材料加工組織性能控制第四章

1、4. 4. 微合金元素在控制軋制中的作用微合金元素在控制軋制中的作用hsla鋼中常用合金元素及夾雜元素分類： 1)微合金化元素：鈮(nb)、釩(v)、鈦(ti)、鋁(al)和硼(b)。 2)置換元素：硅(si)、錳(mn)、鉬(mo)、銅(cu)、鎳(ni)和鉻(cr)。 3)夾雜及硫化物形狀控制的添加元素：磷(p)、硫(s)、鈣(ca)、稀土金屬(rem)及鋯(zr)。 控制鋼的塑性。控制鋼的強度、韌性、相變顯微組織微合金化元素:特點：與碳、氮結(jié)合成碳化物、氮化物和碳氮化物，高溫下溶解，低溫下析出。作用：(1)加熱：阻礙原始奧氏體晶粒長大；(2)軋制：抑制再結(jié)晶及再結(jié)晶后的晶粒長大；(3)低

2、溫：析出強化作用。4.1 合金元素的作用機理：如果有細小的第二相質(zhì)點導(dǎo)入奧氏體基體中，由于質(zhì)點和晶界發(fā)生相互作用，第二相質(zhì)點通常存在于晶界上，一部分晶界被質(zhì)點所取代，并且表面的能量確保了晶界相對位置的穩(wěn)定。因此晶界遷移（晶粒長大）受到來自質(zhì)點的阻力。 圖4-1 中碳化物和氮化物的溶度積 特點： tin： vc： nbc和tic：(2)晶格結(jié)構(gòu)：al，其余元素；(3)氮化物與碳化物的比較；(4)含鈦鋼：首先形成氮化鈦。圖4-2 晶粒尺寸與加熱溫度的關(guān)系特點：（1）鈮鋼：（2）釩鋼和si-mn鋼：（3）鈦鋼：機理：沉淀對奧氏體晶粒邊界起釘扎作用使鈦鋼具有高于1250的極高的晶粒細化溫度。4.2 控

3、制軋制過程中微量元素碳氮化合物的析出4.2.1 各階段中nb(c、n)的析出狀態(tài) (1)出爐前：加熱到1200c，均熱2h：90%以上鈮都固溶到奧氏體基體中，有極少數(shù)粗大nb(c、n)沒有固溶到奧氏體中。1260c ：保溫30min，nb(c、n)全部溶解。 (2)出爐后到軋制前： 在軋制前，從固溶體中析出nb(c、n)數(shù)量很少。出爐后尚未變形(3)在變形奧氏體中：圖4-3 鋼中析出nb量與變形變量和變形后停留時間的關(guān)系nb(p)：在沉淀相中的nb量占鋼種nb量的% 為未變形的奧氏體；為形變量43%；為形變量73%nb(c、n)平均析出速度：高溫、低溫析出都很慢。終軋溫度的影響：高溫軋制后（再

4、結(jié)晶軋制，如1050c）:鈮的平均析出速度不大、析出顆粒較大（ 200 左右）。原因:低溫軋制后（未再結(jié)晶軋制，如900800c） ：加大了鈮的析出速度,析出顆粒細（ 50100 ）。原因:控制軋制就是應(yīng)用這種微細的nb(c、n)析出質(zhì)點固定亞晶界而阻止奧氏體晶粒再結(jié)晶，達到細化晶粒的目的。軋后冷卻過程中鈮的析出速度主要取決于鈮的過飽和度、變形溫度和變形量。隨變形溫度降低或變形量增大其析出速度增大。（5）在鐵素體內(nèi)相變后內(nèi)剩余的固溶鈮繼續(xù)析出，質(zhì)點大小決定于冷卻速度。（6）冷卻到室溫，1015左右的鈮未從鐵素體中析出。(4) 奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過程中1)碳氮化物在和中的溶解度不同相變后，產(chǎn)生快

