微合金化元素在钢中的作用概要介绍

pg502

微合金化元素在钢中的作用概要介绍

在普通碳钢通常依靠加入碳来提高强度，这样就造成了提高碳含量的同时必然降低钢的塑性和韧性。使普碳钢不能满足强度与韧性的更好组合，由此人们开始研究不增加碳含量，加入其它元素来提高强度，也就是保持低碳钢的韧性前提下，利用微合金化提高强度。此类钢的综合力学性能比低碳结构钢有很大的改善，而与普通合金钢相比，其添加的合金元素又如此之少，按重量百分比，再继之以控制冷却，才能使钢的性能更佳，此类钢使用之前一般不再进行热处理。微合金化元素在钢中的作用主要是细化晶粒，阻碍再结晶进行以及析出强化。

1 Nb的作用
在超低碳贝氏体钢（ULCB）的整个发展过程中，微量Nb起着独特的作用。这类钢中C含量已经降到0.05%，又不加入较多合金元素，因此强化主要靠位错强化，析出强化特别是组织强化。近年来的研究表明，微量Nb在超低碳贝氏体钢（ULCB）中的作用，主要体现在以下两个方面。
1）微量Nb抑制变形再结晶行为，加剧变形奥氏体中的应变积累，大幅度提高相变前组织中的位错密度。超低碳贝氏体钢（ULCB）的优良综合性能主要来自钢的组织细化以及贝氏体中的高位错密度，再实现这一目标，首先需要在控轧过程中，在非再结晶区轧制时引入大量高密度畸变区，这些高密度畸变区在随后的冷却过程中成为相变核心，大幅度促进相变组织细化。同时，要在发生切变形型贝氏体相变过程中，能把相当一部分变形位错保留在贝氏体基体中，从而大幅度提高贝氏体基体强度。为了达到这一点，要求钢种有相当高的热轧再结晶终止温度以及抑制冷却时扩散型铁素体转变的能力，合金成分设计充分考虑了Nb及Nb—B这方面的作用。
2）微量Nb与B、Cu的复合作用加快了诱导析出，稳定变形位错结构。微量Nb加入贝氏体钢中的第二个作用是，这类钢高温非再结晶轧制阶段会应变诱导形成极细的Nb（C、N）析出物。这些析出物主要析出在变形晶界及变形位错网上，它们阻碍了位错的恢复以及消失的过程，稳定了位错结构，为随后冷却过程相变形核提供更多机会，同时组织新相的长大，最终细化组织。实验研究表明当Nb和B、Cu综合加入时，它们的综合作用会进一步促进析出过程加速，并且进一步降低冷却时的相变温度，使最终组织进一步细化。

2 Cu的作用
对含Cu的超低碳硼钢研究发现，Cu能显著地降低B钢的γ→α转变温度，当采用炉冷时的转变温度降低160℃，即使用最快的冷速，仍可使转变温度降低40℃，实验发现，Cu在单独作用时，对γ→α转变只有中等程度的影响，转变温度降低的数值正比于Cu 的含量，大约1%的Cu使转变温度降低11℃，但是在Cu—B系的低碳B钢中Cu和B的复合作用是很显然的，实际上，它们的复合作用比（Mo+B）的复合作用还强的多。Cu作为合金元素加入到钢中除了对相变点发生影响外，主要是依靠铜钢的时效硬化作用来得到好的综合性能。例如钢中添加了大量的Cu时，依靠Cu的时效硬化，在对韧塑性没有明显损害的条件下，得到高强度。各国的铜钢的Cu含量不同，例如我国常常采用范围在0.08—0.80%，而美国加入的Cu量很高，可达2.0%左右。

3 B的作用
B加入钢中的主要作用是提高淬透性，B对淬透性的有利作用是由于推迟了铁素体的形核过程，但并不影响奥氏体或铁素体基体的热力学性能。超低碳贝氏体钢(ULCB)主要利用B在贝氏体晶界上阻碍铁素体的形核，从而推迟奥氏体向铁素体的转变，提供一个很宽的范围来形成贝氏体（甚至在空冷条件下）。同时，固溶B也促进了控轧控冷后的细小贝氏体组织形成，这种细小的贝氏体内含有较多的稳定位错，形成时又继承了奥氏体内产生的形变位错，加工利用Nb、Ti、V等的析出强化，屈服强度可达500—900MPa韧性也明显高于普通低合金高强度钢。B加入钢中对奥氏体再结晶有阻碍作用，同时B加入Nb钢中，由于B间隙固溶，而Nb为置换固溶，B加入相当于增加了间隙原子的碳、氮等的有效浓度。因而促进了沉淀析出。B加入铌钛微合金钢中大大缩短了沉淀的孕育期。这是由于B的加入使钢中增大了溶质浓度积，并且由于非平衡偏聚的发生，这种增加在晶界和位错附近更为显著。因而增加了沉淀析出动力。

4 Ti的作用
对于硼钢，硼可以增加钢的淬透性，它除了与在钢的含量有关外，还与其在钢中的存在形式有关。而存在形式又受钢中其他元素的制约。如氧和氮都对淬透性有强烈的影响。在钢液中硼很容易和这两种元素化合，而降低硼对淬透性的有效性。加入微量Ti的低碳钢的冲击韧性普遍较好，且随着温度升高，冲击韧性值增大，但其冲击韧性值变化幅度不大。微量的Ti可以有固氮护硼的作用，加入微量Ti可形成稳定的氮化物而减少氮对硼淬透性作用的不良影响。

5 其他元素的作用
Ni：加入主要为了防止Cu钢热脆性同时增加腐蚀抗力。Mn、Mo：推迟多边形铁素体的转变，延迟贝氏体转变。

6 超低碳贝氏体钢（ULCB）再结晶行为的研究
由于此类钢是一种微合金钢，钢中的几种微合金元素对钢材的性能有决定性作用，所以，关于微合金的研究，国际上多年来一直有很多工作。如用间断压缩方法和应力弛豫等方法研究微合金元素尤其是B和Nb、Ti、V等加入超低碳钢中的作用，以显示结构和力学性能角度研究了各种微合金元素的加入对奥氏体再结晶和γ→α转变影响后，认为Nb细化晶粒的作用最强，而Nb和B的复合加入更明显的阻碍了这类钢的动、静态再结晶的进行。从而可得到强度韧性俱佳的细小贝氏体组织。从附图可以看出，Nb和B的混合加入可以很大的提高再结晶停止温度，也就是说，Nb和B可以有效的阻碍奥氏体再结晶。