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1、鋼鐵材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制原理王立軍副教授2011.10第1章微合金化鋼的概念 和強韌化機理第１節(jié) 微合金化鋼的概念鋼的微合金化在鋼中加入微量的鈮(Nb)、釩(V)、鈦(Ti)、硼(B)等碳化物、氮化物形成元素，在熱循環(huán)或應變的作用下，通過C、N化合物的溶解和析出機制，鋼鐵材料的物理、化學及力學性能產(chǎn)生十分明顯的變化。微合金化鋼是在普通的C-Mn鋼或低合金鋼中添加微量(質(zhì)量分數(shù)通常小于0.1%)的強碳氮化物形成元素(如鈮、釩、鈦等)進行合金化，通過高純潔度的冶煉工藝(脫氣、脫硫及夾雜物形態(tài)控制)煉鋼，在加工過程中施以控制軋制/控制冷卻等新工藝，通過控制細化鋼的晶粒和碳氮化物沉
2、淀強化的物理冶金過程，在熱軋狀態(tài)下獲得高強度、高韌性、高可焊接性、良好的成形性能等最佳力學性能配合的工程結(jié)構(gòu)材料合金化與微合金化合金化的物理本質(zhì)是：通過元素的固溶及其固態(tài)反應，影響微結(jié)構(gòu)乃至結(jié)構(gòu)、組織和組分，從而使金屬獲得要求的性能?！辖鸹刂饕绊戜摰幕w，“微合金化”為改善鋼材的性能有目的地加到鋼中的元素在鋼中的含量較低，通常低于0.1%(質(zhì)量分數(shù))?！⒑辖鸹爻巳苜|(zhì)原子的拖曳作用外，幾乎總是通過第二相的析出而影響鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)。微合金化元素鈮(Nb)、釩(V)、鈦(Ti)、硼(B)、鋁(A1)及稀土(RE)。均有形成碳化物和氮化物的趨勢，并且從元素周期
3、表的右上角向左下方逐漸增強；形成氮化物的傾向要強于形成碳化物的傾向。（Ti、Zr、Hf）有更高的形成氧化物和硫化物的傾向（Ti、Zr、Hf）和（V、Nb、Ta）元素與非金屬化合物的親和力比（Cr、Mo、W）元素高（Cr、Mo、W）的碳化物具有正斜方體和六角體的晶體結(jié)構(gòu)，而（Ti、Zr、Hf）和（V、Nb、Ta）元素的碳化物具有面心立方結(jié)構(gòu)，面心立方結(jié)構(gòu)與鋼的立方基體具有一定的共格性，這對鋼的性能有益。1.2微合金化鋼的強韌化機理結(jié)構(gòu)鋼的力學性能要求：在鋼材應用上，其室溫屈服強度σs(或條件屈服強度σ0.2)、抗拉強度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tc，是鋼材的基本的力學性能指標。在大多數(shù)條
4、件下，σs和Tc是設(shè)計選材的最基本標準。因此，提高鋼的σs和降低Tc，，一直是鋼鐵材料研究和開發(fā)的重點。材料的強化方式：包括沉淀析出強化、細晶強化、相變強化、固溶強化(置換強化和間隙強化)、位錯及亞晶強化等。對材料強度的影響可以用修正的Hall-Petch公式表示：σy=σ0+σss+σint+σppt+σtrnnsf+σdisl+Kyd-1/2式中σ0——晶格摩擦力(阻礙位錯運動的力和晶格阻力)；σss——置換強化增量；σint——間隙強化增量；σppt——析出強化增量；σtrnnsf——相變強化增量；σdisl——位錯及亞結(jié)構(gòu)強化增量；Ky——晶界強化因子；d——晶粒直
5、徑。材料的韌性材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TC是衡量材料韌性的重要指標，一般采用50%FATT(裂紋擴展轉(zhuǎn)變溫度)作為轉(zhuǎn)變溫度。晶粒細化的脆化矢量為-0.80℃/MPa，而析出強化和相變強化的脆性矢量為0.46℃/MPa。因此晶粒細化可以在有效提高強度的同時，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度大幅度降低，而其它能有效提高鋼材強度的強化方式都將導致韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。不同強化機制對鋼韌脆轉(zhuǎn)折溫度的影響１-晶粒細化強化；２-沉淀強化；３-位錯強化；４-珠光體強化晶粒細化對韌性的貢獻在其它條件相當?shù)那闆r下，隨著晶粒尺寸的變小，材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度下降。Pickering等對低碳鋼提出了韌脆轉(zhuǎn)變溫度的表達式：TC=
6、a–bd-1/2式中，a包括了除晶粒直徑以外的其它所有因素對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響，而bd-1/2為晶粒直徑對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響。一般b=11.5℃/mm1/2。當鐵素體直徑由20μm細化到5μm時，可使TC下降81℃。微合金鋼的強化機理晶粒細化強化晶粒細化之所以既能提高鋼的強度，又能提高鋼的韌性，其原因是：材料的晶粒越細，晶界面積就越大，而晶界兩邊的晶粒的取向完全不同且完全無規(guī)則，并且晶界是原子排列相當紊亂的地區(qū)。因此，當塑性形變和微裂紋由一個晶粒穿過晶界進入另一個晶粒時，由于晶界阻力大，穿過晶界就比較困難；另外，穿過晶界后滑移方向和裂紋擴展又需改變。與晶內(nèi)的形變及裂紋擴展相
7、比，這種既要穿過晶界而又要改變方向的形變及裂紋擴展將要消耗很大的能量，故晶界的存在將使材料的強度和韌性都得到提高，并且材料的晶粒越細，材料的強度和韌性就越高。位錯塞積模型在外加切應力較小時，由于晶界的阻礙作用，會使晶粒1內(nèi)由位錯源放出的位錯形成位錯塞積，位錯塞積可以在相鄰晶粒內(nèi)產(chǎn)生較大的切應力，當這個應力達到該晶粒內(nèi)位錯源開動的臨界分切應力時，該晶粒內(nèi)的位錯開始滑移。計算結(jié)果為σy=σ0+kd-1/2位錯塞積引起相鄰晶粒中位錯源開動示意圖位錯的塞積假設(shè)在外加切應力τ0的作用下，有n個柏氏矢量為b的刃型位錯沿x方向塞
