微合金化非调质钢.pptx

第第5 5章章 微合金化非调质钢微合金化非调质钢非调质钢（non-quenched and tempered steel)指在制造和应用过程中，通过采用微合金化、控制轧制(锻造)和控制冷却等强韧化方法，取消调质热处理，能够达到或接近调质钢性能的优质或特殊质量钢。非调质钢的种类：铁素体+珠光体型非调质钢（铁素体+贝氏体）型非调质钢贝氏体型非调质钢（贝氏体+马氏体）型非调质钢马氏体非调质钢非调质钢主要特点在于：节能、省略热处理、生产周期短、硬度分布均匀、抗拉强度和疲劳强度与同等级的调质钢相当、没有调质处理过程中的弯曲形变和淬裂废品等 非调质钢的微合金化非调质钢的微合金化合金元素的基本作用合金元素的基本作用非调质钢中的合金元素分为两类其中一类是锰、铬、钼等合金元素，它们的作用除与在普通合金钢中相同的作用之外，还通过降低相变温度来细化晶粒，并细化相变过程中或相变后析出的微合金碳氮化物；第二类是形成碳化物或氮化物的微合金化元素，如钒、钛、铌、硼、铝等。根据它们在钢中存在形式的不同，将对非调质钢的性能产生不同的影响。合金元素合金元素都具有固溶强化作用，提高非调质钢的强度。硅能促进铁素体形成，并有一定的细化晶粒的作用，能改善铁素体一珠光体的韧性；锰、铬、钼等能降低相变温度、细化铁素体晶粒、减小珠光体片间距，并细化相变过程中或相变后析出的微合金碳氮化合物，使韧性有所增加。锰、钼能有效地推迟高温珠光体转变，促进贝氏体形成；对于碳含量较低、锰和硅含量较高的铁素体一珠光体型非调质钢，可以通过加入少量钼获得针状铁素体(一种铁素体呈板条状的类贝氏体)的方法改善韧性。微合金元素钒、钛、铌在非调质钢中的作用：奥氏体中未溶解的微合金碳氮化物质点钉扎晶界，阻止奥氏体晶粒长大；通过应变诱导析出的微合金碳氮化物沉淀在晶界和位错上，起钉扎作用，阻止再结晶和位错的运动，抑制或阻止回复、再结晶过程的进行；微合金元素的碳氮化物起沉淀强化作用；钒、钛、铌等强碳化物形成元素能固定钢中的一部分碳而导致碳含量的变化，钢的组织、形态及分布也将受到影响；固溶于钢中的微合金化元素提高过冷奥氏体的稳定性，降低转变的温度，改变钢的显微组织，从而对钢的性能产生显著影响。在细化晶粒上，复合微合金化比单独添加微合金化元素的效果更显著。非调质钢中的钒VC在奥氏体区不能析出，呈完全溶解态。钒微合金化钢不能实行非再结晶控轧，钒可形成VN，细化奥氏体相变后的铁素体、珠光体组织。在低碳钢中，形成钒的氮化物的最佳温度为900，作为再结晶控轧空间很小。当V/N比达到理想化学配比(V/N=3.64)时，钒能最大程度地析出，增强沉淀强化效果。偏离此配比越大，固溶含量越高。VN大量沉淀会使韧性损失，采用Nb-V-Ti复合微合金化较合适。非调质钢中的钛钛是很强的氮化物、碳化物形成元素，钛的氮化物在接近凝固前或凝固过程中形成。钛、氮含量越低，形成TiN的温度越低，颗粒尺寸越小，而且均匀弥散分布，可以成为液态结晶核细化原始晶粒，还可以阻止再加热时晶粒长大。钛含量足够多时，还可在奥氏体区内形成TiC，对形变奥氏体再结晶起“钉扎”作用。非调质钢中的铌铌的碳氮化物在轧钢时可以“钉扎”晶界，阻止晶粒长大。固溶铌由于其原子半径比铁大得多，在晶界富集浓度可达到1.0%以上(原子比)，而晶内较低，使铌具有强烈的“拖拽”晶界移动的能力。这两种作用让铌具有阻止晶粒长大的最佳效果，使钢在1100900之间的热加工的道次之间，不发生再结晶，可以累加形变量，奥氏体晶粒达到高形变延伸而成薄“铁饼”状，在转变时为形核提供大量晶界面。相变后的铁素体细化程度决定于晶粒的非再结晶形变度，Nb(C,N)的“钉扎”作用和铌原子的“拖拽”作用，使控轧控冷效果最佳。Nb(C,N)颗粒尺寸越细，强度增量越大。固溶铌是析出Nb(C,N)的组分，由终轧温度控制，铌的质量分数为0.05%的铌钢，在终轧温度1000以上时，均有一部分铌固溶，可供相变或相变后析出产生进一步强化。