耐候鋼鋼筋非調(diào)鋼

耐候鋼鋼筋非調(diào)鋼第1頁/共56頁這一期間的重要研究進展包括：第二相阻止晶粒粗化原理的提出及微合金碳氮化物用于控制奧氏體晶粒；微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積公式及微合金元素的溶解與微合金碳氮化物的沉淀規(guī)律；稀溶體中第二相的Osterwald熟化過程及微合金碳氮化物的粗化規(guī)律；微合金化元素對形變奧氏體再結晶行為的影響；微合金化鋼的控軋控冷技術；微合金化鋼中夾雜物對性能的影響規(guī)律和夾雜物改性控制技術；微合金化鋼中滲碳體或珠光體對性能的影響規(guī)律及低珠光體鋼和針狀鐵素體鋼的研制開發(fā)；微合金化鋼的組織--性能關系式與微合金化鋼設計。第2頁/共56頁20世紀80年代后是微合金化鋼的迅速發(fā)展時期，這一時期的主要工作有：復合微合金化原理；微合金碳氮化物的沉淀析出次序；高等級石油管線鋼的研發(fā)；微鈦處理奧氏體晶粒尺寸的原理及其普遍應用；微合金碳氮化物在鐵素體中的固溶度積公式及其在鐵素體中沉淀析出強化原理；第3頁/共56頁微合金化奧氏體的形變熱處理原理及控制軋制技術，特別是控制動態(tài)再結晶軋制技術的廣泛應用；微合金化鋼連鑄連軋生產(chǎn)技術；微合金化原理的系統(tǒng)理論；鋼鐵基體組織的超細化技術與超細晶粒鋼的研發(fā)；無珠光體鋼乃至無間隙原子鋼(IFSteels)的研發(fā)，特別是在汽車用鋼方面的生產(chǎn)應用；形變誘導鐵素體相變(DIFT)技術；短流程緊湊生產(chǎn)(TSCR)微合金鋼技術；高潔凈度微合金化鋼等。第4頁/共56頁國外進展及其發(fā)展趨勢：(1)微合金化技術的應用，以晶粒細化強化最為重要。晶粒細化和碳氮化物析出是微合金化鋼強韌化的基礎。鋼的組織和性能的關系以及以晶粒尺寸為主導的強度表達式，僅適于常規(guī)軋制的鐵素體－珠光體類型組織。正試圖探討涵蓋微珠光體、針狀鐵素體、超低碳貝氏體等組織類型、以碳氮化物析出等諸參數(shù)為主導的強度表達式。(2)熱機械處理(TMCP)的出發(fā)點在奧氏體調(diào)節(jié)，歸宿于γ→α的富化生核。由此把控制軋制歸納為高溫再結晶控軋和正?；剀垉深悺５谝活惪剀堜摰奈⒑辖鸹O計，主要基于對再結晶的延緩力和再結晶驅(qū)動力的影響因素的考察，主要由形變誘導機制進行的第二類控軋鋼的合金設計，構成TMCP工藝物理冶金的核心。第5頁/共56頁(3)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)工藝現(xiàn)代化對鋼的性能的影響集中體現(xiàn)在鋼的精煉、連鑄及軋后的控制冷卻，亦即鋼的潔凈化、鑄坯結構及精細組織、最終的相變動力學三者建立起了新的微合金化鋼強韌化理論。(4)復合微合金化得到了廣泛的應用。近10年來開發(fā)了高溫塑性連鑄鋼、大線能量焊接無裂紋鋼、深沖冷成形鋼、烘烤硬化鋼、抗硫化氫應力腐蝕鋼、無時效傾向橋梁鋼、低屈強比抗震鋼等一系列鋼材新品種，在鋼的性能高級化方面獲得了極大的進步。(5)已成功開拓了鈮在低碳建筑材料中的應用，在中碳鍛鋼和高碳線材中的應用，以及在合金鋼和高合金鋼中的應用。第6頁/共56頁第5章耐候鋼第7頁/共56頁耐候鋼(weatheringsteel)

又稱耐大氣腐蝕鋼(atmosphericcorrosionresistantsteel)，屬于低合金高強度鋼(抗拉強度在400MPa以上)，在大氣環(huán)境中具有良好耐腐蝕性能(是普通碳鋼的2～8倍)，還具有優(yōu)良的力學、焊接等使用性能，廣泛用于鐵路車輛、橋梁、船舶、汽車、鍋爐、建筑等。耐候鋼性能的首要要求是良好的耐大氣腐蝕性，除此之外還應有足夠高的強度、塑性和韌性、良好的強韌性結合，同時根據(jù)使用條件及加工的差異，對其成形性、耐磨性、焊接性等都有不同的要求。第8頁/共56頁

