6.微合金元素在控制轧制中的作用

６微合金元素在控制轧制中的作用微合金钢：合金元素总含量小于0.1%的钢常用合金元素：铌、钒、钛特点：与碳、氮形成碳化物、氮化物和碳氮化物这些化合物在高温下溶解，在低温下析出作用：①加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大②在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大③在低温时起到析出强化的作用钢的成分常规轧制控制轧制%σsN/mm2FATT℃σsN/mm2FATT℃0.14C+1.3Mn313.9+10372.7-100.14C+0.034Nb392.4+50441.3-500.14C+0.08V421.8+40451.1-250.14C+0.004Nb490.3-70+0.06V微量合金元素需要控轧工艺控轧工艺也需要微量合金元素6.1微合金元素在热轧中的溶解和析出6.1.1轧前加热过程中的溶解1．铌在奥氏体中的溶解C%↓、T加℃↑→铌的溶解度增加6锰促进铌向奥氏体中固溶2．钒在奥氏体中的溶解T加℃↑、Mn%↑→钒的溶解度增加每增加1%锰可使钒增加30%溶解量研究表明，钒的碳化物在900℃时就全部固溶于奥氏体中了，其溶解度要比Nb(CN)大得多。3．钛在奥氏体中的溶解与铌类似66.1.2控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出以Nb(CN)为例研究析出状态1．各阶段中Nb(CN)的析出状态①出炉前的Nb(CN)质点状态含铌钢加热到1200℃均热2小时，90%以上的铌固溶到奥氏体中，没固溶的Nb(CN)质点粗大，大约在1000左右，对轧后奥氏体晶粒的再结晶不起作用。将钢加热到1260℃，保温30min，Nb(CN)全部溶解②出炉后冷却到轧制前Nb(CN)的析出状态未变形的奥氏体中Nb(CN)析出很慢，析出极少，与出炉前相差无几。即使析出，Nb(CN)质点也很大，可达1000~300，其大小与析出温度有关。③变形奥氏体中Nb(CN)的析出状态变形中析出——动态析出过程变形速度很低时才能发生变形后析出——静态析出过程变形使钢中铌的析出大大加快变形量越大、变形后停留时间越长——析出量越多Nb(CN)析出需要孕育期，变形量越大、固溶体过饱和程度越高，轧后到弥散相开始析出的停留时间越短，并且析出速度越高。高温轧制时，由于发生动态再结晶，变形产生的位错和畸变能消失，碳氮化物没有显著析出，析出速度不大。低温轧制时，奥氏体不发生再结晶，晶内缺陷增多，形变诱导析出，大大促进了碳氮化物的析出，析出速度增加。Nb(CN)质点的析出部位及大小与变形温度有关：高温轧制后（再结晶区轧制），Nb(CN)质点沿奥氏体晶界析出，而在晶内析出量很少，颗粒直径在200左右。低温轧制后（未再结晶区轧制），Nb(CN)质点在晶界上也在晶内和亚晶界上析出，颗粒细小，直径50~100控制轧制就是应用这种微细的Nb(CN)质点固定亚晶界，阻止奥氏体晶粒再结晶，达到细化晶粒的目的。④在奥氏体向铁素体转变过程中和在铁素体内Nb(CN)的析出状态当A→F相变发生后，微量元素达到高度过饱和，产生快速析出。析出地点：A→F转变的相界面呈细小点状成排排列称为相间沉淀6冷却速度大，析出温度低，相间沉淀排间距小，析出质点小。析出时间长，质点长大。16如铌钢830℃析出，经5min后，质点为300800℃析出，经1小时后，质点为50~100720℃析出，质点只有40~80相变后剩余在铁素体中的固溶铌将在铁素体中继续析出。研究表明，碳氮化物在钢中的沉淀方式有：①有规则分布列状相间沉淀②无规则分布位错线上沉淀和基体沉淀两者共存在于各个铁素体晶粒中，后者是主要的和多见的，列状组织相当稀少。