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1、成分，扎制道次及压下量，扎起始及终了温度对微合金控扎钢组织性能的影响 摘要：微合金钢的发展微合金化钢是采用现代冶金生产流程生产的高技术钢铁产品，它是过向钢中添加少量微合金化元素（如Nb、V、Ti等），进行合金化，通过高纯洁度的冶炼工艺炼钢，在加工过程中施以控制轧制和控制冷却等新工艺，通过控制钢的晶粒细化和碳氮化物沉淀强化的物理冶金过程，在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的成型性能等最佳机械性能配合的工程结构材料。微合金化钢的开拓是钢的微合金化最为突出的技术进展，其原因不仅在于改进工艺、降低成本的需要，主要是大大改善了钢的力学性能和使用工艺特性。关键词：微合金钢 温度 元素成分 扎
2、制 1.1微合金化钢的强化理论通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。强化方法有细晶强化、沉淀强化、固溶强化、形变强化等，对于不同种类的钢，其强化方式各有特点，既可以是单一的强化方式，也可以是复合强化方式。实际强化过程中，往往是好几种强化机制同时作用。通常在微合金化钢中添加一些合金化元素的主要强化作用是：细晶强化，析出强化。细晶强化晶粒细化是钢最主要的强化方式之一，同时，它也是钢铁材料大幅度提高韧性的最重要的韧化方式。 1.1.1晶粒细化之所以既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，其原因是：材料的晶粒越细，晶界面积就越大，而晶界两边的晶粒取向完全不同且完全无规则，并且
3、晶界是原子排列相当紊乱的地区。因此，当塑性形变和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界就比较困难；另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展又需改变。与晶内的形变及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很大的能量，故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高，并且材料的晶粒越细，材料的强度和韧性就越高。 1.1.2晶粒长大是通过晶界迁移来实现的，所以影响晶界迁移的因素都会影响晶粒的长大，了解了这些影响因素后就可以采用合理的工艺使晶粒细化程度达最佳效果，这些因素主要有：1) 温度。由于晶界迁移的过程就是原子的扩散过程，温度越高，原子扩散系数越大，晶
4、粒长大速度就越快。通常在一定温度下晶粒长大到一定程度就不再长大，但温度升高后晶粒又会继续长大。2) 杂质及合金元素。杂质及合金元素溶入基体后都能阻碍晶界运动，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其作用更大。一般认为被吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能，从而降低晶界的驱动力，使晶界不易移动。3) 第二相质点。弥散的第二相质点对于阻碍晶界移动起着重大作用。晶粒大小与第二相质点半径成正比，与第二相质点的体积分数成反比。即第二相质点越细，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。在钢中加入少量的Nb、V、Ti、Al等元素，形成适当体积分数和尺寸的碳化物、氮化物等第二相质点能有效地阻碍高温下晶粒的长
5、大。4) 相邻晶粒的位相差，晶粒的界面能与相邻晶粒的位相差有关，小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的驱动力又与界面能成正比，因此，前者的移动速度要小于后者。 综合起来看，在微合金控轧钢中获得细晶的主要方法为：细化相变前的奥氏体晶粒，促进微合金元素碳氮化物的析出，增加奥氏体内部形核质点、快速冷却和弥散粒子钉扎阻碍晶界迁移等多种微合金化与控轧控冷相结合的方法。通过这些技术手段，可以获得微米、亚微米级的超细晶粒组织。析出强化材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法称为第二相强化或析出强化。析出强化是一种非常有效的重要强化方式。微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得
6、沉淀相质点。钢中细小弥散的沉淀相通过与位错发生交互作用，造成对位错运动的障碍度得以提高，也称为沉淀强化。添加微量的微合金元素可获得成百兆帕的强度增量，同时微合金碳氮化物析出相还有晶粒细化作用。沉淀强化效果明显。1.2微合金元素中仅Nb、V、Ti有析出强化作用，它们的碳、氮化物在奥氏体中溶解度是不同的，依次递增：TiN、NbN、TiC、NbC、VC，在铁素体中的溶解度大小次序也是如此。Nb的强度增量主要靠晶粒细化，而V的强度增量主要靠析出强化，Ti的作用居中，特点是0.08以下主要是晶粒细化，超过0.08时析出强化起主要作用。晶粒细化是同时提高强度和韧性的唯一手段，而微合金沉淀强化在提高强度的同