美國耐候鋼使用較多的是Cu-P-Ni-Cr系；日本的耐候鋼屬于Mn-Cu-Cr-Ni系，有時也加入Mo、V、Nb等微量合金元素；法國以銅為主、添加Mo、V元素；瑞典和俄羅斯的耐候鋼則是以Cu-Cr-Ni系為主。我國耐候鋼有兩大主要系列：Cu-P-RE系和Cu-P-Ni-Cr系，典型鋼種如09MnCuPTi、09CuPTiRE、09CuPCrNi、09CuPVRE等。這些鋼以Cu、P為主并加入了稀土元素和V、Ti、Nb等元素。第9頁/共56頁耐候鋼的合金化

鋼鐵材料大氣暴露試驗結果表明，銅和磷對耐大氣腐蝕有顯著效果，隨后發(fā)現(xiàn)鋼中Cu、P、Ni、Cr元素適量的組合，可獲得優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能。耐候鋼中的合金元素主要有兩個作用，一是確保鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能，二是提高鋼的強度和韌性，滿足使用上對力學性能的要求。耐候鋼中主要的合金元素包括Cu、P、RE以及Ti、Nb、V等微合金化元素。第10頁/共56頁銅

銅是耐大氣腐蝕鋼中對提高耐大氣腐蝕性能最主要、最普遍使用的合金元素，在普通碳素鋼中單獨添加銅也是最早使用的耐大氣腐蝕鋼。在耐候鋼中，銅含量大致為0.2%～0.5%，通常與磷配合使用，Cu、P均能濃縮在銹層中，使其致密穩(wěn)定，并能抑制鐵銹的擴展。鋼中銅對耐大氣腐蝕作用隨大氣環(huán)境不同而不同。對于不同的大氣環(huán)境條件，鋼中的銅量也有所不同。我國北方干燥大氣地區(qū)為0.15%～0.20%，南方潮濕大氣及中部工業(yè)大氣地區(qū)為0.30%～0.35%。

銅除了提高鋼的耐大氣腐蝕能力之外，還能略提高鋼的強度(因為銅能以ε相在基底上彌散沉淀析出)。由于銅為面心立方結構，既能降低鋼的冷脆轉(zhuǎn)折溫度，又能提高鋼的室溫和低溫韌性。但含銅鋼存在一個主要質(zhì)量問題，即熱脆。銅對鋼的力學性能的影響類似碳，對強度指標有利，但影響加工性能和焊接性能。

