材料加工組織性能控制第四章課件

4.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)(B)。

2)置換元素：硅(Si)、錳(Mn)、鉬(Mo)、銅(Cu)、鎳(Ni)(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)?？刂其摰乃苄?。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：抑制再結晶及再結晶后的晶粒長大；(3)低溫：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點導入奧氏體基體中，由于質點和晶界發(fā)生相互作用，第二相質點通常存在于晶界上，一部分晶界被質點所取代，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）受到來自質點的阻力。圖4-2晶粒尺寸與加熱溫度的關系特點：（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（再結晶軋制，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:控制軋制就是應用這種微細的Nb(C、N)析出質點固定亞晶界而阻止奧氏體晶粒再結晶，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）在鐵素體內相變后內剩余的固溶鈮繼續(xù)析出，質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)奧氏體向鐵素體轉變過程中1)碳氮化物在和中的溶解度不同相變后，產生快速析出。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點也小。析出時間長質點長大。(2)變形溫度圖4-7溫度-時間-沉淀動力學曲線、形變對沉淀動力學的影響規(guī)程1：在再結晶區(qū)變形、發(fā)生了再結晶規(guī)程2：附加有未再結晶區(qū)變形、未發(fā)生再結晶1）析出量相等時，未再結晶區(qū)軋制所需時間短。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4-8鈮鋼經50%變形后在900C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0.10%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，當含量達到0.16%時則趨于穩(wěn)定，粗化溫度不再提高。4.3.2再結晶的延遲(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，會延遲回復和再結晶的發(fā)生。（2）溫度的作用圖4-12含鈮或不含鈮的0.002%C-1.56%Mn鋼的軟化行為與溫度的關系而對于含鈮鋼，隨溫度的下降，再結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4-150.002%C鋼、0.002%C-0.097%Nb鋼和0.019%C-0.095%Nb鋼的再結晶-速度-溫度-時間和沉淀析出-溫度-時間曲線的疊加溶質鈮只有在應變誘發(fā)沉淀出現(xiàn)時，才能起到延遲回復和再結晶作用。圖4-3中的靜態(tài)再結晶動力學(a)Si-Mn鋼；(b)含0.04%Nb的鋼預應變?yōu)?.50圖4-4中的靜態(tài)再結晶動力學含0.08%Ti的鋼；(b)含0.10%V的鋼變形溫度900C預應變?yōu)?.50（4）微量元素對動態(tài)再結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變形時真應力-真應變曲線（6）微量元素對再結晶速度的影響圖4-11鈮對含有0.05%C、1.8%Mn鋼再結晶速度的影響（7）微量元素對靜態(tài)再結晶臨界變形量的影響

圖4-13鈮對奧氏體再結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級圖4-16含鈮鋼在變形50%以后等溫時間內的再結晶與沉淀（0.10%C、0.99%Mn、0.04%Nb、0.008%N）1-100%再結晶；2-50%再結晶；3-0%再結晶；4-20%沉淀；5-50%沉淀；6-75%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-脆轉變溫度與含鈮量和含鈦量的關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。實驗條件：0.10%C—0.25%Si—1.50％Mn，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4-60.035%Nb鋼和0.15%Mo-0.035%Nb鋼，強度和韌-脆轉變溫度與含鈮量和含釩量的關系(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%V,0.20%Cr,0.20%Cu；3-0.03%Nb,0.04