材料加工组织性能控制第四章PPT课件

1、4. 4. 微合金元素在控制轧制中的作用微合金元素在控制轧制中的作用HSLAHSLA钢中常用合金元素及夹杂元素分类：钢中常用合金元素及夹杂元素分类： 1)1)微合金化元素：铌微合金化元素：铌(Nb)(Nb)、钒、钒(V)(V)、钛钛(Ti)(Ti)、铝、铝(Al)(Al)和硼和硼(B)(B)。 2)2)置换元素：硅置换元素：硅(Si)(Si)、锰、锰(Mn)(Mn)、钼钼(Mo)(Mo)、铜、铜(Cu)(Cu)、镍、镍(Ni)(Ni)和铬和铬(Cr)(Cr)。 3)3)夹杂及硫化物形状控制的添加元素：磷夹杂及硫化物形状控制的添加元素：磷(P)(P)、硫硫(S)(S)、钙、钙(Ca)(Ca)、稀

2、土金属、稀土金属(REM)(REM)及锆及锆(Zr)(Zr)。 影响影响钢的塑性。钢的塑性。控制钢的强控制钢的强度、韧性、度、韧性、相变显微组相变显微组织织微合金化元素微合金化元素: :特点特点：与碳、氮结合成碳化物、氮化物和与碳、氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物，高温下溶解，低温下析出。碳氮化物，高温下溶解，低温下析出。作用作用：(1)(1)加热加热：阻碍原始奥氏体晶粒长阻碍原始奥氏体晶粒长大；大；(2)(2)轧制轧制：抑制再结晶及再结晶后的晶抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；粒长大；(3)(3)低温低温：析出强化作用。析出强化作用。 图4-1 中碳化物和氮化物的溶度积 特点：特点：TiNTi

3、N： VCVC： NbCNbC和和TiCTiC：(2)(2)晶格结构特点；晶格结构特点；(3)(3)氮化物与碳化物的比氮化物与碳化物的比较；较；(4)(4)含钛钢：首先形成氮含钛钢：首先形成氮化钛。化钛。图4-2 晶粒尺寸与加热温度的关系特点：特点：（1 1）铌钢：）铌钢：（2 2）钒钢和）钒钢和Si-MnSi-Mn钢：钢：（3 3）钛钢：）钛钢：机理：沉淀对奥氏体晶机理：沉淀对奥氏体晶粒边界起钉扎作用使钛粒边界起钉扎作用使钛钢具有高于钢具有高于12501250的极的极高的晶粒细化温度。高的晶粒细化温度。对晶粒的细化作用：对晶粒的细化作用：4.2 4.2 控制轧制过程中微合金元素碳氮化合物控制

4、轧制过程中微合金元素碳氮化合物的析出的析出4.2.1 4.2.1 各阶段中各阶段中Nb(CNb(C、N)N)的析出状态的析出状态 (1)(1)出炉前：出炉前：加热到加热到12001200 C C，均热均热2h2h：90%90%以上铌都固溶到以上铌都固溶到奥氏体基体中奥氏体基体中，有极少数有极少数粗大粗大Nb(CNb(C、N)N)没有没有固溶到奥氏体中固溶到奥氏体中。12601260 C C ：保温：保温30min30min，Nb(CNb(C、N)N)全部溶解。全部溶解。 (2)(2)出炉后到轧制前：出炉后到轧制前： 在轧制前，从固溶体中析出在轧制前，从固溶体中析出Nb(CNb(C、N)N)数量

5、很少。数量很少。出炉后尚未变形出炉后尚未变形加热加热12001200 C C ，分别冷到分别冷到10501050 C C 、930930 C C 、820820 C C ，钢中，钢中析出物数量与析出物数量与12001200 C C时未固时未固溶的量相当。溶的量相当。(3)(3)在变形奥氏体中：在变形奥氏体中：图4-3 钢中析出Nb量与变形变量和变形后停留时间的关系Nb(P)：在沉淀相中的Nb量占钢种Nb量的% 为未变形的奥氏体；为形变量43%；为形变量73%在在900900 C C变形后变形后Nb(CNb(C、N)N)析出的质点：析出的质点：30305050；900900 10001000 C

6、 C：约为：约为5050 125 125 ；在；在1000100012001200 C C ：为：为115115270 270 。析出质点大小与与变形温度、保温时间有关。析出质点大小与与变形温度、保温时间有关。N Nb b(C(C、N)N)平均析出速度平均析出速度：高温、低高温、低温析出都温析出都很慢。很慢。终轧温度的影响：高温轧制后（再结晶轧制，如1050C）:铌的平均析出速度不大、析出颗粒较大（ 200 左右）。原因:低温轧制后（未再结晶轧制，如900800C） ：加大了铌的析出速度,析出颗粒细（ 50100 ）。原因:控制轧制就是应用这种微细的控制轧制就是应用这种微细的Nb(CNb(C、