5、速析出。相間析出（相間沉淀）：冷卻速度大、析出溫度低相間沉淀排間距小析出質(zhì)點也小。析出時間長質(zhì)點長大。4.2.2 影響nb(c、n)析出的因素(1)變形量和析出時間圖4-6 在含有0.06%c、0.041%nb和0.0040%n的鋼中，變形量對沉淀的影響1-67%變形；2-50%變形；3-33%變形；4-17%變形隨變形量增加，析出量增加；隨時間加長，析出量增加。 開始隨時間增長而增加，但很快達到飽和。(2)變形溫度圖4-7 溫度-時間-沉淀動力學(xué)曲線、形變對沉淀動力學(xué)的影響規(guī)程1：在再結(jié)晶區(qū)變形、發(fā)生了再結(jié)晶規(guī)程2：附加有未再結(jié)晶區(qū)變形、未發(fā)生再結(jié)晶1）析出量相等時，未再結(jié)晶區(qū)軋制所需時間短

6、。原因：2）析出量一定時，在高溫所需等溫時間短，低溫所需等溫時間長。 (3)鋼的成分變化曲線鋼號鈮，%氮，%碳，%鉬，%123476320d43d4532675a0.040.040.050.0450.0030.0080.0050.0060.190.100.120.10-0.230.17圖圖4-8 鈮鋼經(jīng)鈮鋼經(jīng)50%變形變形后在后在900 c c 時的沉淀圖時的沉淀圖不同成分的鋼隨析出時間增加析出量都增加，但鋼的成分不同，析出量不同。4.3 微量元素在控制軋制控制冷卻中的作用4.3.1 加熱時阻止奧氏體晶粒長大圖4-9 碳化物及氮化物形成元素的含量對奧氏體晶粒粗化溫度的影響作用：鈮、鈦含量在0.

7、10%以下時，可以提高奧氏體粗化溫度到1050-1100c，作用明顯。釩在小于0.10%時，阻止晶粒長大的作用不大，當(dāng)鈮和釩含量大于0.10%時，隨合金含量的增多粗化溫度繼續(xù)提高，當(dāng)含量達到0.16%時則趨于穩(wěn)定，粗化溫度不再提高。圖4-10 鈮對三種基本成分相同鋼的奧氏體晶粒度的影響（1小時加熱到1250c)4.3.2 再結(jié)晶的延遲(1) 合金元素的作用圖4-11 不同含鈮量的0.002%c-1.54%mn鋼中，鈮含量對軟化行為的影響含鈮量增加，再結(jié)晶開始時間顯著延長。含碳0.002鋼中，幾乎所有鈮原子均會固溶，會延遲回復(fù)和再結(jié)晶的發(fā)生。（2）溫度的作用圖4-12 含鈮或不含鈮的0.002%

8、c-1.56%mn鋼的軟化行為與溫度的關(guān)系而對于含鈮鋼，隨溫度的下降，再結(jié)晶開始受到顯著延遲。 （3）溫度和含碳量的作用圖4-13 含鈮0.097%的鋼中，溫度和含碳量對軟化行為的影響含碳較高的鋼在900c和850c時，軟化速率比含碳低的鋼慢得多，而在1000c時，這兩種鋼幾乎表現(xiàn)出相同的軟化行為。 圖4-14 0.002%c-0.097%nb鋼、0.006%c-0.097%nb鋼和0.019%c-0.095%nb鋼于900c時，碳氮化鈮應(yīng)變誘發(fā)沉淀析出的過程圖4-15 0.002%c鋼、0.002%c-0.097%nb鋼和0.019%c-0.095%nb鋼的再結(jié)晶-速度-溫度-時間和沉淀析出