超低碳的铌钢在终轧温度下有大量固溶抑制相变，抑制二次(先共析)铁素体析出，可以发生B转变。硼在非调质钢中的作用主要是增大贝氏体转变区的范围，在轧制缓冷的条件下，这类非调质钢常常表现出非常好的强韧性。非调质钢中的铝铝的氮化物和V、Ti、Nb的氮化物有相似的影响，但析出条件和产生的效果与其它元素相比存在一定差异。AIN具有沉淀强化和细晶强化作用，但由于A1N在低温下的过饱和铁素体中形核较困难，因此其沉淀强化作用没有细晶强化对强度的贡献显著。非调钢中的稀土稀土元素在钢中的作用除净化钢水(如降低硫含量)、改变钢中残留夹杂物(如硫化锰)形态、脱氢等作用；稀土在钢中晶界的偏聚能抑制硫、磷等低熔点夹杂在晶界的偏析，并能与这些夹杂形成高熔点的化合物，消除低熔点夹杂的有害影响，净化和强化晶界，阻碍晶间裂纹的形成和扩展；钢中细小弥散的稀土氧化物（如CeO2或者Ce203)，可以作为结晶核心而细化铸态晶粒，还可以提高晶界对位错运动的阻力，从而提高钢的强度和韧性，降低脆性转变温度等.非调质钢中的氮含量控制在含钛的非调质钢中，其含量对强韧性的影响明显。有研究认为，含钛非调质钢中的氮含量应满足以下要求：(Ti)/(N)3.0或0.4(Ti)(3S+N)1.0，否则，易引起析出粗大的TiN，损害切削加工性和疲劳性能。氮含量太低，还可能使V(C，N)中氮贫化，从而降低其强化作用。在钒微合金化钢中，增氮不仅促讲了V(C，N)的析出，还减小了V(C，N)颗粒的平均尺寸，大大增加了颗粒尺寸低于10 nm的细小析出相的百分数。细小弥散V(C，N)析出相数量的增加是钒氮钢强度升高的主要原因。微合金元素对强化的影响 不同时期析出的微合金化元素的碳氮化物，其强化机制不同。在奥氏体化温度下析出时，是钉扎晶界机制，阻止奥氏体晶粒的粗化或阻止奥氏体再结晶和晶粒的长大，以利于相变形成细小的铁素体；在发生铁素体相变后，在铁素体中析出时，通过第二相质点强化铁素体基体，产生显著的析出强化。Nb4C3的尺寸及铌含量对低碳钢屈服强度的影响 第二相质点数、各元素含量与非调质钢强度的关系：Gladman关于铁素体一珠光体组织微合金非调质钢的力学性能表达式:s=f1/335+58(Mn)+17d-1/2+(1-f1/3)179+3.9S-1/2+63(Si)+425(N)b=f1/3246+1143(N)+18d-1/2+(1-f1/3)719+3.5S-1/2+97(Si)式中，f一第二相粒子的体积分数；d铁素体晶粒尺寸；S珠光体片间距。第二相粒子的体积分数增加、铁素体晶粒尺寸和珠光体片间距减小、合金元素含量上升，钢的强度提高。微合金元素可以视同为铁素体或珠光体的作用，如果迭加上微合金化碳氮化物的线性强化相，屈服强度可以表示为：s s=s s(Gladman)+A(Gladman)+A1 1(V)(V)+B+B1 1(Nb)(Nb)(C)(C)+A A2 2(V)(V)+B+B2 2(Nb)(Nb)(N)(N)公式中的A和B是与热加工相关的系数，因为析出粒子尺寸和体积更决于热加工过程。Y.SawadaY.Sawada等通过对钒或钒等通过对钒或钒+铌微合金非调质钢的研究，得铌微合金非调质钢的研究，得出的描述非调质钢的强度关系式如下：出的描述非调质钢的强度关系式如下：s s=s s(Gladman)+2032(Gladman)+2032(V)(V)-3.18-3.18(Nb)(Nb)(C)(C)+110300+110300(V)(V)+2.35+2.35(Nb)(Nb)(N)(N)b b=b b(Gladman)+592(Gladman)+592(V)(V)-12.42-12.42(Nb)(Nb)(C)(C)+116560+116560(V)(V)+2.46+2.46(Nb)(Nb)(N)(N)由以上表达式可见，由以上表达式可见，VCVC、V NV N、NbNNbN溶解度溶解度积增加，钢的强度提高积增加，钢的强度提高；而；而NbCNbC溶解度积增加，有损于溶解度积增加，有损于钢的强度钢的强度。