7、N)N)析出质析出质点固定亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶，达到点固定亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶，达到细化晶粒的目的。细化晶粒的目的。（5 5）在铁素体内）在铁素体内相变后相变后 内剩余的固溶铌继续析出，质点大小决内剩余的固溶铌继续析出，质点大小决定于冷却速度。定于冷却速度。（6 6）冷却到室温，）冷却到室温，1010 1515左右的铌未从铁素体左右的铌未从铁素体中析出。中析出。(4) (4) 奥氏体向铁素体转变过程中奥氏体向铁素体转变过程中碳氮化物在碳氮化物在 和和 中的溶解度不同中的溶解度不同相变后，产相变后，产生快速析出。生快速析出。相间析出（相间沉淀）：相间析出（相间沉淀）：冷却速度大、

8、析出温度低冷却速度大、析出温度低相间沉淀排间距小相间沉淀排间距小析出质点也小。析出质点也小。析出时间长析出时间长质点长大。质点长大。4.2.2 4.2.2 影响影响Nb(CNb(C、N)N)析出的因素析出的因素(1)(1)变形量和析出时间变形量和析出时间图4-6 在含有0.06%C、0.041%Nb和0.0040%N的钢中，变形量对沉淀的影响1-67%变形；2-50%变形；3-33%变形；4-17%变形随变形量增加，随变形量增加，析出量增加。析出量增加。 开始随时间增开始随时间增长而增加，但长而增加，但很快达到饱和。很快达到饱和。(2)变形温度图图4-7 温度温度-时间时间-沉淀动力学曲线、形

9、变对沉淀动力学的影响沉淀动力学曲线、形变对沉淀动力学的影响规程规程1：在：在 再结晶区变形、再结晶区变形、 发生了再结晶发生了再结晶规程规程2：附加有：附加有 未再结晶区变形、未再结晶区变形、 未发生再结晶未发生再结晶1 1）析出量相等时，）析出量相等时，未未再结晶区轧制再结晶区轧制所需时间所需时间短。短。原因：原因：2 2）析出量一定时，在）析出量一定时，在高温所需等温时间短，高温所需等温时间短，低温所需等温时间长。低温所需等温时间长。 (3)(3)钢的成分变化钢的成分变化曲线曲线钢号钢号铌，铌，% %氮，氮，% %碳，碳，% %钼，钼，% %1 12 23 34 47632076320D4

10、3D43D45D4532675A32675A0.040.040.040.040.050.050.0450.0450.0030.0030.0080.0080.0050.0050.0060.0060.190.190.100.100.120.120.100.10- - -0.230.230.170.17图图4-8 铌钢经铌钢经50%变形变形后在后在900 C C 时的沉淀图时的沉淀图不同成分的钢随析不同成分的钢随析出时间增加析出量出时间增加析出量都增加，但钢的成都增加，但钢的成分不同，析出量不分不同，析出量不同。同。4.3 4.3 微量元素在控制轧制控制冷却中的作用微量元素在控制轧制控制冷却中的作用

11、4.3.1 4.3.1 加热时阻止奥氏体晶粒长大加热时阻止奥氏体晶粒长大图4-9 碳化物及氮化物形成元素的含量对奥氏体晶粒粗化温度的影响作用：作用：铌、钛含量在铌、钛含量在0.10%0.10%以下时，以下时，可以提高奥氏体粗化温度到可以提高奥氏体粗化温度到1050-11001050-1100 C C，作用明显。，作用明显。钒在小于钒在小于0.10%0.10%时，阻止晶粒时，阻止晶粒长大的作用不大，当铌和钒长大的作用不大，当铌和钒含量大于含量大于0.10%0.10%时，随合金含时，随合金含量的增多粗化温度继续提高，量的增多粗化温度继续提高，当含量达到当含量达到0.16%0.16%时则趋于稳时则趋

12、于稳定，粗化温度不再提高。定，粗化温度不再提高。NbVTi高度弥散的碳氮化物小颗粒，高度弥散的碳氮化物小颗粒，对奥氏体晶界起固定作用，阻对奥氏体晶界起固定作用，阻止晶界迁移，阻止晶界长大。止晶界迁移，阻止晶界长大。图4-10 铌对三种基本成分相同钢的奥氏体晶粒度的影响（1h，加热到1250C)4.3.2 4.3.2 再结晶的延迟再结晶的延迟(1) (1) 微合金元素的作用微合金元素的作用图4-11 不同含铌量的0.002%C-1.54%Mn钢中，铌含量对软化行为的影响含铌量增加，含铌量增加，再再结晶开始时间结晶开始时间显著延长。含碳显著延长。含碳0.0020.002钢中，钢中，几乎所有铌原子几

