧性 Treh-再加热温度；ACC-加速冷却速度；FACT-加速冷却终止温度 图3 终轧温度(1030℃)到终冷温度(FCT)的冷却速率对Ti-V(Nb)-N钢组织和性能的影响 a-铁素体晶粒尺寸；b-屈服强度；c-冲击韧性 终轧后的冷却速度和加速冷却终止温度对材料的显微组织和综合力学性能有强烈的影响。 终轧后的冷却速度越快，使材料通过相变温度区的速度加快，过冷度增大；终轧后的冷却速度对γ→α的相变温度有显著影响，冷却速度越快，导致γ→α的相变温度降低，铁素体的形核率提高，铁素体晶粒的长大速率降低，使铁素体晶粒细化。当终轧后的冷却速度过快时，尽管铁素体晶粒得到了细化，但钢的综合性能不能明显提高。 在一般情况下，若冷却速度增大，则过冷度增加，形核驱动力增大，铁素体形核率增加，晶粒细化。但在含钒、铌、钛的微合金钢中，由于有析出M(C,N)的钉扎作用，当冷却速度减小时，铁素体晶粒的长大并不明显。过快的冷却速度会抑制M(C,N)的析出，使微合金元素在奥氏体中的固溶量增加，奥氏体的稳定性增强，促进中温或低温相变产物（如贝氏体、马氏体）的形成，冷却速度对屈服强度、铁素体晶粒尺寸、冲击转变温度都有显著影响。 对成分为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微合金化钢板的研究表明，轧后采用不同的冷却速度冷却后，钢的纵横向屈服强度、抗拉强度、冲击韧性和断裂韧性均有不同程度的提高。