钒对韧性的影响钒对韧性的影响钢中加入钒不仅能提高钢的强度、降低过热倾向，而且对钢的低温韧性有明显的影响。当钒含量(质量分数)低于0.1%时，随着钒含量的增加的韧脆转变温度降低。当钒含量(质量分数)超过0.1%时，钒含量增加，韧脆转变温度反而升高。这是因为钒含量较低时其析出物细小弥散，起到明显细化晶粒的作用，使钢的强韧性提高。钒含量过高时，析出物数量增加尺寸增大导致钢的韧性降低。在含锰和硅的钢中，加人少量的钒就可以明显减轻这两种元素在晶粒长大和提高韧脆转变温度的影响。钛对韧性的影响钛与碳、氮、硫均有较强的亲和力，一方面与碳氮结合形成碳氮化物产生细晶强化作用，另一方面又能与硫作用形成塑性比硫化锰低得多的硫化钛，从而降低硫化锰的有害作用，改善钢的横向性能。钛含量较低时增加钛含量不引起钢的韧性下降，但钛含量过高，由于在晶界上形成钛的氮化物和硫化物而引起钢的脆化。在其它成分基本相同的情况下，加钛钢较不加钛钢强度明显提高，但韧脆转变温度也有一定程度的提高。另外，钛的碳氮化物通过“钉扎”机制，具有细化晶粒的作用，可以提高韧性。因此，在当今的技术条件下，钛不仅是提高非调质钢强度的重要元素，而且是改善非调质钢韧性的重要元素。第二相质点数、各元素含量与铁素体一珠光体非调质钢韧脆转变温度的关系式：Tc=f(-46-11.5dTcf(-46-11.5d-1/2-1/2)+(1-f)(-355+5.6S)+(1-f)(-355+5.6S-1/2-1/2-13.3p-13.3p1/21/2+3.4810+3.48106 6t)t)+49+49(Si)(Si)+762+762(N)(N)1/21/2式中f一第二相粒子的体积分数；d铁素体晶粒尺寸；S珠光体片间距；p珠光体团尺寸；t渗碳体片厚度。进一步描述微合金非调质钢的韧脆转变温度，Tc()：Tc=Tc+306Tc=Tc+306(V)(V)-19-19(Nb)(Nb)(C)(C)+30200+30200(V)(V)+8+8(Nb)(Nb)(N)(N)随着第二相粒子体积分数的增加，铁素体晶粒尺寸、珠光体片间距、珠光体团尺寸以及渗碳体片厚度减小，钢的韧脆转变温度降低，韧性提高。控轧控冷工艺对非调质钢性能影响的基本特点：(1)加热温度：随加热温度升高，钢的强度、韧性和硬度降低。其原因在于：钢在奥氏体化过程中，随着加热温度的升高，奥氏体晶粒也随之长大，在其它影响因素不变的前提下，粗大的原始奥氏体晶粒，必然导致成品晶粒粗大化，而粗大的晶粒则造成强度、韧性、硬度降低。(2)终轧温度：随终轧温度的降低，组织细化，强度提高。但对韧性的影响可能出现不同的情况，温度过低，硬化的组织得不到回复，韧性会下降。(3)冷却速度：随冷却速度增大，相变组织从铁素体一珠光体向贝氏体、马氏体过渡。对于铁素体一珠光体型钢，冷速增加，细化铁素体和珠光体晶粒，韧性提高，强度增大；冷速过大，可能出现贝氏体和马氏体，降低塑性。对于贝氏体钢，冷速增加，强度和韧性都提高较多；冷速过大，生成马氏体，强度增加，伸长率下降。(4)形变程度：在奥氏体未再结晶区进行形变时，形变程度越大，相变后晶粒就越细小，综合力学性能就越好。(5)形变速率：在不同的形变速率下，钢的显微组织变化不很明显，对钢力学性能的影响不大。铁素体珠光体型非调质钢铁素体珠光体型非调质钢应用于结构件的热锻F+P型非调质钢，强度高、价格便宜常用来代替部分40、40Cr、40MnB、45、50等结构钢，使用最多的汽车零件是曲轴、连杆、转向节、轮载等。德国汽车行业中曲轴、连杆、前轴、半轴等锻件70%以上采用非调质钢制造；日本目前汽车制造业中75%的连杆、90%的曲轴采用了非调质钢；瑞典Volvo汽车制造厂每年约耗25000多吨非调质钢制造汽车零件。