第11頁/共56頁銅對高硫和低硫鋼的大氣腐蝕率的影響銅能抵消鋼中硫?qū)δ秃蛐缘挠泻ψ饔谩ｄ撝泻蛴?，銅對降低腐蝕率的相對效果就愈明顯。第12頁/共56頁磷

磷在耐候鋼中的含量在0.04%～0.15%之間，因此也可以看作微合金化元素。磷也是合金元素中提高耐大氣腐蝕性能最有效的元素，即使單獨使用也有很好的效果，但是往往與其它合金元素，特別是與Cu、Cr等配合使用，用來提高鋼的耐大氣腐蝕性能。磷和銅同時加入鋼中，使內(nèi)銹層分帶明顯，更有利于提高鋼的耐蝕性。銅和磷的復合作用更易使銹層中形成非晶態(tài)的Fe3O4，因銅和PO43－離子共同阻止Fe3O4的結晶成長。鋼中的磷會惡化鋼的韌性，特別是劇烈降低鋼的低溫沖擊韌性。因此應控制磷上限含量為0.12%。如果按ω(P)十ω(C)≤0.25%，仍可獲得良好的可焊性，同時采用合理的生產(chǎn)工藝，能有效地控制Cu、P元素在晶界偏聚，消除銅脆造成的板卷邊裂及磷元素對鋼韌性的有害作用。第13頁/共56頁稀土在耐候鋼中的作用可以歸納為以下幾方面：(1)在耐大氣腐蝕鋼中加入RE，使鋼的內(nèi)銹層致密，而且與基體的結合力變強，不易脫離，可以阻止大氣中O2和H2O的擴散，從而降低了腐蝕速度，因此稀土主要是通過使銹層致密來增強與鋼基體的附著力，達到提高鋼的耐大氣腐蝕性能。(2)RE中的鈰可降低銅的活度，提高銅的溶解度，從而提高了銅在鋼中的利用率，RE加入含磷的鋼中，可使磷的宏觀偏析減少，在晶界和鐵素體界面上的偏聚減少30%，在鋼中的分布更合理。(3)凈化作用。稀土具有很強的脫氧、脫硫的能力以及很強的吸氫能力。與O、S主要生成RE2O2S，與Cu、P、Ti不形成化合物。稀土與氫在250～300℃可生成REH2，鋼中在300℃左右，析出的H2被RE吸收，減少游離氫。第14頁/共56頁(4)夾雜物球化變性作用。稀土能有效地使細條狀的MnS變?yōu)榍驙罨蚪咏驙畹南⊥亮蚧锘蛄蜓趸?，當?[RE])>0.005%時，硫化物夾雜能得到一定控制；當ω([RE])>0.014%時，可得到近似球形的稀土夾雜。(5)稀土能抑制樹枝晶的發(fā)展，減少硫偏析，減輕硫?qū)αW性能和耐大氣腐蝕性能的影響。(6)固溶強化和細化晶粒作用。由于稀土原子半徑比鐵大，所以微量固溶的稀土有固溶強化作用。除此之外，RE對細化晶粒也具有一定的作用。(7)改善橫向韌性和冷彎性能。稀土加入后，細條狀MnS減少，高熔點、呈球狀、與鋼基體接觸緊的RE202S及RES增多，因而阻止破裂能力大；稀土夾雜物不易形變，在軋制過程中形狀與分布改變少，降低各向異性，使鋼的橫向韌性提高，冷彎性能改善。第15頁/共56頁硅、錳、硫硅以固溶形式存在于鋼中。硅可以提高鋼的強度、疲勞極限、耐腐蝕性和耐磨性，對于低強度級別(295MPa)的耐大氣腐蝕鋼，硅含量與普碳鋼相同，以減少焊接時的飛濺。對于高強度級別(345MPa)的耐大氣腐蝕鋼，硅的含量應略高，但不應作為提高強度的主要元素。錳以固溶態(tài)存在于鋼中，起強化作用，可提高鐵素體的強度。低碳鋼中的錳對提高強度有明顯作用，因此把錳作為09CuPTiRE-A鋼達到預定強度級別的主要元素。但錳與硫易形成MnS塑性夾雜物，在熱軋時沿軋制方向拉長，惡化鋼的成形性能。另外，錳過高會使焊接性能顯著變壞，所以在考慮09CuPTiRE.-A鋼的內(nèi)控成分時將錳含量控制在0.25%～0.45%之間，并利用微合金化和控軋控冷來滿足不同強度級別要求，同時采用鈣質(zhì)處理，對MnS進行變質(zhì)處理消除MnS的危害。硫是耐候鋼中的最主要有害元素，其危害在于影響鋼的成形性、導致帶鋼力學性能的各向異性以及對耐候性的有害作用。第16頁/共56頁微合金化元素微合金化元素Ti、Nb、V加人鋼中形成極細的第二相質(zhì)點，阻礙奧氏體晶粒長大。其細化晶粒的程度，與軋制、熱處理過程中這些細質(zhì)點阻礙晶粒長大的效果有關。隨著第二相質(zhì)點數(shù)量增加、粒晶變小，晶粒細化程度愈大、強度提高，韌性、冷彎性改善。鈦的化合物除了能細化晶粒、起沉淀硬化作用外，還能降低鋼中氧含量、固定氮，顯著降低鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。鈦等微合金化元素通過細化晶粒，改善韌性，有效地消除磷對鋼的低溫沖擊韌性的惡化。鈮在耐候鋼中，同樣阻止晶粒長大，細化晶粒，提高再結晶溫度，通過控軋控冷工藝，提高耐候鋼的強度。也可以采用復合微合金化，如Ti-Nb復合微合金化，產(chǎn)生更大的強化作用。第17頁/共56頁耐候鋼的微觀組織和性能