13、乎所有铌原子均会固溶，会延均会固溶，会延迟回复和再结晶迟回复和再结晶的发生。的发生。图4-3 中的静态再结晶动力学(a)Si-Mn钢；(b)含0.04%Nb的钢预应变为0.50图4-4 中的静态再结晶动力学(含0.08%Ti的钢；(b)含0.10%V的钢 变形温度900C预应变为0.50（2 2）温度的作用）温度的作用图4-12 含铌或不含铌的0.002%C-1.56%Mn钢的软化行为与温度的关系而对于含铌钢，而对于含铌钢，随温度的下降，随温度的下降，再结晶开始受到再结晶开始受到显著延迟。显著延迟。 （3）温度和含碳量的作用图4-13 含铌0.097%的钢中，温度和含碳量对软化行为的影响含碳较

14、高的钢含碳较高的钢在在900900 C C和和850850 C C时，软化速率比时，软化速率比含碳低的钢慢得含碳低的钢慢得多，而在多，而在10001000 C C时，这两种钢几时，这两种钢几乎表现出相同的乎表现出相同的软化行为。软化行为。 图4-14 0.002%C-0.097%Nb钢、0.006%C-0.097%Nb钢和0.019%C-0.095%Nb钢于900C时，碳氮化铌应变诱发沉淀析出的过程图4-15 0.002%C钢、0.002%C-0.097%Nb钢和0.019%C-0.095%Nb钢的再结晶-速度-温度-时间和沉淀析出-温度-时间曲线的叠加溶质铌只有在应变溶质铌只有在应变诱发沉淀

15、出现时，诱发沉淀出现时，才能起到延迟回复才能起到延迟回复和再结晶作用。和再结晶作用。 （4 4）微合金元素对动态再结晶临界变形量的影响）微合金元素对动态再结晶临界变形量的影响机理：机理：1）合金元素）合金元素偏析于晶粒边界而偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的引起的溶质原子的拖拉作用；拖拉作用；2）合）合金元素的碳氮化合金元素的碳氮化合物在晶界沉淀而引物在晶界沉淀而引起的钉扎作用。起的钉扎作用。图4-9 实验钢1000C变形时真应力-真应变曲线（5 5） 微合金元素对再结晶数量的影响微合金元素对再结晶数量的影响图4-10 1000C终轧后晶粒再结晶面积百分率与析出Nb量的关系（6 6） 微合金元素

16、对再结晶速度的影响微合金元素对再结晶速度的影响图4-11 铌对含有0.05%C、1.8%Mn钢再结晶速度的影响（7 7） 微合金元素对静态再结晶临界变形量的影响微合金元素对静态再结晶临界变形量的影响 图4-13铌对奥氏体再结晶临界压下率的影响（1道次）1-加热温度1250C，0.13%Nb，晶粒度：1.7级2-加热温度1250C，0.03%Nb，晶粒度：2.8级3-加热温度1150C，0.03%Nb，晶粒度：2.4级4-加热温度1250C，不含Nb，晶粒度：0.4级（8 8） 微合金合金元素对再结晶晶粒大小的影响微合金合金元素对再结晶晶粒大小的影响图4-15 在普碳钢和含铌钢中，单道次的变形量

17、和变形温度对再结晶奥氏体晶粒尺寸的影响图4-14 铌对热轧1道次后的再结晶晶粒度的影响（不含铌钢和含0.03%铌的钢的基本成分相同）1-加热状态下含0.03%Nb的钢2-加热到1250C后压下65%并且再结晶终了的不含铌钢3-加热到1250C后压下70%并且再结晶终了的含0.03%铌钢总结总结：铌在奥氏体中存在形式：铌在奥氏体中存在形式：1)1)加热时尚未溶到奥氏加热时尚未溶到奥氏体中的体中的Nb(CNb(C、N)N)；2)2)固溶到奥氏中的铌；固溶到奥氏中的铌；3)3)加热加热时溶解、轧制过程中又由奥氏体中重新析出的时溶解、轧制过程中又由奥氏体中重新析出的Nb(CNb(C、N)N)。轧制的不

18、同阶段，其阻止奥氏体再结。轧制的不同阶段，其阻止奥氏体再结晶是不同的。晶是不同的。图4-16 含铌钢在变形50%以后等温时间内的再结晶与沉淀（0.10%C、0.99%Mn、0.04%Nb、0.008%N）1-100%再结晶；2-50%再结晶；3-0%再结晶；4-20%沉淀；5-50%沉淀；6-75%沉淀；7-100%沉淀4.3.3 4.3.3 晶粒细化和沉淀硬化晶粒细化和沉淀硬化 图4-5 强度和韧-脆转变温度与含铌量和含钛量的关系铌的碳化物或氮化物和碳铌的碳化物或氮化物和碳化铌引起的晶粒细化和沉化铌引起的晶粒细化和沉淀硬化。后者的强化效果淀硬化。后者的强化效果与加热时溶解的铌或钛的与加热时溶解的铌或钛的含量有关。含量有关。实 验 条 件 ：实 验 条 件 ： 0 . 1 0 % C 0 . 1 0 % C 0.25%Si1.500.25%Si1.50MnMn，加热温，加热温度及终轧温度分别为度及终轧温度分别为11001100和和780780，900900以下的总压下率以下的总压下率为为7070。 图4-6 0.035%Nb钢和0.1