早期的非调质钢大多用钒(仅巴西用铌)微合金化，制品从锻造温度直接在空气中冷却，通过析出碳化钒来实现强化。钢的组织为铁素体珠光体，抗拉强度大于770MPa，屈服强度大于540MPa，而室温夏比V缺口韧性为714J，脆性转变温度在室温以上。铁素体珠光体型非调质钢提高强度和韧性的主要技术手段晶粒细化法晶粒细化法对于热锻状态下使用的铁素体珠光体型钢，晶粒细化的最有效方法是在加热时防止奥氏体晶粒粗化。为此，在进行热锻或者热轧之前的加热时，为防止晶粒粗化，在钢中添加铝和钛等元素，通过析出AlN和TiN来钉扎晶界是非常有效的措施。经微钛处理的各种强度水平的非调质钢，冲击韧性的韧脆转变温度平均下降40以上。另外还发现连铸非调质钢采取微钛处理，能更加有效地提高韧性。这是因为连铸坯中析出的TiN颗粒更细小，阻碍奥氏体晶粒长大的效果更显著。温锻 非调 质 钢(化学 成分(质量分 数)为：0.25%0.6%C、0.1%1.0%Si、1.0%2.0%Mn、0.0l%0.06%Al、0.3%1.0%Cr、Ti0.1%或Nb0.1%)在低于Ac3温度终锻加工后具有微细的铁素体珠光体组织，其抗拉强度可达800MPa，冲击值达90Jcm2，伸长率在20%以上，强度、韧性和塑性比常规工艺生产时显著提高。33Mn2V33Mn2V的光学显微组织的光学显微组织(0.300.40 C,0.290.40 Si,1.401.69 Mn,Ti 0.02,V 0.12,N 0.014)(0.300.40 C,0.290.40 Si,1.401.69 Mn,Ti 0.02,V 0.12,N200。为保证高韧性，这类钢的碳含量(质量分数)一般在0.10%以下。但过低的碳含量会导致强度不足。为得到980 MPa级的高强度，碳含量(质量分数)一般不得低于0.04%。成分(质量分数)为0.04%0.05%C、0.25%Si、1.6Mn、1.0%Cr、0.07%Nb、0.002%B的马氏体型非调质钢，是从强度、硬度和韧性多方面综合考虑而选择了0.04%0.05%的最佳碳含量(质量分数)；为促进马氏体转变提高淬透性，增加了锰和铬，并考虑到切削性而将锰含量(质量分数)定为1.6%；加微量硼，更加有效地提高了淬透性，加硼并降低碳含量还有减小焊接裂纹敏感性的效果。此钢经控轧控冷后所形成的显微组织主要是马氏体和少量贝氏体，抗拉强度高达980MPa，冲击韧性在78.4J以上。直接淬火钢直接淬火钢直接淬火回火非调质钢直接淬火回火非调质钢直接淬火回火非调质钢的钢种包括碳钢、硼钢和微合金化钢。微合金化钢的成分(质量分数)在(0.15%030%)C-(1.0%1.5%)Mn基础上添加(0.03%0.20%)V、Ti进行微合金化。经调节终轧温度，使直接淬火-回火钢的强度水平超过1100MPa，同时伸长率能达到18%。在最后轧制道次分级加速冷却，一般屈服强度达750MPa，伸长率大于25%。在(+)区轧制可使屈服强度达800 MPa，伸长率达22%。B B低碳马氏体直接淬火非调质钢低碳马氏体直接淬火非调质钢低低碳碳马马氏氏体体的的强强度度与与钢钢的的碳碳含含量量有有密密切切关关系系，这这类类钢钢的的碳碳含含量量(质质量量分分数数)一一般般低低于于0.2%0.2%，但但碳碳含含量量过过低低会会使使钢钢的的强强度度不不足足，为为达达到到1000 1000 MPaMPa，碳碳的的质质量量分分数数至至少少有有0.05%0.05%。提提高高淬淬透透性性，低低碳碳马马氏氏体体非非调调质质钢钢的的锰锰含含量量(质质量量分分数数)一一般般在在1%1%以上，并添加以上，并添加CrCr、B B、TiTi、V V等元素。等元素。钢钢的的锻锻、轧轧后后控控制制冷冷却却的的终终止止温温度度略略低低于于马马氏氏体体转转变变始始点点，这这时时可可获获得得最最大大程程度度的的自自回回火火，从从而而具具有有最最佳佳的的强强度度和和韧性配合。