耐候鋼研究的重點之一就是通過不斷發(fā)展的微合金化和控軋控冷技術提高其強度等級。鈮微合金化耐候鋼

09CuPTiRE鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能。然而，在傳統(tǒng)的以固溶強化為主要強化機制的理論指導下，該鋼的屈服強度僅達到345MPa級。利用形變誘導鐵素體相變超細組織控制技術，通過對09CuPTiRE鋼進行鈮微合金化并進行控制軋制和冷卻，成功開發(fā)了450MPa級超細組織耐大氣腐蝕鋼。鈮十分有利于形變誘導鐵素體相變，在相同的軋制和冷卻工藝條件下，09CuPTiRE鋼的晶粒尺寸約10μm，而加入微量鈮后，鋼板的鐵素體晶粒尺寸可細化至3μm，實現(xiàn)了組織的超細化控制。Nb、Ti微合金化耐候鋼

在09CuPCrNi實際成分控制的基礎上，分別采取Nb+Ti微合金化、超純凈化+(Nb+Ti)微合金化、超純凈化+(Nb+Ti)微合金化+控制N、O化物冶金處理等工藝方法，可使高耐候鋼組織得到顯著細化，獲得良好的強韌性匹配。在強度指標滿足高等級要求的同時，也保證了材料良好的韌性、高的耐大氣腐蝕性能以及良好的焊接性能。第18頁/共56頁第6章建筑用鋼筋第19頁/共56頁建筑用結構鋼

對建筑用熱軋帶肋鋼筋除了最基本的強度、塑性、焊接性能等要求提高之外，還要求良好的低溫性能、抗震性能等。第20頁/共56頁建筑鋼筋的微合金化

HRB335鋼采用原20MnSi牌號成分生產(chǎn)，不需要微合金化和控軋控冷即可完全滿足新標準要求。在HRB400鋼的生產(chǎn)中，主要微合金化方案有4種，分別是V、V-N、Nb和Ti微合金化。從微合金化效果、經(jīng)濟性、工藝可靠性等方面綜合考慮，企業(yè)采用較多的微合金化方案大致順序為：V-N、V、Nb、Ti。對于高于HRB400強度級別的鋼筋，則還可能采用復合微合金化方案。第21頁/共56頁

V-N、V微合金化

轉(zhuǎn)爐冶煉鋼種的氮含量為40～60ppm，采用釩微合金化(加入釩鐵合金)時，釩與鋼中的氮、碳發(fā)生反應，生成V(C,N)，通過細晶強化和沉淀析出強化提高HRB400的強度，改善了鋼的強度和韌性。同時消耗鋼中的碳，導致固溶碳量和形成珠光體的碳量下降，降低碳的固溶強化和相變強化效果。采用釩－氮微合金化(加入釩氮合金)時，鋼中氮量增加，釩的化合物V(C,N)中VN比例增加，VN析出量增大，析出顆粒尺寸更細小，析出強化作用和細晶強化作用更顯著，因此強度和塑韌性都顯著改善。加氮后，V(C,N)消耗的碳下降，增加了碳的固溶和相變的強化效果。在提高強度幅度相當?shù)那闆r下所需要的釩量，以釩氮合金加入時比以釩鐵合金加入時要少得多，可以大幅節(jié)約生產(chǎn)成本。第22頁/共56頁

鋼中增氮顯著提高了屈服強度和抗拉強度。釩鋼的屈服強度為440MPa，抗拉強度為590MPa；而釩一氮鋼的屈服強度達到560MPa，抗拉強度達到725MPa，鋼中增加約100ppm的氮，鋼的屈服強度和抗拉強度分別提高120MPa和135MPa。

氮能增加明顯細化鋼的鐵素體晶粒。釩鋼的鐵素體平均晶粒尺寸相對較大，為7.16μm，珠光體含量為34.46%；而釩一氮鋼晶粒尺寸較小，約為5.8μm，珠光體含量為43.39%。

氮提高了釩在鋼中的利用率，增加了釩的沉淀強化效果，從而提高了鋼的強度。釩鋼中V(C,N)的析出量約為0.05%，而釩一氮鋼中V(C,N)的析出量超過0.10%，比釩鋼高出一倍。第23頁/共56頁

氮在鋼中不僅增加細小析出物的數(shù)量，而且細化析出相尺寸。釩鋼的平均析出粒子尺寸為107nm，而釩一氮鋼僅為73.7nm。釩－氮鋼中1～10nm的粒子質(zhì)量分數(shù)達32.2%，而釩鋼僅為21.1%。釩鐵合金化鋼種，鋼中[V]每增加0.01%可提高12.MPa的屈服強度和9.5MPa的抗拉強度，而V-N微合金化鋼中[V]每增加0.01%則增加20MPa的屈服強度和16.3MPa的抗拉強度。