Nb(CN)析出特点析出时机析出物特点质点大小加热后是固溶于奥氏体后的剩余化合物＞1000轧制前析出数量极少，析出部位在晶界300~1000在奥氏体有孕育期形变诱导析出，动态析区变形时出，析出数量少，析出部位在位50~70错密度高处在变形后的变形诱导析出的继续，析出量大，~200(再结晶)停留时间里主要析出在晶界、亚晶界、变形50~100(未再(直到相变前)带、位错处结晶区变形)A→F相变中在A/F相界上或F相内成无规则沉淀50~100F相区位错上，F相内＜502．影响Nb(CN)析出的因素①变形量和析出时间的影响变形量增加、析出时间加长→析出量增加6在大变形量条件时，开始随时间增长而增加，但很快达到饱和②变形温度的影响析出量相等，未再结晶区轧制所需时间比再结晶区轧制短在同一条件下，析出量一定时，在高温等温时间短，而低温所需等温时间长。③化学成分的影响钢的成分不同，析出量不同16.2微合金元素在控制轧制和控制冷却中的作用微合金元素的作用主要是细化铁素体晶粒及析出强化6.2.1加热时阻止奥氏体晶粒长大加入铌、钒、钛等元素可以阻止奥氏体晶粒长大，提高钢的粗化温度。微量合金元素形成高度弥散的碳氮化合物小颗粒，对奥氏体晶界起固定作用，阻止奥氏体晶界迁移，阻止奥氏体晶粒长大。6.2.2抑制奥氏体再结晶1．对动态再结晶临界变形量(εP)的影响在普碳钢中加入铌、钒后，使εP↑，显著阻滞形变奥氏体的动态再结晶1动态再结晶的开始时间Q235钢60秒0.18Nb钢110秒0.35Nb-V钢160秒0.482．对再结晶数量的影响随铌析出量增加，奥氏体再结晶数量降低。113．对再结晶速度的影响加入铌后，再结晶速度↓，再结晶开始时间和完成时间都比不含铌钢推迟。1温度在1000℃以上时，铌量增加对再结晶速度的影响不显著。4．对静态再结晶临界变形量的影响加入铌，临界变形量增加66含铌量不同对再结晶临界变形量的影响也不同5．对再结晶晶粒大小的影响在同样条件下（轧制温度和变形量相同），含铌钢的再结晶晶粒小于不含铌钢的再结晶晶粒。铌在奥氏体中以三种形式存在：①加热时尚未溶到奥氏体中的Nb(CN)②固溶到奥氏体中的铌③加热时溶解、轧制过程中重新析出的Nb(CN)一般认为，第①种Nb(CN)颗粒较大，不能抑制再结晶的发生T℃＞1000℃再结晶先于铌的析出，再结晶达50%后铌才开始析出。铌阻止再结晶的原因是由于固溶于奥氏体中的铌与位错的相互作用阻止晶界的迁移。T℃＜900℃Nb(CN)在再结晶之前析出，在再结晶过程中继续析出。铌阻止再结晶的作用机理有不同的看法。其一，有人认为是固溶于奥氏体中的铌的作用其二，有人认为是析出细小的Nb(CN)质点阻止再结晶的进行也有人认为两者都起作用6.2.3细化铁素体晶粒微量合金元素的加入，阻止奥氏体晶粒长大，又能阻止奥氏体再结晶的发生，因而细化了铁素体晶粒。实验表明，铌的细化铁素体晶粒效果最为明显，钛次之，钒最差。加入量达一定值后，铁素体晶粒基本不变。铌量的饱和值为0.04%，钛量为0.08%，钒量为0.10%。6.2.4影响钢的强韧性能晶粒细小→强韧性好沉淀强化→强度提高韧性降低铌：在控制轧制中，铌产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化钛：沉淀强化作用大，晶粒细化中等。钛钢抗脆性能力较低。对于厚规格的常化板，钛和镍结合最有利。钒：产生中等程度的沉淀强化和比较弱的晶粒细化。61.Nb、V、Ti等元素在控轧中的作用如何？2。铌、钒、钛在钢中的溶解度和哪些参数有关？3。微合金元素从加热、轧制到相变后的各个阶段中其析出物的特点、质点大小如何？4。用图示意说明钢中铌、钒、钛含量对材料强韧性的影响？5。为什么说微合金化钢只有采用控制轧制工艺才能获得良好的力学性能？又为什么说采用控制轧制工艺的钢在多数情况下需要加入微量合金元素？