韧性配合。第章高强度油气管线用钢管线钢的发展主要经历了以下几个阶段：(1)普通碳素钢：早期建设的管道由于管径小，压力低和冶金技术的限制，管道用钢一直采用普通碳素钢。(2)普通低合金钢：低合金高强度钢(HSLA)，其中包括X42，X46，X52，是在普通碳素钢的基础上加上少量合金元素而发展起来的一种高强度结构钢。和普通碳素钢一样，主要是以热轧或正火状态交货。(3)微合金化高强度低合金钢(简称微合金化钢)：X56、X60和X65三种钢。这些钢突破了传统的C-Mn合金化加正火的生产过程，在钢中加入微量(不大于0.2%)Nb、V、Ti等合金元素，并通过控制轧制工艺，使钢的综合力学性能得到明显的改善。(4)Mn-Mo-Nb系微合金化高强度钢：X70钢、X80钢。国际上用于天然气输送的焊管，85%是X70钢级，已成功进行了X90和X100螺旋焊管钢管试生产，目标是生产各种规格的X100钢管，正在研制X120钢管。超纯净管线钢超纯净管线钢硫硫显显著著增增加加裂裂纹纹敏敏感感率率；影影响响管管线线钢钢的的冲冲击击韧韧性性，导导致致管管线线钢钢各各向向异异性性等。等。磷磷的的偏偏析析促促使使偏偏析析带带硬硬度度增增加加，使使HICHIC性性能能下下降降；磷磷恶恶化化焊焊接接性性能能；磷磷还显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使钢管发生冷脆。还显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使钢管发生冷脆。氢氢是是导导致致白白点点和和发发裂裂的的主主要要原原因因，管管线线钢钢中中的的氢氢含含量量越越高高，HICHIC产产生生的的几率越大，腐蚀率越高，平均裂纹长度增加越显著。几率越大，腐蚀率越高，平均裂纹长度增加越显著。钢钢中中总总氧氧量量代代表表钢钢中中氧氧化化物物夹夹杂杂的的数数量量，钢钢中中氧氧化化物物夹夹杂杂是是产产生生HICHIC和和SCCSCC的的根根源源之之一一，并并危危害害钢钢的的各各种种性性能能，一一般般把把铸铸坯坯中中的的全全氧氧控控制制在在101020ppm20ppm。通通过过铁铁水水预预处处理理、转转炉炉精精炼炼、钢钢包包冶冶金金和和连连铸铸等等冶冶金金新新技技术术和和新新工工艺艺，目目 前前 世世 界界 上上 最最 具具 有有 竞竞 争争 力力 的的 管管 线线 钢钢 纯纯 净净 度度 可可 达达 到到(s)0.0005%(s)0.0005%、(P)0.005%(P)0.005%、(N)0.002%(N)0.002%、(O)0.001%(O)0.001%、(H)0.0001%(H)0.0001%。另另外外，对对夹夹杂杂物物的的形形态态进进行行控控制制已已成成为为获获取取优优质质管管线线钢钢的的重重要要手手段段。夹夹杂杂物物形形态态控控制制的的基基本本方方法法是是加加入入变变态态剂剂。目目前前用用作作变变态态剂剂的的主主要要有有Zr Zr、Ti Ti、稀稀土土CeCe和和CaCa等。等。高强度、高韧性管线钢高强度、高韧性管线钢“针状铁素体”是指低合金高强度钢在连续冷却下获得的不同于铁素体加珠光体(FP)的一种类贝氏体组织。它的转变温度略高于上贝氏体，以扩散和剪切的混合机制实现转变，因为相变只涉及到铁素体(F)，不形成Fe3C，其中的少量奥氏体只是残留相(部分奥氏体冷却时转变为马氏体)，故称该转变产物为铁素体，而不称贝氏体。又由于铁素体呈板条形态，因此命名为针状铁素体，获得的这类组织的钢种称为针状铁素体钢。从本质上看，针状铁素体属贝氏体，针状铁素体钢就是贝氏体钢。针状铁素体管线钢的典型成分为C-Mn-Nb-Mo，一般碳含量小于0.06%。