20MnSi鋼的熱軋組織晶粒度一般在7～8級左右，組織為鐵素體+珠光體+少量的魏氏組織。V-Fe微合金化HRB400的晶粒度達到8～9級，組織為鐵素體+珠光體+極少量的魏氏組織。V-N微合金化HRB400的晶粒度達到8～10級，大部分規(guī)格的鋼筋晶粒度在8.5～9.5級，小于φ10mm的小規(guī)格鋼筋的晶粒度達到10級，組織為鐵素體+珠光體+少量的魏氏組織。第24頁/共56頁鈮微合金化

鈮對鋼筋的強化通過3個階段的作用實現(xiàn)。在鋼水凝固期，先期析出的NbC、Nb(CN)微小彌散質(zhì)點，有利于形成較細小的等軸鑄造組織，并在加熱過程中抑制奧氏體晶粒長大；在奧氏體區(qū)熱形變過程中，Nb(CN)通過釘扎機制細化奧氏體晶粒，并進而細化鐵素體晶粒；在相變鐵素體中析出的Nb(CN)，極為細小(約1～2nm)，產(chǎn)生強烈的沉淀強化。鈮微合金化生產(chǎn)HRB400鋼筋中鈮的質(zhì)量分數(shù)為0.026%～0.034%，鈮合金的收得率達到92%，鋼坯均熱溫度1180～1230℃、開軋溫度1110～1180℃、終軋溫度980～1050℃，軋后采用空冷冷卻方式。鋼筋顯微組織為鐵素體+珠光體+貝氏體；晶粒度級別：φ20mm鋼筋為9.0--9.5級，φ25mm鋼筋為11級；σs：415～465MPa、σb=570～670MPa；塑性、焊接性能良好。第25頁/共56頁復合微合金化

對于比HRB400強度等級高的建筑鋼筋，如HRB500、BS460等，可以采用復合微合金化的方法提高強度。在生產(chǎn)此類鋼時，增加微合金含量，進一步加強析出強化和細晶強化效果。高強度等級的鋼筋組織主要是鐵素體+珠光體，有時在軋后空冷下，也形成部分粒狀貝氏體，發(fā)揮粒狀貝氏體組織的強化作用。由于粒狀貝氏體具有良好的強韌性，在提高鋼筋強度的同時，少量的粒狀貝氏體對塑韌性沒有明顯的影響，也能保證鋼筋焊接后的力學性能。在生產(chǎn)高強度等級建筑鋼筋時，采用V-N及V-Nb的微合金化方案比較多。第26頁/共56頁建筑鋼筋的生產(chǎn)

對于高強度等級建筑鋼筋，提高強度的關鍵因素是合理的微合金化及軋制工藝。軋制工藝參數(shù)中，均熱溫度對微合金化元素的溶解及奧氏體原始尺寸有影響，軋制溫度影響奧氏體的再結晶和晶粒長大、析出物的尺寸、分布，終軋溫度對晶粒細化也有影響。但在實際生產(chǎn)中，在連續(xù)軋制過程中，鋼溫下降有限，甚至可能是升溫軋制。因此應平衡考慮軋制溫度。軋后冷卻速度對鋼筋組織和性能的影響顯著，隨著冷卻速度升高，強度上升。一般情況下，鋼筋熱軋后的冷卻采用空冷或者風冷方式，不宜采用大強度的穿水冷卻等方式進行軋后冷卻。第27頁/共56頁第7章微合金化非調(diào)質(zhì)鋼

第28頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼（non-quenchedandtemperedsteel)

指在制造和應用過程中，通過采用微合金化、控制軋制(鍛造)和控制冷卻等強韌化方法，取消調(diào)質(zhì)熱處理，能夠達到或接近調(diào)質(zhì)鋼性能的優(yōu)質(zhì)或特殊質(zhì)量鋼。非調(diào)質(zhì)鋼的種類：鐵素體+珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼（鐵素體+貝氏體）型非調(diào)質(zhì)鋼貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼（貝氏體+馬氏體）型非調(diào)質(zhì)鋼馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼非調(diào)質(zhì)鋼主要特點在于：節(jié)能、省略熱處理、生產(chǎn)周期短、硬度分布均勻、抗拉強度和疲勞強度與同等級的調(diào)質(zhì)鋼相當、沒有調(diào)質(zhì)處理過程中的彎曲形變和淬裂廢品等第29頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼的微合金化合金元素的基本作用

