先進(jìn)鋼鐵材料及其制備加工技術(shù)3

先進(jìn)鋼鐵材料及其制備加工技術(shù)2011年9月第三章微合金化技術(shù)微合金化元素及發(fā)展歷史微合金化元素在鋼中的存在形式及其作用控制軋制和控制冷卻技術(shù)微合金鋼和微合金化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用HSLA鋼工藝技術(shù)的新進(jìn)展3.1微合金化元素合金化的物理本質(zhì)是通過元素的固溶和固態(tài)反應(yīng)，影響組織和微結(jié)構(gòu)，從而在金屬中獲得期望的性能?！拔⒑辖鸹保哼@些元素在鋼中含量很低，通常低于0.1%，但不同于不需要的殘余元素，而是有目的的加入，以改善鋼材的性能。在鋼中實(shí)際可利用的微合金碳氮化物也主要是釩、鈦、鈮有效合理利用微合金化元素，可以通過形變熱處理來提高高強(qiáng)度低合金鋼的強(qiáng)度和韌性。因此，理解這些元素的基本行為，如溶解性、碳氮化物的析出及對(duì)奧氏體的延遲等是非常重要的。微合金化技術(shù)的應(yīng)用各種微合金化元素應(yīng)用的年代1801年發(fā)現(xiàn)Nb，但真正將Nb作為微合金元素應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)在1965年微合金化元素

微合金化的歷史元素含量%國(guó)家日期屈服強(qiáng)度N/mm2釩釩鈮鈮鈦0.1-0.20.10.02-0.030.005-0.050.1-0.2美國(guó)德國(guó)美國(guó)英國(guó)德國(guó)191619451959年前19591921275~345>390325~115350~425260~550

Nb的發(fā)現(xiàn)及其兩次命名史1801年11月26日英國(guó)化學(xué)家CharlesHatchett發(fā)現(xiàn)并命名為Columbus-鈳.1802年12月瑞典化學(xué)家愛克伯又發(fā)現(xiàn)一新金屬，命名為鉭金屬－Tantalum，寓意“旦塔勒斯”神的苦惱。1809年化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鈳和鉭的性質(zhì)極其相似，難以辨認(rèn)又經(jīng)常伴生在一起，對(duì)鉭和鈳是二種不同的還是同一種元素問題發(fā)生了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)35年的爭(zhēng)論。1844年，德國(guó)化學(xué)家羅斯（H.Rose）的研究證明：鉭和鈳是二種不同的元素。他以為又發(fā)現(xiàn)一種新元素，其性質(zhì)和鉭又很相近，并把它以希臘神話中旦塔勒斯神女兒的名字尼俄伯（Niobe）命名為鈮－Niobium。1865年，,經(jīng)過許多科學(xué)家的努力，才驗(yàn)證了鉭和鈮是二種不同的元素，并首先測(cè)定了鉭和鈮的原子量。1903年，美國(guó)波士頓從鉭鈮礦中用化學(xué)法萃取分離，得到純度高于99%的鉭和鈮金屬。1951年國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)命名委員會(huì)，正式?jīng)Q定統(tǒng)一采用鈮作為該元素的名稱－Niobium，

鈮的名字來于希臘神話，旦塔勒斯神的女兒尼俄伯是眼淚女神。尼俄伯的眼淚成為冶金工作者的喜悅之淚。作為微合金化元素，鈮是進(jìn)步和成就的象征－對(duì)鈮的科學(xué)技術(shù)未來發(fā)展予示著一個(gè)好的預(yù)兆。1801年英國(guó)化學(xué)家查里斯，哈契特首次發(fā)現(xiàn)鈮元素1925年,鈮首次在工具鋼中加鈮代替部分鎢W1933年,鈮首次在奧氏體不銹鋼做晶間穩(wěn)定化元素1940年代,鈮首次被用于高溫合金生產(chǎn)汽輪機(jī)部件1954年，在巴西ARAXA發(fā)現(xiàn)巨大燒綠石鈮礦資源1957年，美國(guó)第一次成功試驗(yàn)生產(chǎn)了含鈮管線鋼中厚鋼板和寬帶鋼材1959年，美國(guó)鎳公司合金部正式宣布含5.5%Nb的718高溫合金的誕生1959年，英國(guó)做了含鈮0.015%的中厚板的實(shí)驗(yàn)，并生產(chǎn)了470兆巴強(qiáng)度的含鈮的鋼梁1963年，倫敦,“碳鋼的冶金技術(shù)發(fā)展”國(guó)際會(huì)議-第一次鈮鋼學(xué)術(shù)會(huì)議。1965年,巴西,CBMM公司開始為世界鋼鐵工業(yè)提供的標(biāo)準(zhǔn)鈮鐵1960年代，歐美等國(guó)在試驗(yàn)室進(jìn)行控制軋制（CR）技術(shù)的研究開發(fā)1963年，瑞典人Norén先于美國(guó)船結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)第一次使用“微合金化元素”這個(gè)詞。1970年，紐倫堡,“高強(qiáng)度低合金鋼”國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議1972年，克利夫蘭,“低碳鋼加工和性能”國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議--會(huì)議強(qiáng)調(diào)鋼中大力降碳的趨勢(shì)，確認(rèn)鈮作為微合金化元素的重要地位，1970年代，歐美日等國(guó),采用Nb微合金化和控制軋制(CR)技術(shù)生產(chǎn)X52-X60-65管線鋼1975年，華盛頓,“微合金化‘75”

