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,1200,C,，,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,。,1260,C,：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,N,b,量与变形变量和变形后停留时间的关系,N,b,(P),：在沉淀相中的,N,b,量占钢种,N,b,量的,%,为未变形的奥氏体；为形变量,43%,；为形变量,73%,N,b,(C,、,N),平均析出速度,：,高温、低温析出都很慢。,终轧温度的影响：,高温轧制后,（再结晶轧制，如,1050,C,）,:,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,900,800,C,）,：,加大了铌的析出速度,析出颗粒细（,50,100,）,。,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，,10,15,左右的铌未从铁素体中析出。,(4),奥氏体向铁素体转变过程中,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,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,曲线,钢号,铌，,%,氮，,%,碳，,%,钼，,%,1,2,3,4,76320,D43,D45,32675A,0.04,0.04,0.05,0.045,0.003,0.008,0.005,0.006,0.19,0.10,0.12,0.10,-,-,0.23,0.17,图,4-8,铌钢经,50%,变形后在,900,C,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,1050-1100,C,，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,1250,C),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。,（,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,900,C,和,850,C,时，软化速率比,含碳低的钢慢得,多，而在,1000,C,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,900,C,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,900,C,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,1000,C,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 1000,C,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,0.05%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,1250,C,，,0.13%Nb,，晶粒度：,1.7,级,2-,加热温度,1250,C,，,0.03%Nb,，晶粒度：,2.8,级,3-,加热温度,1150,C,，,0.03%Nb,，晶粒度：,2.4,级,4-,加热温度,1250,C,，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-,加热状态下含,0.03%Nb,的钢,2-,加热到,1250,C,后压下,65%,并且再结晶终了的不含铌钢,3-,加热到,1250,C,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；,7-100%,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%Si1.50,Mn,，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,0.20%Cr,0.20%Cu,；,3-0.03%Nb,0.04%V,0.20%Cr,；,4-0.03%Nb,0.04%V,5-0.03%Nb,0.20%Mo,；,6-0.03%Nb,图,4-29,钒、铬、铜、镍和钼对在,1180,760C,温度范围内进行控制轧制的,15.4mm,厚钢板屈服强度和夏比,V,型缺口,50%,纤维状断口转变温度（,FATT,）的影响,（所有钢板的基本成分为,0.09%C,1.35%Mn,0.30%Si,）,