针状铁素体是在冷却过程中，在稍高于上贝氏体温度范围内，通过切变相变形成的具有高密度位错的非等轴贝氏体铁素体。针状铁素体管线钢通过微合金化和控制轧制与控制冷却，综合利用晶粒细化、微合金化元素的析出相与位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度达到650MPa，-60的冲击韧性达到80J。超低碳贝氏体钢超低碳贝氏体钢在成分设计上选择了C、Mn、Nb、Mo、B、Ti的最佳配合，从而在较宽广的冷却范围内都能形成完全的贝氏体组织。在保证优良的低温韧性和焊接性的前提下，通过适当提高合金元素的含量和进一步完善控轧与控冷工艺，超低碳贝氏体钢的屈服强度可达到700800MPa。易焊管线钢易焊管线钢焊接无裂纹管线钢冷裂纹是管线钢焊接过程中可能出现的一种严重缺陷。钢的淬硬倾向、焊接接头中含氢量和焊接接头的应力状态是管线钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。就钢的淬硬倾向而言，主要取决于钢的含碳量，其它合金元素也有不同程度的影响。综合这两方面的因素，提出了以“碳当量”作为衡量钢的焊接裂纹倾向性的依据。为适应焊接无裂纹的要求，目前国外管线钢碳当量控制在0.40.48，用于高寒地区的管线钢则要求碳当量在0.43以下。为适应焊接无裂纹的要求以及韧性的需要，现代管线钢通常采用0.1%或更低含碳量，甚至保持在0.01%0.04%的超低碳水平。微合金化和控轧控冷等技术的发展，使得管线钢在碳含量降低的同时保持高的强韧特性。焊接高热输入管线钢：采用高的焊接热输入可提高焊接的生产效率，但对热影响区产生重要影响。高的焊接热输入一方面促使晶粒长大，另一方面使焊后冷却速度降低，而导致相变温度升高，从而形成软组织，引起焊接热影响区的性能恶化。为控制管线钢热影响区在高热输入下的晶粒长大，可以通过向钢中加入微合金元素来实现。钛是一种在焊接峰值温度下能通过生成稳定的氮化物，控制晶粒长大的有效元素，即使在高达1400的温度下，TiN仍表现了很高的稳定性，从而有效地抑制在高热输入下的奥氏体晶界迁移和晶粒相互吞并的长大过程。目前管线钢中推荐的最佳钛含量为0.02%0.03%，并保持(Ti)(N)1.5%以弥补碳含量降低造成的强度损失。(Mn)2.0%时，钢的强度随锰含量的增加而提高，而冲击韧性下降的趋势甚小，且不影响其脆性转变温度。但锰含量过高会造成钢板带状组织严重，韧性降低及各向异性等问题。固溶的Mn、Mo和Nb元素可促进细小的针状铁素体显微组织的形成，其中钼的作用最为显著。铌是管线钢中不可缺少的微合金元素。能产生非常显著的晶粒细化及中等程度的沉淀强化作用，并可改善低温韧性。铌可延缓奥氏体再结晶的发生，能够在控轧过程中阻止晶粒长大。在终轧温度下，固溶的铌可用于形成铁素体中的Nb(C,N)沉淀，从而通过沉淀硬化来提高强度。而固溶在基体中的铌，与钛和钒相比，能够更显著地降低奥氏体铁素体的转变温度，起到细化晶粒及促进针状铁素体形成的作用。铌含量与强度和冲击韧性的关系a一铌含量与X70钢强度关系；b一铌含量与X70钢冲击韧性的关系添加钛元素(质量分数约0.02%)的主要作用是控制轧制过程中的氮含量，通常采用微钛处理使钢中的氮被钛固定，间接提高了铌的强化作用，同时，TiN阻止奥氏体晶粒在再加热过程及在再结晶区的粗轧过程中长大。钛元素还可提高钢锭表面的热延展性、保护轧制初期铌固溶体。钛也可作为钢中硫化物变性元素使用，以改善钢板的纵横性能。钛的加入可有效防止焊接过程中的晶粒长大，为焊接过程中的晶粒长大，目前管线钢中推荐的最佳钛的质量分数为0.02%0.03%，并保持(Ti)(N)0.005%时，硫化物夹杂能得到一定控制；当(RE)0.014%时，可得到近似球形的稀土夹杂。(5)稀土能抑制树枝晶的发展，减少硫偏析，减轻硫对力学性能和耐大气腐蚀性能的影响。