國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議–微合金化技術(shù)發(fā)展的里程碑1977年,CBMM在英國(guó)倫敦材料學(xué)院設(shè)立“查理斯,哈切特鈮科學(xué)技術(shù)的優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”鈮在微合金化技術(shù)的發(fā)展史相關(guān)的一些重要事件(1)1980年代，歐美日等國(guó),加速冷卻技術(shù)(ACC)在高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用,1981年,舊金山,CBMM主辦的一次“鈮”-國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議”1983年，費(fèi)城-“高強(qiáng)度低合金鋼“國(guó)際會(huì)議-會(huì)議對(duì)HSLA鋼和微合金化鋼(MA)術(shù)語是同義詞達(dá)成共識(shí)1985/90/95/2000/2005年，北京-“HSLA鋼-冶金與應(yīng)用”國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議1990/1994/2000年,德國(guó)/日本/美國(guó),三次“IF鋼”國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議1995年,匹茲堡,“微合金化‘95”

國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議1980－1990年代，歐美日等國(guó),在線直接淬火（DQ）技術(shù)的廣泛應(yīng)用1988/1997/2000/2003/年，惠靈頓等地召開四次-Thermec’97國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議1998年，德國(guó).阿亨-“冷加工用現(xiàn)代低碳與超低碳薄板鋼”國(guó)際會(huì)議1998年，SanSebastian,“鋼中微合金化技術(shù)”國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議-提出21世記技術(shù)發(fā)展新方向2001年,奧蘭多,“鈮-科學(xué)與技術(shù)”國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議2002年，巴西-ARAXA,“鈮在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用”國(guó)際會(huì)議2003年，巴西,ARAXA,“HTP高溫軋制工藝技術(shù)”國(guó)際會(huì)議

-低碳高鈮(0.03%C-0.09%Nb)-X80抗H2S管線鋼2005年11，巴西ARAXA,“含鈮微合金化鋼在汽車工業(yè)的應(yīng)用”國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議鈮在微合金化技術(shù)的發(fā)展史相關(guān)的一些重要事件(2)鈮的應(yīng)用領(lǐng)域鈮是高技術(shù)高附加值鋼材的重要合金化元素60-70年代，鋼鐵工業(yè)為應(yīng)對(duì)OPEC引發(fā)的能源危機(jī)，首先在管線鋼中采用鈮微合金化技術(shù)，并很快擴(kuò)展到其他HSLA鋼的板帶材。1980年以后，微合金化技術(shù)擴(kuò)展到熱處理長(zhǎng)型材產(chǎn)品：棒線，型材，鍛件，調(diào)質(zhì)鋼及鑄鋼等。并開發(fā)了微合金非調(diào)質(zhì)鋼等新型鋼材品種。InnovateRespectCompete鈮鐵應(yīng)用領(lǐng)域在不斷發(fā)展（歐洲）世界鈮的需求量在增長(zhǎng)（Nbx1.000噸)Fe－Nb在主要鋼鐵國(guó)家的消耗強(qiáng)度，克／噸粗鋼，中國(guó)鋼鐵工業(yè)2004年為13克／噸粗鋼，2005年上半年上升到23.7克／噸粗鋼

鞍鋼，寶鋼，武鋼，舞陽等鋼廠的Nb-Fe消耗強(qiáng)度已接近國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家水平中國(guó)2004年2005年日本[Japan]汽車用鋼

50.4%[Automobile]其它

17.9%

Others]工具鋼

9.8%[ToolSteel]管線鋼

9.7%[Linepipe]熱處理的鋼12.2%[HeatTreated]德國(guó)[Germany]工具鋼

29.9%

[ToolSteel]鑄鋼

3.6%[Castings]不銹鋼

0.4%[Stainless]結(jié)構(gòu)鋼

30.3%

[Structural]高速鋼

4.1%[HighSpeed]碳素鋼

29.0%[CarbonSteel]不銹鋼&耐熱鋼

2.4%[Stainless&HeatResistant]

低合金高強(qiáng)度鋼

34.0%[HSLA]合金鋼

29.5%[FullAlloy]工具鋼

5.3%[ToolSteel]鋼

[Steel]91.5%其它

[Other]8.5%釩在鋼鐵材料領(lǐng)域中的應(yīng)用－91.5%用于鋼鐵工業(yè)日本世界釩消耗/生產(chǎn)噸鋼，公斤／噸鋼[VanadiumConsumption/TonneofSteelProduced]0.020.040.060.0819701980199020002010年

[Year]公斤釩/噸鋼[kgV/TonneSteel]

西方

['West‘]世界[World]注意：西方=除中國(guó)，蘇聯(lián)，東歐以外的世界其它國(guó)家[N.B.‘West’=WorldlessChina,RussiaandEasternEurope]中國(guó)2004年釩單位消耗量為40.1克／噸鋼中國(guó)世界釩的消耗在增長(zhǎng)[VanadiumConsumption]0500010000150002000025000300003500040000450005000019701980199020002010年