錳、鉻、鉬等合金元素，它們的作用除與在普通合金鋼中相同的作用之外，還通過降低相變溫度來細化晶粒，并細化相變過程中或相變后析出的微合金碳氮化物；這些元素都具有固溶強化作用，提高非調(diào)質(zhì)鋼的強度。硅能促進鐵素體形成，并有一定的細化晶粒的作用，能改善鐵素體一珠光體的韌性；錳、鉻、鉬等能降低相變溫度、細化鐵素體晶粒、減小珠光體片間距，并細化相變過程中或相變后析出的微合金碳氮化合物，使韌性有所增加。錳、鉬能有效地推遲高溫珠光體轉(zhuǎn)變，促進貝氏體形成；對于碳含量較低、錳和硅含量較高的鐵素體一珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼，可以通過加入少量鉬獲得針狀鐵素體(一種鐵素體呈板條狀的類貝氏體)的方法改善韌性。第30頁/共56頁微合金元素釩、鈦、鈮在非調(diào)質(zhì)鋼中的作用：

奧氏體中未溶解的微合金碳氮化物質(zhì)點釘扎晶界，阻止奧氏體晶粒長大；通過應變誘導析出的微合金碳氮化物沉淀在晶界和位錯上，起釘扎作用，阻止再結晶和位錯的運動，抑制或阻止回復、再結晶過程的進行；微合金元素的碳氮化物起沉淀強化作用；釩、鈦、鈮等強碳化物形成元素能固定鋼中的一部分碳而導致碳含量的變化，鋼的組織、形態(tài)及分布也將受到影響；固溶于鋼中的微合金化元素提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低轉(zhuǎn)變的溫度，改變鋼的顯微組織，從而對鋼的性能產(chǎn)生顯著影響。在細化晶粒上，復合微合金化比單獨添加微合金化元素的效果更顯著。第31頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼中的釩

VC在奧氏體區(qū)不能析出，呈完全溶解態(tài)。釩微合金化鋼不能實行非再結晶控軋，釩可形成VN，細化奧氏體γ→α相變后的鐵素體、珠光體組織。在低碳鋼中，形成釩的氮化物的最佳溫度為900℃，作為再結晶控軋空間很小。當V/N比達到理想化學配比(V/N=3.64)時，釩能最大程度地析出，增強沉淀強化效果。偏離此配比越大，固溶含量越高。

VN大量沉淀會使韌性損失，采用Nb-V-Ti復合微合金化較合適。第32頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼中的鈦

鈦是很強的氮化物、碳化物形成元素，鈦的氮化物在接近凝固前或凝固過程中形成。鈦、氮含量越低，形成TiN的溫度越低，顆粒尺寸越小，而且均勻彌散分布，可以成為液態(tài)結晶核細化原始晶粒，還可以阻止再加熱時晶粒長大。鈦含量足夠多時，還可在奧氏體區(qū)內(nèi)形成TiC，對形變奧氏體再結晶起“釘扎”作用。第33頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼中的鈮

鈮的碳氮化物在軋鋼時可以“釘扎”晶界，阻止晶粒長大。固溶鈮由于其原子半徑比鐵大得多，在晶界富集濃度可達到1.0%以上(原子比)，而晶內(nèi)較低，使鈮具有強烈的“拖拽”晶界移動的能力。這兩種作用讓鈮具有阻止晶粒長大的最佳效果，使鋼在1100～900℃之間的熱加工的道次之間，不發(fā)生再結晶，可以累加形變量，奧氏體晶粒達到高形變延伸而成薄“鐵餅”狀，在γ→α轉(zhuǎn)變時為α形核提供大量晶界面。相變后的鐵素體細化程度決定于γ晶粒的非再結晶形變度，Nb(C,N)的“釘扎”作用和鈮原子的“拖拽”作用，使控軋控冷效果最佳。

Nb(C,N)顆粒尺寸越細，強度增量越大。固溶鈮是析出Nb(C,N)的組分，由終軋溫度控制，鈮的質(zhì)量分數(shù)為0.05%的鈮鋼，在終軋溫度1000℃以上時，均有一部分鈮固溶，可供相變或相變后析出產(chǎn)生進一步強化。超低碳的鈮鋼在終軋溫度下有大量固溶抑制γ→α相變，抑制二次(先共析)鐵素體析出，可以發(fā)生γ→B轉(zhuǎn)變。第34頁/共56頁硼在非調(diào)質(zhì)鋼中的作用

