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微合金化鋼的控制簡述

出處:中國冶金報社 作者: 發布時間:2020-11-07 10:24:28

       傳統上,鋼中微合金化元素的作用是細化晶粒,以此來提高鋼的強度和韌性,同時依靠微合金化元素的析出來進一步提高強度。鋼中常用的微合金化元素有Ti、Nb、V和Al,它們在鋼中的作用一般是通過析出強化來提高鋼的強度,固溶強化作用對鋼的強度貢獻則要低得多,因此這些元素在工業生產中的奧氏體化過程中的固溶度則要給以足夠的考慮。相對于低碳含量的扁平材,中碳特鋼往往含有高的氮含量,這樣在鋼中就會不可避免地形成大尺寸的TiN,因為TiN的溶度積很小,這些大尺寸的TiN析出物以及鋼在凝固過程中所產生的一次析出物對材料的疲勞性能和韌性非常有害,所以要限定微合金化元素的上限含量。

  對于含Cr、Mo的鋼,當Nb含量為0.09%、碳含量超過0.6%時,即便是在平衡條件下仍然會有一次析出物產生。在材料進行鍛造加工前,通常會采用較高的加熱和保溫溫度,以便使鋼水在連鑄過程中所形成的Nb的碳化物和碳氮化物充分固溶。對于0.5%C和0.06%Nb的鍛鋼,Nb的化合物在1250℃的常規加熱溫度下不會完全固溶。當鋼中碳含量越低時,則在同樣的溫度下固溶的Nb含量越高。微合金化元素在鋼中的溶解度不但受碳含量的影響,而且還受氮含量的影響,但對高碳鋼中微合金化元素的溶解度影響不大。

  此外,在鍛鋼中,在平衡條件下,幾乎所有的析出發生在奧氏體溫度范圍內,而低碳含量的HSLA鋼(高強度低合金鋼)的析出則大量發生在900℃以下的鐵素體溫度區域,鐵素體中的析出物尺寸細小,通常小于10nm,這對于利用其析出強化作用來提高鋼的強度是有利的。而在奧氏體中形成的析出物則尺寸相對粗大一些(20-50nm),這對于控制晶粒尺寸是有利的。

  對于合金元素含量比較高的鋼來說,合金元素的偏析情況需要給予考慮,特別是當采用模鑄來生產原材料時,因為鋼錠內部凝固速率很低,更容易導致宏觀偏析的產生。利用可移動邊界模型對連鑄坯中Nb的偏析情況進行了計算,凝固過程中連鑄坯的冷卻速率是0.2K/s,偏析系數S*=Cmax/Cmin,其中Cmax和Cmin為凝固組織中不同部位固溶的Nb的最大和最小含量,以析出物形式存在的Nb忽略不計。計算結果表明,Nb的偏析程度隨鋼中碳含量的增加而增加,在碳含量為0.2%-0.5%時達到最大。根據文獻提供的經驗公式,鋼中碳含量還會改變二次枝晶間距,并在0.15% C時具有最小的值。除了碳含量,鋼中Nb的偏析系數S*還受其他合金元素的影響,促進鐵素體形成的Si和Mo會減小S*,而N和Ni則會增強Nb的偏析趨勢。

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