[Year]釩的消耗，噸[VanadiumConsumed,Tonnes]西方

['West‘]世界

[World]注意：西方=除中國(guó)，蘇聯(lián)，東歐以外的世界其它國(guó)家[N.B.‘West’=WorldlessChina,RussiaandEasternEurope]中國(guó)2004年共消耗金屬釩1.08萬噸，占世界總消耗量的1／53.2微合金化元素在鋼中的存在形式

及其作用Nb、V、Ti在鋼中存在形式有兩種：固溶和化合物其中，化合物形態(tài)有兩種（1）未溶的化合物（一般為Nb/Ti的化合物），其尺寸較大，對(duì)晶粒細(xì)化作用不大；（2）加工過程中及冷卻過程中析出的化合物，高溫析出時(shí)能夠抑制再結(jié)晶并阻止晶粒長(zhǎng)大，低溫析出起沉淀強(qiáng)化作用。固溶微合金元素作用：溶質(zhì)“拖曳”微合金元素化合物作用：“釘扎”晶界、阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)微合金碳氮化物一般認(rèn)為，Nb、V、Ti的碳化物和氮化物都是面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)相差很小，彼此可以互溶。因此，微合金碳、氮化物可以以復(fù)合形態(tài)存在。

理想化學(xué)配比的Nb、V、Ti的碳化物和氮化物點(diǎn)陣常數(shù)：化合物NbCNbNTiCTiNVCVN點(diǎn)陣常數(shù)nm0.447020.43900.432850.42400.41900.4090碳氮化物的晶格常數(shù)直接影響沉淀強(qiáng)化效果微合金化技術(shù)微合金碳氮化物作用

阻止奧氏體再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大基體中析出，起沉淀強(qiáng)化的作用固定碳和氮，減弱（甚至消除）其對(duì)塑韌性的危害。根據(jù)沉淀強(qiáng)化的Orowan機(jī)制，微合金碳氮化物沉淀強(qiáng)化，其強(qiáng)化效果基本正比于微合金碳氮化物顆粒體積分?jǐn)?shù)的二分之一次方并大致反比于顆粒尺寸，微合金碳氮化物顆粒的尺寸的影響遠(yuǎn)大于其體積分?jǐn)?shù)的影響，顆粒尺寸越小，沉淀強(qiáng)化效果越好。

微合金元素在鋼中的固溶度微合金碳氮化物能否在鐵基體中保持固溶的狀態(tài)，由特定的固溶度積來確定。當(dāng)固溶的合金元素很少時(shí)，碳氮化物MpCq在固溶體中的固溶度積可用下述公式來相當(dāng)準(zhǔn)確地表述：式中，[]符號(hào)表示某元素處于固溶態(tài)的重量百分?jǐn)?shù)，T為絕對(duì)溫度，A/B為常數(shù)，且B為正值。分析碳氮化物在奧氏體中固溶度的方法人們采用各種方法研究得到在奧氏體中的固溶度積公式，僅碳化鈮在奧氏體中的固溶度積公式就有十多個(gè)。主要采用的方法有以下六種：（A）熱力學(xué)計(jì)算（B）析出物的化學(xué)相分離（C）氣體平衡法（D）硬度測(cè)量法（E）統(tǒng)計(jì)處理已有溶度積結(jié)果（F）原子探針直接測(cè)量法等。常見微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積比較NbC、NbN與AlN、VN、TiC的固溶度積相差不大；TiN固溶度積最小，約小3個(gè)數(shù)量級(jí)；VC固溶度積最大，約大2個(gè)數(shù)量級(jí)。鈮的碳化物和氮化物在奧氏體中的固溶度相差不大微合金碳氮化物在鐵素體中的固溶度積一般，合金元素在奧氏體中的溶解度比在鐵素體中要高。由于微合金元素在鐵素體中的溶解度過于微小，試驗(yàn)中難以準(zhǔn)確測(cè)定，故只能采用熱力學(xué)數(shù)據(jù)推導(dǎo)微合金碳氮化物在鐵素體中固溶度積公式。常見微合金碳氮化物在鐵素體中的固溶度積公式組系溶度積Ti-CV-CV-NNb-CNb-N800℃常見微合金碳化物

在奧氏體和鐵素體中溶解度極限的比較碳化物NbCTiCVC溶度積奧氏體中鐵素體中奧氏體中鐵素體中奧氏體中鐵素體中[M][C]×1048.9×10-54.5×10-61.7×10-43.0×10-57.9×10-31.1×10-3微合金化元素的作用

Nb、Ti、V等微合金化元素對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)的影響基本作用

固溶作用

偏聚作用

與C、N、S、P的交互作用和固定它們的作用

沉淀次生作用

硫化物形狀控制

晶粒細(xì)化

沉淀強(qiáng)化

熱影響區(qū)（HAZ）韌性控制

淬硬性提高

IF狀態(tài)