主要是增大貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的范圍，在軋制緩冷的條件下，這類非調(diào)質(zhì)鋼常常表現(xiàn)出非常好的強韌性。非調(diào)質(zhì)鋼中的鋁

鋁的氮化物和V、Ti、Nb的氮化物有相似的影響，但析出條件和產(chǎn)生的效果與其它元素相比存在一定差異。

AIN具有沉淀強化和細晶強化作用，但由于A1N在低溫下的過飽和鐵素體中形核較困難，因此其沉淀強化作用沒有細晶強化對強度的貢獻顯著。非調(diào)鋼中的稀土

稀土元素在鋼中的作用除凈化鋼水(如降低硫含量)、改變鋼中殘留夾雜物(如硫化錳)形態(tài)、脫氫等作用；稀土在鋼中晶界的偏聚能抑制硫、磷等低熔點夾雜在晶界的偏析，并能與這些夾雜形成高熔點的化合物，消除低熔點夾雜的有害影響，凈化和強化晶界，阻礙晶間裂紋的形成和擴展；鋼中細小彌散的稀土氧化物（如CeO2或者Ce203)，可以作為結晶核心而細化鑄態(tài)晶粒，還可以提高晶界對位錯運動的阻力，從而提高鋼的強度和韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度等。第35頁/共56頁鐵素體－珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼

應用于結構件的熱鍛F+P型非調(diào)質(zhì)鋼，因強度高、價格便宜，得到了最廣泛的應用，常用來代替部分40、40Cr、40MnB、45、50等結構鋼，使用最多的汽車零件是曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪載等。德國汽車行業(yè)中曲軸、連桿、前軸、半軸等鍛件70%以上采用非調(diào)質(zhì)鋼制造；日本目前汽車制造業(yè)中75%的連桿、90%的曲軸采用了非調(diào)質(zhì)鋼；瑞典Volvo汽車制造廠每年約耗25000多噸非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車零件。早期的非調(diào)質(zhì)鋼大多用釩(僅巴西用鈮)微合金化，制品從鍛造溫度直接在空氣中冷卻，通過析出碳化釩來實現(xiàn)強化。鋼的組織為鐵素體－珠光體，抗拉強度大于770MPa，屈服強度大于540MPa，而室溫夏比V缺口韌性為7～14J，脆性轉(zhuǎn)變溫度在室溫以上。第36頁/共56頁鐵素體－珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼提高強度和韌性的主要技術手段晶粒細化法

對于熱鍛狀態(tài)下使用的鐵素體－珠光體型鋼，晶粒細化的最有效方法是在加熱時防止奧氏體晶粒粗化。為此，在進行熱鍛或者熱軋之前的加熱時，為防止晶粒粗化，在鋼中添加鋁和鈦等元素，通過析出AlN和TiN來釘扎γ晶界是非常有效的措施。經(jīng)微鈦處理的各種強度水平的非調(diào)質(zhì)鋼，沖擊韌性的韌脆轉(zhuǎn)變溫度平均下降40℃以上。另外還發(fā)現(xiàn)連鑄非調(diào)質(zhì)鋼采取微鈦處理，能更加有效地提高韌性。這是因為連鑄坯中析出的TiN顆粒更細小，阻礙奧氏體晶粒長大的效果更顯著。溫鍛非調(diào)質(zhì)鋼(化學成分(質(zhì)量分數(shù))為：0.25%~0.6%C、0.1%~1.0%Si、1.0%~2.0%Mn、0.0l%~0.06%Al、0.3%~1.0%Cr、Ti<0.1%或Nb<0.1%)在低于Ac3溫度終鍛加工后具有微細的鐵素體－珠光體組織，其抗拉強度可達800MPa，沖擊值達90J／cm2，伸長率在20%以上，強度、韌性和塑性比常規(guī)工藝生產(chǎn)時顯著提高。第37頁/共56頁促進晶內(nèi)鐵素體(IGF)形成的技術

非調(diào)質(zhì)鋼鍛件在冷卻過程中發(fā)生相變時，如果沿珠光體晶粒形成網(wǎng)狀鐵素體就會嚴重損害鋼的韌性。晶內(nèi)鐵素體形成的主要原理是：首先控制氧化物夾雜，然后控制硫化物夾雜及碳氮化物的析出，以促進IGF在奧氏體晶內(nèi)的形核和長大，從而增加鐵素體的體積分數(shù)，并明顯細化鐵素體晶粒。通過控制冶金工藝，在奧氏體晶內(nèi)提供大量鐵素體形核位置，在相變時鐵素體不僅在晶界上形核，也能在奧氏體晶內(nèi)形成，分割奧氏體晶粒，形成細小且均勻的等軸鐵素體。鋼中彌散分布的細小MnS顆粒是良好的IGF形核位置，同時在MnS周圍形成的貧錳區(qū)因淬透性降低也能起到促進鐵素體形成的作用，能顯著改善韌性。第38頁/共56頁