(6)固溶强化和细化晶粒作用。由于稀土原子半径比铁大，所以微量固溶的稀土有固溶强化作用。除此之外，RE对细化晶粒也具有一定的作用。(7)改善横向韧性和冷弯性能。稀土加入后，细条状MnS减少，高熔点、呈球状、与钢基体接触紧的RE202S及RES增多，因而阻止破裂能力大；稀土夹杂物不易形变，在轧制过程中形状与分布改变少，降低各向异性，使钢的横向韧性提高，冷弯性能改善。硅、锰、硫硅、锰、硫硅以固溶形式存在于钢中。硅可以提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性和耐磨性，对于低强度级别(295MPa)的耐大气腐蚀钢，硅含量与普碳钢相同，以减少焊接时的飞溅。对于高强度级别(345MPa)的耐大气腐蚀钢，硅的含量应略高，但不应作为提高强度的主要元素。锰以固溶态存在于钢中，起强化作用，可提高铁素体的强度。低碳钢中的锰对提高强度有明显作用，因此把锰作为09CuPTiRE-A钢达到预定强度级别的主要元素。但锰与硫易形成MnS塑性夹杂物，在热轧时沿轧制方向拉长，恶化钢的成形性能。另外，锰过高会使焊接性能显著变坏，所以在考虑09CuPTiRE.-A钢的内控成分时将锰含量控制在0.25%0.45%之间，并利用微合金化和控轧控冷来满足不同强度级别要求，同时采用钙质处理，对MnS进行变质处理消除MnS的危害。硫是耐候钢中的最主要有害元素，其危害在于影响钢的成形性、导致带钢力学性能的各向异性以及对耐候性的有害作用。微合金化元素微合金化元素微合金化元素Ti、Nb、V加人钢中形成极细的第二相质点，阻碍奥氏体晶粒长大。其细化晶粒的程度，与轧制、热处理过程中这些细质点阻碍晶粒长大的效果有关。随着第二相质点数量增加、粒晶变小，晶粒细化程度愈大、强度提高，韧性、冷弯性改善。钛的化合物除了能细化晶粒、起沉淀硬化作用外，还能降低钢中氧含量、固定氮，显著降低钢的冷脆转变温度。钛等微合金化元素通过细化晶粒，改善韧性，有效地消除磷对钢的低温冲击韧性的恶化。铌在耐候钢中，同样阻止晶粒长大，细化晶粒，提高再结晶温度，通过控轧控冷工艺，提高耐候钢的强度。也可以采用复合微合金化，如Ti-Nb复合微合金化，产生更大的强化作用。耐候钢的微观组织和性能耐候钢的微观组织和性能耐候钢研究的重点之一就是通过不断发展的微合金化和控轧控冷技术提高其强度等级。铌微合金化耐候钢铌微合金化耐候钢09CuPTiRE钢具有良好的耐大气腐蚀性能。然而，在传统的以固溶强化为主要强化机制的理论指导下，该钢的屈服强度仅达到345MPa级。利用形变诱导铁素体相变超细组织控制技术，通过对09CuPTiRE钢进行铌微合金化并进行控制轧制和冷却，成功开发了450MPa级超细组织耐大气腐蚀钢。铌十分有利于形变诱导铁素体相变，在相同的轧制和冷却工艺条件下，09CuPTiRE钢的晶粒尺寸约10m，而加入微量铌后，钢板的铁素体晶粒尺寸可细化至3m，实现了组织的超细化控制。NbNb、TiTi微合金化耐候钢微合金化耐候钢 在09CuPCrNi实际成分控制的基础上，分别采取Nb+Ti微合金化、超纯净化+(Nb+Ti)微合金化、超纯净化+(Nb+Ti)微合金化+控制N、O化物冶金处理等工艺方法，可使高耐候钢组织得到显著细化，获得良好的强韧性匹配。在强度指标满足高等级要求的同时，也保证了材料良好的韧性、高的耐大气腐蚀性能以及良好的焊接性能。建筑用结构钢建筑用结构钢对建筑用热轧带肋钢筋除了最基本的强度、塑性、焊接性能等要求提高之外，还要求良好的低温性能、抗震性能等。建筑钢筋的微合金化建筑钢筋的微合金化HRB335钢采用原20MnSi牌号成分生产，不需要微合金化和控轧控冷即可完全满足新标准要求。在HRB400钢的生产中，主要微合金化方案有4种，分别是V、V-N、Nb和Ti微合金化。从微合金化效果、经济性、工艺可靠性等方面综合考虑，企业采用较多的微合金化方案大致顺序为：V-N、V、Nb、Ti。