再結(jié)晶控制

織構(gòu)的發(fā)展

晶界強(qiáng)化

在搪瓷時(shí)成為H陷阱

在鍍鋅時(shí)控制擴(kuò)散主要產(chǎn)品熱軋的冷軋的微合金熱軋后析出強(qiáng)化正火后析出強(qiáng)化影響熱軋過程的再結(jié)晶正火時(shí)細(xì)化晶粒高溫奧氏體化過程中細(xì)化晶粒影響熱軋后的相變特性釩碳化釩氮化釩碳化釩--氮化釩----鈮碳氮化鈮--鈮碳氮化鈮碳氮化鈮--鈮鈦碳化鈦碳化鈦--碳化鈦氮化鈦--微合金化元素的作用及應(yīng)用

三種微合金化元素作用對(duì)比

鈮、釩、鈦、鋁對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響Ti顯著提高晶粒粗化溫度，對(duì)控制奧氏體晶粒長(zhǎng)大最有效三種微合金化元素作用對(duì)比Nb對(duì)非再結(jié)晶控軋起有效作用，V鋼容易實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶控軋

細(xì)化晶粒作用

金屬組織細(xì)化對(duì)強(qiáng)度的影響鈮，釩，鈦析出強(qiáng)化增量的比較圖：總結(jié)了微合金化元素Ti,V,Nb在鐵素體中產(chǎn)生的析出強(qiáng)化潛力對(duì)比。共格質(zhì)點(diǎn)和鐵原子之間的晶格常數(shù)差別越大，在碳氮化物析出質(zhì)點(diǎn)周圍產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)也越大。和V相比，要達(dá)到相同的強(qiáng)化效果用1/2的鈮就可以了。加工變形可促進(jìn)析出傾向。NbC的最大析出強(qiáng)化效果是在低碳鋼中或高溫?zé)峒庸ず蟛拍軐?shí)現(xiàn)。溶于奧氏體中的釩則可以在鐵素體中產(chǎn)生佷強(qiáng)的析出強(qiáng)化效果。Nb,V,Ti復(fù)合微合金化的鋼中，化合物的尺寸和成分差異很大。共格析出鈮鈦釩微合金化元素對(duì)再結(jié)晶的推遲作用鈮是提高奧氏體再結(jié)晶溫度的最有效微合金化元素。鋼中碳含量越低，鈮的溶解度越大，隨著鋼中固溶鈮含量增加，可在較高的溫度下推遲奧氏體的再結(jié)晶，控制軋制可在高溫未再結(jié)晶區(qū)和低軋制負(fù)荷下進(jìn)行，扁平化奧氏體為奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變提供最大的鐵素體形核位置，獲得最大細(xì)化晶粒的強(qiáng)韌化效果。固溶鈮可推遲奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，促進(jìn)貝氏體的形成，提高貝氏體／針狀鐵素體的體積分量，完全再結(jié)晶所需要的最低溫度，CNb

V

TiAl

初始溶質(zhì)含量％HTP低碳高鈮鋼高溫軋制工藝特點(diǎn)Nb,V,Ti-析出和晶粒細(xì)化對(duì)HSLA鋼機(jī)械性能作用對(duì)比鈮釩鈦具有各自的特點(diǎn)：（溶解度積和物理性能的差異）鈦的特點(diǎn)：形成高溫下穩(wěn)定的氮化物，抑制晶粒長(zhǎng)大形成TIN消除鋼中的自由氮，改善鋼的韌性，并間接提高鈮的作用鈦有對(duì)硫化物形態(tài)的控制作用釩的特點(diǎn)：在奧氏體中幾乎不形成VC析出物。在奧氏體/鐵素體相轉(zhuǎn)變過程中或之后可大量析出細(xì)小的V(C,N)碳氮化物，尤其在較高碳含量和高氮含量的鋼中作用更突出。鈮的特點(diǎn)：鈮是最有效的細(xì)化晶粒的微合金化元素（在熱加工和熱處理過程中控制奧氏體晶粒長(zhǎng)大）鈮在熱機(jī)械軋制時(shí)的奧氏體變形過程中推遲再結(jié)晶而產(chǎn)生晶粒細(xì)化溶質(zhì)拖曳作用（鈮最有效）--在道次間隔時(shí)防止晶粒長(zhǎng)大，阻止再結(jié)晶開始由于鈮在奧氏體中溶解度的限制，鈮在一定程度上受到限制固溶鈮有控制相變得作用推遲奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，可促進(jìn)低碳貝氏體形成復(fù)合微合金化（Nb-V，Nb-Ti）通常是最佳的合金設(shè)計(jì)方案Nb,V,Ti作為微合金化元素在鋼中的作用3.3熱機(jī)械控制技術(shù)-TMCPTMCP（ThermoMechanicalControlProcess）就是在熱軋過程中，在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的控制軋制（ControlRolling）的基礎(chǔ)上，再實(shí)施空冷或控制冷卻及加速冷卻（AcceleratedCooling）的技術(shù)總稱。由于TMCP工藝在不添加過多合金元素，也不需要復(fù)雜的后續(xù)熱處理的條件下生產(chǎn)出高強(qiáng)度高韌性的鋼材，被認(rèn)為是一項(xiàng)節(jié)約合金和能源、并有利于環(huán)保的工藝，故自20世紀(jì)80年代開發(fā)以來，已經(jīng)成為生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度寬厚板不可或缺的技術(shù)。隨著市場(chǎng)對(duì)TMCP鋼的要求不斷提高，TMCP工藝本身也在應(yīng)用中不斷發(fā)展。從近幾年的研究工作看，重點(diǎn)是放在控制冷卻，尤其是加速冷卻方面。