9、-溫度-時間曲線的疊加溶質(zhì)鈮只有在應(yīng)變誘發(fā)沉淀出現(xiàn)時，才能起到延遲回復(fù)和再結(jié)晶作用。 圖4-3 中的靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)(a)si-mn鋼；(b)含0.04%nb的鋼預(yù)應(yīng)變?yōu)?.50圖4-4 中的靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)(含0.08%ti的鋼；(b)含0.10%v的鋼 變形溫度900c預(yù)應(yīng)變?yōu)?.50（4）微量元素對動態(tài)再結(jié)晶臨界變形量的影響機理：1）合金元素偏析于晶粒邊界而引起的溶質(zhì)原子的拖拉作用；2）合金元素的碳氮化合物在晶界沉淀而引起的釘扎作用。圖4-9 實驗鋼1000c變形時真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線（5） 微量元素對再結(jié)晶數(shù)量的影響圖4-10 1000c終軋后晶粒再結(jié)晶面積百分率與析出nb量的關(guān)系（6）

10、 微量元素對再結(jié)晶速度的影響圖4-11 鈮對含有0.05%c、1.8%mn鋼再結(jié)晶速度的影響（7） 微量元素對靜態(tài)再結(jié)晶臨界變形量的影響 圖4-13鈮對奧氏體再結(jié)晶臨界壓下率的影響（1道次）1-加熱溫度1250c，0.13%nb，晶粒度：1.7級2-加熱溫度1250c，0.03%nb，晶粒度：2.8級3-加熱溫度1150c，0.03%nb，晶粒度：2.4級4-加熱溫度1250c，不含nb，晶粒度：0.4級（8） 微量合金元素對再結(jié)晶晶粒大小的影響圖4-15 在普碳鋼和含鈮鋼中，單道次的變形量和變形溫度對再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸的影響圖4-14 鈮對熱軋1道次后的再結(jié)晶晶粒度的影響（不含鈮鋼和含0.

11、03%鈮的鋼的基本成分相同）1-加熱狀態(tài)下含0.03%nb的鋼2-加熱到1250c后壓下65%并且再結(jié)晶終了的不含鈮鋼3-加熱到1250c后壓下70%并且再結(jié)晶終了的含0.03%鈮鋼總結(jié)：鈮在奧氏體中存在形式：1)加熱時尚未溶到奧氏體中的nb(c、n)；2)固溶到奧氏中的鈮；3)加熱時溶解、軋制過程中又由奧氏體中重新析出的nb(c、n)。軋制的不同階段，其阻止奧氏體再結(jié)晶是不同的。圖4-16 含鈮鋼在變形50%以后等溫時間內(nèi)的再結(jié)晶與沉淀（0.10%c、0.99%mn、0.04%nb、0.008%n）1-100%再結(jié)晶；2-50%再結(jié)晶；3-0%再結(jié)晶；4-20%沉淀；5-50%沉淀；6-75

12、%沉淀；7-100%沉淀4.3.3 晶粒細化和沉淀硬化 圖4-5 強度和韌-脆轉(zhuǎn)變溫度與含鈮量和含鈦量的關(guān)系鈮的碳化物或氮化物和碳化鈮引起的晶粒細化和沉淀硬化。后者的強化效果與加熱時溶解的鈮或鈦的含量有關(guān)。實 驗 條 件 ： 0 . 1 0 % c 0.25%si1.50mn，加熱溫度及終軋溫度分別為1100和780，900以下的總壓下率為70。 圖4-6 0.035%nb鋼和0.15%mo-0.035%nb鋼，強度和韌-脆轉(zhuǎn)變溫度與含鈮量和含釩量的關(guān)系(1)nb：晶粒細化和中等的沉淀強化。含量萬分之幾，增大含量不會引起重大改進。(2)ti：含ti量強烈的沉淀強化 產(chǎn)品的強度 ，晶粒細化是中等的。含量高時：(3)v：中等程度的沉淀強化和較弱的晶粒細化，與它的重量百分比成正比。圖4-28 鈮和釩對20mm厚的控制軋制鋼板屈服強度和缺口韌性（用夏比v型缺口，50%纖維狀斷口轉(zhuǎn)變溫度來測量）的影響1-無nb；2-0.04%nb；3-0.08%nb；4-無v1-0.03%nb,0.15%cr,0.04%v,0.30%ni；2-0.03%nb,0.04%