微合金化钢的概念

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1、钢铁材料微结构设计与控制原理王立军副教授2011.10第1章微合金化钢的概念和强韧化机理第１节　微合金化钢的概念钢的微合金化在钢中加入微量的铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、硼(B)等碳化物、氮化物形成元素，在热循环或应变的作用下，通过C、N化合物的溶解和析出机制，钢铁材料的物理、化学及力学性能产生十分明显的变化。微合金化钢是在普通的C-Mn钢或低合金钢中添加微量(质量分数通常小于0.1%)的强碳氮化物形成元素(如铌、钒、钛等)进行合金化，通过高纯洁度的冶炼工艺(脱气、脱硫及夹杂物形态控制)炼钢，在加工过程中施以控制轧制/控制冷却等新工艺，通过控制细化钢的晶粒和碳氮化物沉

2、淀强化的物理冶金过程，在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的成形性能等最佳力学性能配合的工程结构材料合金化与微合金化合金化的物理本质是：通过元素的固溶及其固态反应，影响微结构乃至结构、组织和组分，从而使金属获得要求的性能。——合金化元素主要影响钢的基体，“微合金化”为改善钢材的性能有目的地加到钢中的元素在钢中的含量较低，通常低于0.1%(质量分数)。——微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。微合金化元素铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、硼(B)、铝(A1)及稀土(RE)。均有形成碳化物和氮化物的趋势，并且从元素周期

3、表的右上角向左下方逐渐增强；形成氮化物的倾向要强于形成碳化物的倾向。（Ti、Zr、Hf）有更高的形成氧化物和硫化物的倾向（Ti、Zr、Hf）和（V、Nb、Ta）元素与非金属化合物的亲和力比（Cr、Mo、W）元素高（Cr、Mo、W）的碳化物具有正斜方体和六角体的晶体结构，而（Ti、Zr、Hf）和（V、Nb、Ta）元素的碳化物具有面心立方结构，面心立方结构与钢的立方基体具有一定的共格性，这对钢的性能有益。1.2微合金化钢的强韧化机理结构钢的力学性能要求：在钢材应用上，其室温屈服强度σs(或条件屈服强度σ0.2)、抗拉强度和韧脆转变温度Tc，是钢材的基本的力学性能指标。在大多数条

4、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。材料的强化方式：包括沉淀析出强化、细晶强化、相变强化、固溶强化(置换强化和间隙强化)、位错及亚晶强化等。对材料强度的影响可以用修正的Hall-Petch公式表示：σy=σ0+σss+σint+σppt+σtrnnsf+σdisl+Kyd-1/2式中σ0——晶格摩擦力(阻碍位错运动的力和晶格阻力)；σss——置换强化增量；σint——间隙强化增量；σppt——析出强化增量；σtrnnsf——相变强化增量；σdisl——位错及亚结构强化增量；Ky——晶界强化因子；d——晶粒直

5、径。材料的韧性材料的韧脆转变温度TC是衡量材料韧性的重要指标，一般采用50%FATT(裂纹扩展转变温度)作为转变温度。晶粒细化的脆化矢量为-0.80℃/MPa，而析出强化和相变强化的脆性矢量为0.46℃/MPa。因此晶粒细化可以在有效提高强度的同时，使韧脆转变温度大幅度降低，而其它能有效提高钢材强度的强化方式都将导致韧脆转变温度提高。不同强化机制对钢韧脆转折温度的影响１-晶粒细化强化；２-沉淀强化；３-位错强化；４-珠光体强化晶粒细化对韧性的贡献在其它条件相当的情况下，随着晶粒尺寸的变小，材料的韧脆转变温度下降。Pickering等对低碳钢提出了韧脆转变温度的表达式：TC=

6、a–bd-1/2式中，a包括了除晶粒直径以外的其它所有因素对韧脆转变温度的影响，而bd-1/2为晶粒直径对韧脆转变温度的影响。一般b=11.5℃/mm1/2。当铁素体直径由20μm细化到5μm时，可使TC下降81℃。微合金钢的强化机理晶粒细化强化晶粒细化之所以既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，其原因是：材料的晶粒越细，晶界面积就越大，而晶界两边的晶粒的取向完全不同且完全无规则，并且晶界是原子排列相当紊乱的地区。因此，当塑性形变和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界就比较困难；另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展又需改变。与晶内的形变及裂纹扩展相

7、比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很大的能量，故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高，并且材料的晶粒越细，材料的强度和韧性就越高。位错塞积模型在外加切应力较小时，由于晶界的阻碍作用，会使晶粒1内由位错源放出的位错形成位错塞积，位错塞积可以在相邻晶粒内产生较大的切应力，当这个应力达到该晶粒内位错源开动的临界分切应力时，该晶粒内的位错开始滑移。计算结果为σy=σ0+kd-1/2位错塞积引起相邻晶粒中位错源开动示意图位错的塞积假设在外加切应力τ0的作用下，有n个柏氏矢量为b的刃型位错沿x方向塞