TMCP的四個(gè)階段以及不同階段的組織變化熱機(jī)械處理過程中微合金碳氮化物的析出方式熱機(jī)械加工過程中，微合金碳氮化物析出方式

在軋制過程中從奧氏體中形核析出在相變過程中形核于界面處（相間沉淀）在最后冷卻過程中從過飽和鐵素體中析出不同微合金碳化物在奧氏體中完全溶解的時(shí)間與溫度的關(guān)系Lg[M]

[C+12/14N]=A-B/T

鈮的碳化物和碳氮化物的溶解度

與傳統(tǒng)工藝相比較的熱機(jī)械處理示意圖TMP-熱機(jī)械軋制；L-L處理(中間淬火)；R-熱軋；AC-加速冷卻；

CR-控制軋制；N-正火；DQ-直接淬火；RQ-傳統(tǒng)加熱淬火；T-回火

Schematicillustrationofaustenitemicrostructureresultingfromvariousdeformationconditions

不同的變形條件下得到的奧氏體組織示意圖完全再結(jié)晶部分再結(jié)晶非再結(jié)晶開始抑制再結(jié)晶

在再結(jié)晶溫度上下變形的奧氏體組織及相應(yīng)的Sv表達(dá)式

注：上標(biāo)GB、DB、TB與NPD代表晶界、變形帶、孿生 晶界及平面缺陷對(duì)Sv的貢獻(xiàn)大小。再結(jié)晶控制軋制(RCR)鋼的合金設(shè)計(jì)降低再結(jié)晶停止溫度控制軋制的溫度處于高溫奧氏體區(qū)以TiN為原始奧氏體細(xì)化劑，以Nb(CN)強(qiáng)化鐵素體以Nb(CN)釘扎晶界，以Mo在晶界偏聚產(chǎn)生的拖拽作用傳統(tǒng)控制軋制(CCR)鋼的合金設(shè)計(jì)提高再結(jié)晶停止溫度，擴(kuò)大非再結(jié)晶奧氏體區(qū)控制軋制的溫度相當(dāng)于鋼的正火溫度區(qū)間TiN析出溫度對(duì)延緩靜態(tài)再結(jié)晶溫度范圍太高VN、VC析出對(duì)延緩靜態(tài)再結(jié)晶溫度范圍太低NbC析出最為理想，釘扎奧氏體晶界鐵素體控軋的應(yīng)用低碳和超低碳鋼，具有較高的Ar3-Ar1區(qū)間這類鋼在鐵素體區(qū)變形抗力較小適用于超薄帶軋制(0.8-1.2mm)適用于生產(chǎn)高強(qiáng)度熱軋帶鋼NbC的體積分量和質(zhì)點(diǎn)尺寸對(duì)析出強(qiáng)化產(chǎn)生的屈服強(qiáng)度增量的影響富化γ→α生核細(xì)化γ→α轉(zhuǎn)變生核的細(xì)化晶粒作用的主要影響因素包括：相變前奧氏體的形變儲(chǔ)存能相變前奧氏體的晶粒尺寸軋后的冷卻速度合金元素的影響熱軋材中，γ→α相變前的奧氏體剛剛經(jīng)歷了形變，若形變后奧氏體晶粒立即發(fā)生了完全的再結(jié)晶，則此時(shí)奧氏體晶粒內(nèi)基本上沒有形變儲(chǔ)存能，就如V-Ti-N鋼高溫再結(jié)晶軋制屬于這一情況，與正火加熱態(tài)的奧氏體相同，大致遵循同樣的γ→α相變規(guī)律。若軋制形變后奧氏體晶粒未發(fā)生再結(jié)晶，則晶粒將存在形變儲(chǔ)存能，這種形變儲(chǔ)存能在γ→α相變時(shí)釋放出來，由此必然對(duì)相變過程產(chǎn)生明顯的影響，非再結(jié)晶控軋屬于這種情況。儲(chǔ)存能與變形功(形變量)之間的關(guān)系

