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各類微量元素在鋼材中發揮的作用
發布時間:2015-6-9 14:20:37

 各類微量元素在鋼材中發揮的作用
 
1.Nb的作用
在超低碳貝氏體鋼(ULCB)的整個發展過程中,微量Nb起著獨特的作用。這類鋼中C含量已經降到0.05%,又不加入較多合金元素,因此強化主要靠位錯強化,析出強化特別是組織強化。近年來的研究表明,微量Nb在超低碳貝氏體鋼(ULCB)中的作用,主要體現在以下兩個方面。
 
 
(1)微量Nb抑制變形再結晶行為,加劇變形奧氏體中的應變積累,大幅度提高相變前組織中的位錯密度。超低碳貝氏體鋼(ULCB)的優良綜合性能主要來自鋼的組織細化以及貝氏體中的高位錯密度,再實現這一目標,首先需要在控軋過程中,在非再結晶區軋制時引入大量高密度畸變區,這些高密度畸變區在隨后的冷卻過程中成為相變核心,大幅度促進相變組織細化。同時,要在發生切變形型貝氏體相變過程中,能把相當一部分變形位錯保留在貝氏體基體中,從而大幅度提高貝氏體基體強度。為了達到這一點,要求鋼種有相當高的熱軋再結晶終止溫度以及抑制冷卻時擴散型鐵素體轉變的能力,合金成分設計充分考慮了Nb及Nb—B這方面的作用。
 
 
(2)微量Nb與B、Cu的復合作用加快了誘導析出,穩定變形位錯結構。微量Nb加入貝氏體鋼中的第二個作用是,這類鋼高溫非再結晶軋制階段會應變誘導形成極細的Nb(C、N)析出物。這些析出物主要析出在變形晶界及變形位錯網上,它們阻礙了位錯的恢復以及消失的過程,穩定了位錯結構,為隨后冷卻過程相變形核提供更多機會,同時組織新相的長大,最終細化組織。實驗研究表明當Nb和B、Cu綜合加入時,它們的綜合作用會進一步促進析出過程加速,并且進一步降低冷卻時的相變溫度,使最終組織進一步細化。 
 
 
2.Cu的作用
對含Cu的超低碳硼鋼研究發現,Cu能顯著地降低B鋼的γ→α轉變溫度,當采用爐冷時的轉變溫度降低160℃,即使用最快的冷速,仍可使轉變溫度降低40℃,實驗發現,Cu在單獨作用時,對γ→α轉變只有中等程度的影響,轉變溫度降低的數值正比于Cu 的含量,大約1%的Cu使轉變溫度降低11℃,但是在Cu—B系的低碳B鋼中Cu和B的復合作用是很顯然的,實際上,它們的復合作用比(Mo+B)的復合作用還強的多。Cu作為合金元素加入到鋼中除了對相變點發生影響外,主要是依靠銅鋼的時效硬化作用來得到好的綜合性能。例如鋼中添加了大量的Cu時,依靠Cu的時效硬化,在對韌塑性沒有明顯損害的條件下,得到高強度。各國的銅鋼的Cu含量不同,例如我國常常采用范圍在0.08—0.80%,而美國加入的Cu量很高,可達2.0%左右。
 
 
3 B的作用
B加入鋼中的主要作用是提高淬透性,B對淬透性的有利作用是由于推遲了鐵素體的形核過程,但并不影響奧氏體或鐵素體基體的熱力學性能。超低碳貝氏體鋼(ULCB)主要利用B在貝氏體晶界上阻礙鐵素體的形核,從而推遲奧氏體向鐵素體的轉變,提供一個很寬的范圍來形成貝氏體(甚至在空冷條件下)。同時,固溶B也促進了控軋控冷后的細小貝氏體組織形成,這種細小的貝氏體內含有較多的穩定位錯,形成時又繼承了奧氏體內產生的形變位錯,加工利用Nb、Ti、V等的析出強化,屈服強度可達500—900MPa韌性也明顯高于普通低合金高強度鋼。B加入鋼中對奧氏體再結晶有阻礙作用,同時B加入Nb鋼中,由于B間隙固溶,而Nb為置換固溶,B加入相當于增加了間隙原子的碳、氮等的有效濃度。因而促進了沉淀析出。B加入鈮鈦微合金鋼中大大縮短了沉淀的孕育期。這是由于B的加入使鋼中增大了溶質濃度積,并且由于非平衡偏聚的發生,這種增加在晶界和位錯附近更為顯著。因而增加了沉淀析出動力。
 
 
4 Ti的作用
對于硼鋼,硼可以增加鋼的淬透性,它除了與在鋼的含量有關外,還與其在鋼中的存在形式有關。而存在形式又受鋼中其他元素的制約。如氧和氮都對淬透性有強烈的影響。在鋼液中硼很容易和這兩種元素化合,而降低硼對淬透性的有效性。加入微量Ti的低碳鋼的沖擊韌性普遍較好,且隨著溫度升高,沖擊韌性值增大,但其沖擊韌性值變化幅度不大。微量的Ti可以有固氮護硼的作用,加入微量Ti可形成穩定的氮化物而減少氮對硼淬透性作用的不良影響。
 
 
5 其他元素的作用
Ni:加入主要為了防止Cu鋼熱脆性同時增加腐蝕抗力。Mn、Mo:推遲多邊形鐵素體的轉變,延遲貝氏體轉變。
 
 
6 超低碳貝氏體鋼(ULCB)再結晶行為的研究
由于此類鋼是一種微合金鋼,鋼中的幾種微合金元素對鋼材的性能有決定性作用,所以,關于微合金的研究,國際上多年來一直有很多工作。如用間斷壓縮方法和應力弛豫等方法研究微合金元素尤其是B和Nb、Ti、V等加入超低碳鋼中的作用,以顯示結構和力學性能角度研究了各種微合金元素的加入對奧氏體再結晶和γ→α轉變影響后,認為Nb細化晶粒的作用最強,而Nb和B的復合加入更明顯的阻礙了這類鋼的動、靜態再結晶的進行。從而可得到強度韌性俱佳的細小貝氏體組織。從附圖可以看出,Nb和B的混合加入可以很大的提高再結晶停止溫度,也就是說,Nb和B可以有效的阻礙奧氏體再結晶。
    
     在普通碳鋼通常依靠加入碳來提高強度,這樣就造成了提高碳含量的同時必然降低鋼的塑性和韌性。使普碳鋼不能滿足強度與韌性的更好組合,由此人們開始研究不增加碳含量,加入其它元素來提高強度,也就是保持低碳鋼的韌性前提下,利用微合金化提高強度。此類鋼的綜合力學性能比低碳結構鋼有很大的改善,而與普通合金鋼相比,其添加的合金元素又如此之少,按重量百分比,再繼之以控制冷卻,才能使鋼的性能更佳,此類鋼使用之前一般不再進行熱處理。微合金化元素在鋼中的作用主要是細化晶粒,阻礙再結晶進行以及析出強化。
 

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