材料加工组织性能控制第四章

1、4. 微合金元素在控制轧制中的作用,HSLA钢中常用合金元素及夹杂元素分类： 1)微合金化元素：铌(Nb)、钒(V)、 钛(Ti)、铝(Al)和硼(B)。 2)置换元素：硅(Si)、锰(Mn)、 钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)。 3)夹杂及硫化物形状控制的添加元素：磷(P)、 硫(S)、钙(Ca)、稀土金属(REM)及锆(Zr)。 控制 钢的塑性。,控制钢的强度、韧性、相变显微组织,微合金化元素: 特点：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。 作用：(1)加热：阻碍原始奥氏体晶粒长 大； (2)轧制：抑制再结晶及再结晶后的晶粒长 大；(3)低温：析出

2、强化作用。,4.1 合金元素的作用,机理： 如果有细小的第二相质点导入奥氏体基体中，由于质点和晶界发生相互作用，第二相质点通常存在于晶界上，一部分晶界被质点所取代，并且表面的能量确保了晶界相对位置的稳定。因此晶界迁移（晶粒长大）受到来自质点的阻力。,图4-1 中碳化物和氮化物的溶度积,特点： TiN： VC： NbC和TiC： (2)晶格结构：Al，其余 元素； (3)氮化物与碳化物的比 较； (4)含钛钢：首先形成氮 化钛。,图4-2 晶粒尺寸与加热温度的关系,特点： （1）铌钢： （2）钒钢和Si-Mn钢： （3）钛钢： 机理：沉淀对奥氏体晶粒边界起钉扎作用使钛钢具有高于1250的极高的晶

3、粒细化温度。,4.2 控制轧制过程中微量元素碳氮化合物 的析出 4.2.1 各阶段中Nb(C、N)的析出状态 (1)出炉前： 加热到1200C，均热2h：90%以上铌都固溶到 奥氏体基体中，有极少数粗大Nb(C、N)没有 固溶到奥氏体中。 1260C ：保温30min，Nb(C、N)全部溶解。,(2)出炉后到轧制前：,在轧制前，从固溶体中析出Nb(C、N)数量很少。,出炉后尚未变形,(3)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%,Nb(C、N)平均析出速度：,终轧

4、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Nb(C、N)析出质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。,轧后冷却过程中铌的析出速度主要取决于铌的过饱和度、变形温度和变形量。随变形温度降低或变形量增大其析出速度增大。,（5）在铁素体内 相变后内剩余的固溶铌继续析出，质点大小决定于冷却速度。,（6）冷却到室温，1015左右的铌未从铁素体中析出。,(4) 奥氏体向铁素体转变

5、过程中 1)碳氮化物在和中的溶解度不同相变后，产 生快速析出。 相间析出（相间沉淀）： 冷却速度大、析出温度低相间沉淀排间距小 析出质点也小。 析出时间长质点长大。,4.2.2 影响Nb(C、N)析出的因素 (1)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，析出量增加；随时间加长，析出量增加。,开始随时间增长而增加，但很快达到饱和。,(2)变形温度,图4-7 温度-时间-沉淀动力学曲线、形变对沉淀动力学的影响 规程1：在再结晶区变形、发生了再结晶 规程

6、2：附加有未再结晶区变形、未发生再结晶,1）析出量相等时，未再结晶区轧制所需时间短。原因： 2）析出量一定时，在高温所需等温时间短，低温所需等温时间长。,(3)钢的成分变化,图4-8 铌钢经50%变形后在900C 时的沉淀图,不同成分的钢随析出时间增加析出量都增加，但钢的成分不同，析出量不同。,4.3 微量元素在控制轧制控制冷却中的作用 4.3.1 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： 铌、钛含量在0.10%以下时，可以提高奥氏体粗化温度到1050-1100C，作用明显。 钒在小于0.10%时，阻止晶粒长大的作用不大，当铌和钒含量大

7、于0.10%时，随合金含量的增多粗化温度继续提高，当含量达到0.16%时则趋于稳定，粗化温度不再提高。,图4-10 铌对三种基本成分相同钢的奥氏体晶粒度的影响（1小时加热到1250C),4.3.2 再结晶的延迟 (1) 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，再 结晶开始时间 显著延长。含碳 0.002钢中， 几乎所有铌原子 均会固溶，会延 迟回复和再结晶 的发生。,（2）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， 随温度的下降， 再结晶开始受到 显著延迟。

8、,（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,含碳较高的钢 在900C和850C 时，软化速率比 含碳低的钢慢得 多，而在1000C 时，这两种钢几 乎表现出相同的 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,溶质铌只有在应变诱发沉淀出现时，才能起到延迟回复和

9、再结晶作用。,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,（4）微量元素对动态再结晶临界变形量的影响,机理：1）合金元素偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的拖拉作用；2）合 金元素的碳氮化合物在晶界沉淀而引起的钉扎作用。,图4-9 实验钢1000C变形时真应力-真应变曲线,（5） 微量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） 微量元素对再结晶速度的影响,图4-11 铌对含有0.

10、05%C、1.8%Mn钢再结晶速度的影响,（7） 微量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） 微量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

11、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： 铌在奥氏体中存在形式：1)加热时尚未溶到奥氏 体中的Nb(C、N)；2)固溶到奥氏中的铌；3)加热 时溶解、轧制过程中又由奥氏体中重新析出的 Nb(C、N)。轧制的不同阶段，其阻止奥氏体再结 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；7-1

12、00%沉淀,4.3.3 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化铌引起的晶粒细化和沉淀硬化。后者的强化效果与加热时溶解的铌或钛的含量有关。,实验条件：0.10%C0.25%Si1.50Mn，加热温度及终轧温度分别为1100和780，900以下的总压下率 为70。,图4-6 0.035%Nb钢和0.15%Mo-0.035%Nb钢，强度和韧-脆转变温度与含铌量和含钒量的关系,(1)Nb：晶粒细化和中等的沉淀强化。含量万分之几，增大含量不会引起重大改进。 (2)Ti：含Ti量强烈的沉淀强化 产品的强度 ，晶粒细化是中等的。含量高时： (3)V：中等程度的沉淀强化和较弱的晶粒细化，与它的重量百分比成正比。,图4-28 铌和钒对20mm厚的控制轧制钢板屈服强度和缺口韧性（用夏比V型缺口，50%纤维状断口转变温度来测量）的影响 1-无Nb；2-0.04%Nb；3-0.08%Nb；4-无V,1-0.03%Nb,0.15%Cr,0.04%V,0.30%Ni； 2-0.03%Nb,0.04%V,0.2