轉(zhuǎn)變溫度對(duì)鐵素體-珠光體、貝氏體和馬氏體強(qiáng)度的影響

不同精軋溫度下屈服強(qiáng)度與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系

熱機(jī)械工藝過程中鈮的不同作用示意圖微合金化與TMCP工藝的應(yīng)用

熱連軋板

Nb+CR+ACCNb-V、Nb-Ti復(fù)合+CR+ACC

厚板

V-Ti(N)微合金化與RCR+ACCNb微合金化與第三代TMCP工藝高強(qiáng)度CSP帶鋼

V-N微合金化

Nb-V復(fù)合微合金化

長(zhǎng)形材

V、V-N微合金化

企業(yè)認(rèn)可的微合金化效果及普遍問題注：

——影響顯著；——有效；o——不明顯項(xiàng)目微合金化元素NbVTi強(qiáng)韌化效果晶粒細(xì)化

析出強(qiáng)化

o固氮效果o

控軋操作性

o控冷有效性

o普遍問題強(qiáng)度難控制o

o合金化程度oo

澆注困難oo

鑄坯裂紋

oo綜合性能

鋼的微合金化的核心機(jī)制鋼的微合金化——八項(xiàng)理論內(nèi)容微合金化元素的細(xì)晶化機(jī)制；微合金化元素的碳氮化物的溶解—析出行為；微合金鋼熱變形過程的物理冶金因素；合金設(shè)計(jì)新概念，再結(jié)晶軋制/正?；堉?；軋后加速冷卻及組織控制；合金設(shè)計(jì)——工藝選擇——性能預(yù)測(cè)以晶粒細(xì)化強(qiáng)化表征的強(qiáng)韌性表達(dá)式；以析出強(qiáng)化表征的強(qiáng)韌性表達(dá)式；微合金化元素Nb、V、Ti的定量分析；微合金化元素碳氮化物萃取，顆粒度及其在鋼中的分布。3.4微合金鋼和微合金化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用定義合金鋼合金鋼指含有大量使鋼的機(jī)械或物理性能發(fā)生變化的合金元素（不包括碳以及通常允許量的錳、硅等）的鋼種低合金鋼高強(qiáng)度低合金鋼指含小于3.5%合金化元素（如2.25%鉻、1%鉬）鋼種，鋼的屈服強(qiáng)度大于295MPa。微合金化鋼微合金化鋼指含有少量釩、和鈮/或鈦元素的低碳、焊接結(jié)構(gòu)用鋼。一種元素的含量應(yīng)小于0.10%，而合金化元素的總量小于0.15%，微合金化鋼通常在熱軋或控軋控冷狀態(tài)下使用，目前最高屈服強(qiáng)度達(dá)800MPa。3.4微合金化鋼的發(fā)展微合金化鋼

屬于低合金高強(qiáng)度鋼范疇

微合金化元素加入量在0.02?0.2%

形成碳氮化物，有溶解—析出行為

對(duì)鋼的物理、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)特性有顯著影響

不經(jīng)離線的熱處理

微合金化鋼的發(fā)展微合金化技術(shù)及微合金化鋼的發(fā)展和應(yīng)用，是二十世紀(jì)鋼鐵冶金最大的成就之一世界平均水平：10~15%（8千萬到1.2億噸）工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家：30%我國(guó)微合金化鋼產(chǎn)量：5%（2003年1100萬噸）

微合金化鋼的發(fā)展

對(duì)擴(kuò)大使用微合金化元素起作用的因素

從能源和成本方面要求減輕重量

提高成型性的制造的要求

在鋼生產(chǎn)中新的和改進(jìn)的工藝

對(duì)MAE機(jī)制更好的了解

鋼板產(chǎn)品的使用性能

改進(jìn)產(chǎn)品的均勻性微合金化鋼的發(fā)展

微合金化鋼在鋼鐵市場(chǎng)的應(yīng)用比例微合金化鋼的發(fā)展

全球各類高強(qiáng)低合金鋼的產(chǎn)量比例（%）歐洲北美日本備注管線鋼959595船舶制造102075海洋用鋼

中厚板903070

型鋼702010壓力容器302585結(jié)構(gòu)鋼

型鋼302010世界年鋼產(chǎn)量為約8億噸，其中高強(qiáng)低合金鋼占約12%車輛用型鋼808080

船用型鋼15--302010

板樁2515100

鋼筋100510

中厚板252010--30薄板和板卷（包括鍍鋅板）

車用302030建筑用鋼（不包括鋼筋）958070微合金化鋼的發(fā)展

世界和北美鈮鐵消費(fèi)強(qiáng)度的變化微合金化鋼的發(fā)展

全國(guó)微合金化鋼產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)（1998—2000年）微合金化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

----管線鋼的發(fā)展

API管線鋼中碳含量、尺寸、屈服強(qiáng)度和終軋溫度的變化趨勢(shì)

冷速、冷卻方式對(duì)最終組織的影響

X100鋼的兩種冷卻方法和CCT曲線

微合金元素對(duì)不同冷卻方式下強(qiáng)度和韌性的影響

（a）空冷；（b）加速冷卻；（c）直接淬火大橋鋼的開發(fā)與生產(chǎn)-14MnNbQ,StE355,16MnQ(Nb-處理)

生產(chǎn)廠家:武鋼,寶鋼,鞍鋼….?StE355(DIN17102-83)：寶鋼生產(chǎn)的大橋鋼板(30-60mm)用于上海市徐埔大橋?

14MnNbQ:武鋼開發(fā)和生產(chǎn)的大橋鋼板(3-50mm)，已用于亞洲最大的湖長(zhǎng)江大橋，南京長(zhǎng)江大橋等6座公鐵兩用橋?