7、时却有损于韧性。在晶粒细化和沉淀强化二者同时存在的情况下，钢可以保持焊接性。 1.2.1钒微合金化主要采用钒铁或钒氮合金的添加，大量研究表明，钛、氮是含钒微合金钢中一种十分有效的合金化元素，是能够改善钢的强韧性的较好配合。钒作为唯一既可控制其在过程中的相间析出，又可在铁素体中随机析出的微合金化元素，在高强度低合金钢中得到了广泛的应用。 1.2.2V在微合金钢中的主要作用有以下几个方面：1) 加热时阻碍奥氏体晶粒粗化随着加热温度的提高及保温时间的延长，奥氏体晶粒将会变得粗大，而粗大的奥氏体对钢的加工性及细化铁素体不利。加入V可以阻碍或阻止奥氏体晶粒长大，提高钢的粗化温度。这是由于它的碳、氮化物弥
8、散的小颗粒能对奥氏体晶界起到钉扎作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，即阻碍了奥氏体晶粒的长大。2) 抑制奥氏体再结晶微合金元素对奥氏体再结晶的作用是影响奥氏体再结晶的临界变形量、再结晶温度、再结晶速度及再结晶晶粒的大小。微合金元素V阻碍奥氏体再结晶，使奥氏体再结晶数量降低，加大了再结晶开始和终了的临界变形量，从而使再结晶的晶粒减小，奥氏体再结晶的抑制为铁素体细化提供了有利条件。3) 细化铁素体晶粒通过增氮促进了V(CN)在奥氏体向铁素体转变期间在相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到细化铁素体晶粒的作用；高氮钒钢中由于在晶内有V(CN)的析出，该质点可作为铁素体形核的质点，促进晶内铁素体的形成
9、，有利于铁素体的晶粒细化。4) 析出强化作用V的主要作用是通过在铁素体中的析出强化来增加钢的强度，它可使钢的强度增加150MPa以上，V的这种效果在轧制中显得尤为重要。V的析出强化效果可以通过在钢中的N实现更高的效果。一般晶粒越小则强韧性越好，而析出强化使强度提高但降低韧性。随着钒的加入可以同时影响这两个因素，对于析出强化导致的韧性下降可以由晶粒细化来弥补综合改善钢的强韧性。 1.3控轧控冷技术在微合金化钢中的作用我国有丰富的铌、钒、钛和稀土资源，具有发展微合金钢控制轧制、控制冷却技术的广阔前途。为了产生细小铁素体晶粒钢并伴随着一定的沉淀强化，改善钢的成分的微合金化在改善某项性能的同时可能导致
10、其它性能的降低，所以控轧控冷技术发展起来。控制轧制是采用强化压下和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度与韧性等综合性能的一种工艺法。微合金化钢配合控轧控冷技术以取得最佳的细化晶粒和第二相均匀分布的组织状态，从而有效地改善钢的性能为根本目标。 1.3.1控制轧制的原理在控制轧制中根据轧制过程变形奥氏体的再结晶状态不同、相变机制不同，将轧制分为，奥氏体再结晶区控制轧制（型控制轧制，约950以上）、奥氏体未再结晶区控制轧制（控制轧制，约950Ar3）和（）两相区控制轧制，型控制轧制是在奥氏体变形后自发再结晶区域中进行轧制，它是形变再结晶反复交错发生，从而使奥氏体晶粒细化，进而细化了晶粒。 1.3.
11、2控制冷却目的及原理控制冷却工艺的目的是获得尽可能细的室温组织。应用控制冷却技术可以使晶粒和性能得到改善。由于控制冷却降低了Ar3温度，使铁素体得到细化，较低的铁素体转变温度使得钢中析出第二相质点，起到析出强化效果。阻止或者延迟碳化物过早的析出，在增加强度的同时减少碳当量，改善了焊接性能，成型性和韧性。钢筋的轧后控制冷却工艺主要是提高钢筋的综合机械性能，节约合金量。 1.3.3控轧控冷要素 微合金化元素的作用控轧钢中加入微合金化元素，其主要目的是为了与控制轧制相配合，最大程度的细化晶粒。Nb、V、Ti是最常用的细化晶粒的元素。它们能在钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些析出物的细小质点可以钉
12、扎晶界，具有强烈阻碍晶粒长大的作用。以上三种元素的析出物对晶界的钉扎作用是依次降低的，在微合金钢中，复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。变形量在高温区大变形量使变形晶粒完全再结晶，能得到均匀的奥氏体组织。在奥氏体未再结晶区（950Ar3）进行轧制，变形晶粒不再进行再结晶，而是沿轧制方向拉长，形成大量滑移带和位错，合金元素的碳氮化物优先从这些部位析出，且主要是沿着奥氏体晶界析出，可以阻止晶粒长大，因而相变后的晶粒更细更均匀，铁素体含量增加。随着道次变形量和此区间总变形量的加大，变形带的数量增加，分布更均匀，得到理想的组织结构，使钢的屈服强度增加，韧脆转变温度降低，并且韧性特别是低温韧性
13、得到明显改善。终轧温度在奥氏体轧制区时，终轧温度越高，奥氏体晶粒越粗大，转变后的铁素体晶粒也粗大，并易出现魏氏组织，对钢的性能不利，降低终轧温度可以引起晶粒细化，使屈服强度和韧脆转变能力改善。冷却速度控轧和控冷相结合，可以在降低微合金元素含量或含碳量的情况下，在强化微合金钢的同时又能保持较高的低温韧性。控制冷却的速度对于微合金钢的性能影响是十分重要的。冷却速度越快，通过相变温度区的过冷度越大，降低的相变温度Ar3，提高铁素体的形核速率并降低铁素体晶粒的长大速率，使铁素体晶粒得到细化。冷却速度对于微合金碳氮化物的析出有重要影响。冷却速度高时，碳氮化物析出量较多，当冷却速度过快时，晶粒虽然得到了细化，但微合金碳氮化物析出的减少，因此，强度不能得到大的提高。 综上所述，微合金控扎钢的组织性能与成分，扎制道次及压下量，扎起始及终了温度密切相关，控制好成分和温度，就可以获得高性能，良好组织的微合金钢。