要獲得IGF，終脫氧前鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)要控制在(30～40ppm)，硫的質(zhì)量分數(shù)控制在0.06%左右，形成MnS夾雜，促進IGF的析出。同時鋼中要有一定的釩(質(zhì)量分數(shù)一般為0.12%)和氮(質(zhì)量分數(shù)約為0.02%)，VC、VN是IGF的形核核心。強脫氧元素(鋁)的氧化物A12O3，決定弱脫氧元素的氧化物MnO、FeO等，通過脫氧程度最佳化，可使大多數(shù)細小的MnS顆粒彌散分布，VN以MnS夾雜顆粒為形核核心，促進IGF的形成。當鋼中Al(sol)含量(質(zhì)量分數(shù))在0.01%～0.03%時，形成的MnS顆粒直徑最細小，數(shù)量最多。因此在冶煉過程中要調(diào)整鋼中Al(sol)含量在此范圍內(nèi)，以獲得最理想的形核核心。第39頁/共56頁MnS+V(C,N)與晶內(nèi)鐵素體第40頁/共56頁油井管用V-Ti-N非調(diào)質(zhì)鋼化學成分：Fe–0.35C–0.28Si–1.56Mn–0.14Cr–0.13Cu–0.11V–0.017Ti–0.011N.熱加工工藝示意圖600℃900℃第41頁/共56頁第42頁/共56頁管坯穿管后冷卻到600℃900℃再加熱最終產(chǎn)品最終產(chǎn)品整個工藝過程中MC碳化物的溶解-析出行為第43頁/共56頁貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼

貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼一般碳含量低、韌性好、強度高，尤其是在韌性上顯著高于其它碳氮化物強化的微合金非調(diào)質(zhì)鋼，而在強度上遠高于鐵素體一珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼，能很好地用于各類較大強度載荷及高耐疲勞的結構件上，如軸、連桿、油井抽油桿等。在中碳鋼基礎上降碳、添加擴大貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域的元素(如B、Mo、Cr、Mn等)、用微合金化元素細化晶粒，再通過控冷得到的貝氏體組織非調(diào)質(zhì)鋼強度可達1200MPa，低碳貝氏體鋼的強韌性超過IGF鋼。第44頁/共56頁影響貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼強度的主要因素：

(1)貝氏體鐵素體尺寸。條束就相當于控制強度的“有效晶粒”，條束尺寸對強度的影響也遵循Hall-Petch關系。對于條束狀貝氏體，條束對斷裂的阻礙作用是主要的，奧氏體晶粒對強化也起作用，但處于次要地位。

(2)微合金化合物的沉淀析出。對于粒狀貝氏體，其鐵素體基體上分布的M/A島等第二相組織的分布、尺寸和數(shù)量，對鐵素體基體的強度也有同樣的影響。

(3)貝氏體鐵素體內(nèi)的位錯和亞晶。鐵素體內(nèi)的位錯可能與協(xié)作切變相變和碳化物沉淀有關，位錯密度很高時會形成亞晶界。位錯密度越高及亞晶尺寸越小，貝氏體的強度也越高。

(4)固溶強化。其中間隙固溶強化以碳原子在鐵素體中的固溶強化為主，因氮原子與微合金化元素的結合力較強，一般很少以固溶形式存在。碳原子固溶數(shù)目也很有限，其強化作用實質(zhì)上是氣團與位錯交互作用的結果。Mn、Si、Cr等的置換固溶也起到強化作用。第45頁/共56頁低碳含釩、鈦等貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼

第46頁/共56頁含硼低碳貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼第47頁/共56頁低碳復合微合金化高強韌貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼

第48頁/共56頁FT15鋼的CCT曲線第49頁/共56頁貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼20CrMnMoV的光學顯微組織(a)未回火,(b)350℃回火,(c)450℃回火，(d)600℃回火.第50頁/共56頁強度隨回火溫度變化的曲線殘余奧氏體含量隨回火溫度變化曲線第51頁/共56頁貝氏體鐵素體板條,原奧氏體晶界上