16MnQ鈮處理鋼，依然廣泛用于一般公路橋

上海南埔大橋舞鋼橋梁用鋼板開發(fā)應(yīng)用情況牌號(hào)項(xiàng)目注S355N,S355N-Z25上海盧浦大橋世界第一大跨度鋼拱橋（680m）14MnNbq蕪湖長(zhǎng)江大橋、重慶長(zhǎng)壽大橋、粵海鐵路銀橋、佳木斯松花江大橋A709Gr50大型吊橋、美國(guó)加州大橋、加拿大大橋Q345qD三峽施工棧橋、宜昌長(zhǎng)江大橋18mm×4020mm×9500mm16Mnq,Q390qD武漢軍山大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋被譽(yù)為“中華第一寬板”廣州丫吉沙大橋、重慶鵝公巖大橋哈爾濱松花江大橋、太陽島大橋

50年代到90年代各國(guó)鋼種發(fā)展情況及典型鋼種成分的變化

Cep=C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/50微合金非調(diào)質(zhì)鋼節(jié)約能源TemperingStressrelievingHardeningDieforgingStraightening微合金非調(diào)質(zhì)鋼的特點(diǎn)節(jié)減能耗～2500kW·h節(jié)省了熱處理及相關(guān)工序的材料消耗取消退火處理取消調(diào)質(zhì)處理省去淬火介質(zhì)減少環(huán)境污染綠色鋼材縮短生產(chǎn)周期提高勞動(dòng)生產(chǎn)率一般可縮短生產(chǎn)周期約15%提高材料利用率一般提高3～4%汽車用微合金非調(diào)質(zhì)鋼鍛件微合金非調(diào)質(zhì)鋼

GB/T15712—××××代替GB/T15712-1995

GradeRmMPa≥ReLMPa≥A%≥Z%≥Aku2

J≥F35VS590390184047F40VS640420163537F45VS685440153035F30MnVS7004501430--F35MnVS735460173537F38MnVS8005201225--F40MnVS785490153332F45MnVS835510132828F49MnVS780450820--F12Mn2VBS6854901645--Fatiguelimitofmicroalloyedforgingsteels

ComparedwithQTsteelandNormalizedCarbonsteel德國(guó)的微合金非調(diào)質(zhì)鋼我國(guó)常用的微合金非調(diào)質(zhì)鋼汽車工業(yè)的發(fā)展需要更多的含鈮高強(qiáng)度鋼帶材鋼種：Bs510L,RS50，GQ360,WL510,RCL420,andIFsteel(Nb-Ti)生產(chǎn)廠家:寶鋼、武鋼、鞍鋼……

1975~2000年間，國(guó)際上熱軋和冷軋鋼的發(fā)展進(jìn)程

PM-部分馬氏體；CP-多相；MS-馬氏體；RA-殘余奧氏體；

TRIP-相變誘導(dǎo)塑性；IF-無間隙

含Nb超低碳烘烤硬化鋼板的連續(xù)退火生產(chǎn)原理圖

殘余奧氏體體積/%

殘余奧氏體與均勻延伸的關(guān)系均勻伸長(zhǎng)率（%）高強(qiáng)度造船用鋼

含鈮高強(qiáng)度船板鋼種:

AH32,36,DH32,36,EH32...

生產(chǎn)廠家:

寶鋼，武鋼，鞍鋼

含鈮高強(qiáng)度錨鏈鋼：

(Cr,Ni,Mo,Nb)

生產(chǎn)廠家:興澄特鋼廠中國(guó)是世界第三造船大國(guó)2000年,建造船舶總噸位達(dá)500萬噸,增長(zhǎng)16%,需求190萬噸船板鋼,其中含鈮高強(qiáng)度鋼板約占5-8%,約95,000-152,000噸；2005年造船能力將達(dá)到900萬噸；2015年中國(guó)成為世界第一造船大國(guó)，造船能力將超過2000萬噸。鐵路用鋼

-2004年5月中國(guó)鐵道部第四次提高火車速度

-要求更高質(zhì)量的高強(qiáng)度鋼主要鋼種:

重軌:BNbRe(0.02-0.05%Nb)，已用于時(shí)速200公里的高速鐵路中國(guó)首家采用連鑄工藝生產(chǎn) (包鋼)

魚尾板鋼:56Nb(0.015-0.05%Nb)(鞍鋼)

鐵路車輛用H型鋼:SM400B (馬鋼)

鐵路大橋鋼

:14MnNbq(0.015-0.04%Nb) (武鋼…)2005-2010年期間建鐵路和維護(hù)線路:約10000公里。每年建1500公里，每年需求重軌120萬噸CSP高強(qiáng)度鋼合金設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度N%級(jí)別0.0050.010.015MpaV%4000.050.026/4500.110.05/500/0.110.07550//0.116000.12%V-0.02%Nb-0.015%N7000.5%Mo-0.15%V-0.02%N8000.5%Mo-0.15%V-0.02%Nb-0.007%N含鈮大型H型鋼的開發(fā)與生產(chǎn)規(guī)格:H200-H700mm,含鈮鋼種:ASTMA572-Gr50(0.04%Nb),ASTMA992,ASTMA36SM490B(0.022%Nb),SM400B(0.03%Nb)

2003年產(chǎn)量:280,000-350,000Mt（馬鋼、萊鋼）馬鋼高強(qiáng)度厚壁H型鋼試制性能要求：VS≥450Mpa壁厚：30mm成分：Ｃeq≤0.4,V+Nb≤0.15%SteelCSiMnVNbNV+Nb0.160.31.50.10.0550pmV-N0.150.31.50.120150ppm現(xiàn)代鋼的純凈度控制水平

Cleanlinesslevelcontrolofmodelsteel水平S/%P/%N/%O/10-6H/10-6Σ/10-6一般質(zhì)量水平（通用型）≤0.005≤0.01060402≤250潔凈鋼水平（經(jīng)濟(jì)型）≤0.002≤0.00540101≤120超潔凈鋼水平（超級(jí)型）≤0.0005≤0.0012050.2≤50熱軋產(chǎn)品的質(zhì)量要求熱軋品種雜質(zhì)含量有害元素含量(PPm)非金屬夾雜物評(píng)級(jí)（≤）PSNOHAsSnPbSbBcABCD汽車大梁鋼[S]≤0.01%Σ≤300PPmΣ≤280車輪鋼[S]≤0.01%Σ≤250PPmΣ≤150車輛板[O]≤20PPmΣ≤250PPmΣ≤250家電用鋼[S]≤0.01%Σ≤200PPmΣ≤150油桶板[S]≤0.01%Σ≤200PPmΣ≤200搪瓷板[N]≤30PPm[H]≤1.0PPmΣ≤180PPmΣ≤200管線鋼[S]≤0.005%[P]≤0.01%[O]≤15PPmΣ≤180PPmΣ≤120制箱鋼Σ≤250PPmΣ≤250氣瓶鋼[S]≤0.01%[O]≤20Σ≤180PPmΣ≤150中國(guó)鈮鋼的發(fā)展戰(zhàn)略

向高強(qiáng)、長(zhǎng)壽命鋼材品種轉(zhuǎn)移

保持鈮板帶板品種生產(chǎn)的增長(zhǎng)勢(shì)頭

大力推動(dòng)以含鈮400MPaⅢ級(jí)熱軋鋼筋為主的建材生產(chǎn)研發(fā)建筑、家電、車輛用含鈮鐵素體不銹鋼

向高強(qiáng)、長(zhǎng)壽命鋼材品種轉(zhuǎn)移商業(yè)用不銹鋼應(yīng)用已擴(kuò)展到日常生活的各個(gè)方面應(yīng)用領(lǐng)域建筑產(chǎn)業(yè)機(jī)械電器，機(jī)械廚房煤氣灶臺(tái)家用器具裝修構(gòu)成比13.718.56.816.25.93.0鐵素體不銹鋼占比15.86.83852.466.145.3應(yīng)用領(lǐng)域浴槽汽車鐵路車輛自行車容器鋼管構(gòu)成比1.511.21.11.42.05.0鐵素體不銹鋼占比5.660.4279.257.420.4全部構(gòu)成比100%鐵素體不銹鋼占比34.2

不銹鋼應(yīng)用領(lǐng)域不銹鋼中鈮的應(yīng)用已必不可少

與鈮配伍的合金元素在不銹鋼中的作用與鈮配伍的元素在不銹鋼中在耐熱鋼中加工性能及其他固溶Nb提高耐蝕性抑制相變控制Md30提高高溫強(qiáng)度提高r（奧氏體）鋼的n值提高F鋼的r值Nb(C,N)細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度改善晶間腐蝕改善F（鐵素體）鋼韌性細(xì)化晶粒提高耐高溫腐蝕沉淀強(qiáng)化IF化提高加工性能Z相(CrNbN)晶內(nèi)析出抑制Cr23C6敏化提高屈服強(qiáng)度晶內(nèi)析出，抑制VN晶界偏析析出對(duì)調(diào)質(zhì)軋制有利Fe2Nb可得細(xì)晶粒高r值Nb-Si提高耐酸性，耐應(yīng)力腐蝕，強(qiáng)化TIRP效應(yīng)。改善氧化膜結(jié)構(gòu)提高抗氧化性利用Md逆轉(zhuǎn)變生產(chǎn)超細(xì)晶粒、超高強(qiáng)度鋼。Nb-Mn平衡r相組織1%Mn氧化膜最致密Nb-Cu提高F鋼耐蝕性提高抗蠕變性能改變F鋼抗皺性Nb-Mo提高點(diǎn)縫蝕電位提高高溫強(qiáng)度提高抗蠕變性能Nb-Ti雙穩(wěn)定化拓寬穩(wěn)定化溫度改善表面質(zhì)量提高r值降低△r值Nb-N抑制Cr23C6析出提高r鋼屈服強(qiáng)度提高調(diào)質(zhì)軋制效果Nb-Al提高25Cr-5Al的韌性和塑性生產(chǎn)5μm量級(jí)的薄帶N、Nb、V、WNb、V沉淀強(qiáng)化W、N固溶強(qiáng)化

微合金化與鋼鐵強(qiáng)國(guó)目標(biāo)

一個(gè)真正的鋼鐵強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志是什么呢？

有能力向冶金科技領(lǐng)域的前沿挑戰(zhàn)。

強(qiáng)有力地推動(dòng)上游產(chǎn)業(yè)，又能支撐下游產(chǎn)業(yè)。

保證高速度增長(zhǎng)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展對(duì)鋼材的需求。

面對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，掌握戰(zhàn)略的主動(dòng)性。

微合金化與鋼鐵強(qiáng)國(guó)目標(biāo)

而要真正實(shí)現(xiàn)上述幾點(diǎn)，發(fā)展微合金化是必由路。

微合金化技術(shù)好比一把打開鋼鐵強(qiáng)國(guó)之門的鑰匙，由好比未來有