对于高于HRB400强度级别的钢筋，则还可能采用复合微合金化方案。V-NV-N、V V微合金化微合金化转炉冶炼钢种的氮含量为4060ppm，采用钒微合金化(加入钒铁合金)时，钒与钢中的氮、碳发生反应，生成V(C,N)，通过细晶强化和沉淀析出强化提高HRB400的强度，改善了钢的强度和韧性。同时消耗钢中的碳，导致固溶碳量和形成珠光体的碳量下降，降低碳的固溶强化和相变强化效果。采用钒氮微合金化(加入钒氮合金)时，钢中氮量增加，钒的化合物V(C,N)中VN比例增加，VN析出量增大，析出颗粒尺寸更细小，析出强化作用和细晶强化作用更显著，因此强度和塑韧性都显著改善。加氮后，V(C,N)消耗的碳下降，增加了碳的固溶和相变的强化效果。在提高强度幅度相当的情况下所需要的钒量，以钒氮合金加入时比以钒铁合金加入时要少得多，可以大幅节约生产成本。钢中增氮显著提高了屈服强度和抗拉强度。钒钢的屈服强度为440MPa，抗拉强度为590MPa；而钒一氮钢的屈服强度达到560MPa，抗拉强度达到725MPa，钢中增加约100ppm的氮，钢的屈服强度和抗拉强度分别提高120MPa和135MPa。氮能增加明显细化钢的铁素体晶粒。钒钢的铁素体平均晶粒尺寸相对较大，为7.16m，珠光体含量为34.46%；而钒一氮钢晶粒尺寸较小，约为5.8m，珠光体含量为43.39%。氮提高了钒在钢中的利用率，增加了钒的沉淀强化效果，从而提高了钢的强度。钒钢中V(C,N)的析出量约为0.05%，而钒一氮钢中V(C,N)的析出量超过0.10%，比钒钢高出一倍。钒氮钢中的钒主要以V(C,N)形式析出，占总钒量的70%，只有20%的钒固溶于基体，剩余10%的钒溶于Fe3C中。而钒钢中钒的分布则相反，大部分钒固溶于基体，占总钒含量的56.4%，仅有35.5%的钒以V(C,N)形式析出。氮在钢中不仅增加细小析出物的数量，而且细化析出相尺寸。钒钢的平均析出粒子尺寸为107nm，而钒一氮钢仅为73.7nm。钒氮钢中110 nm的粒子质量分数达32.2%，而钒钢仅为21.1%。钒铁合金化钢种，钢中V每增加0.01%可提高12.MPa的屈服强度和9.5 MPa的抗拉强度，而V-N微合金化钢中V每增加0.01%则增加20MPa的屈服强度和16.3 MPa的抗拉强度。20MnSi钢的热轧组织晶粒度一般在78级左右，组织为铁素体+珠光体+少量的魏氏组织。V-Fe微合金化HRB400的晶粒度达到89级，组织为铁素体+珠光体+极少量的魏氏组织。V-N微合金化HRB400的晶粒度达到810级，大部分规格的钢筋晶粒度在8.59.5级，小于10 mm的小规格钢筋的晶粒度达到10级，组织为铁素体+珠光体+少量的魏氏组织。铌微合金化铌微合金化铌对钢筋的强化通过3个阶段的作用实现。在钢水凝固期，先期析出的NbC、Nb(CN)微小弥散质点，有利于形成较细小的等轴铸造组织，并在加热过程中抑制奥氏体晶粒长大；在奥氏体区热形变过程中，Nb(CN)通过钉扎机制细化奥氏体晶粒，并进而细化铁素体晶粒；在相变铁素体中析出的Nb(CN)，极为细小(约12nm)，产生强烈的沉淀强化。铌微合金化生产HRB400钢筋中铌的质量分数为0.026%0.034%，铌合金的收得率达到92%，钢坯均热温度11801230、开轧温度11101180、终轧温度9801050，轧后采用空冷冷却方式。钢筋显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体；晶粒度级别：20mm钢筋为9.0-9.5级，25 mm钢筋为11级；s：415465MPa、b=570670MPa；塑性、焊接性能良好。复合微合金化复合微合金化对于比HRB400强度等级高的建筑钢筋，如HRB500、BS460等，可以采用复合微合金化的方法提高强度。在生产此类钢时，增加微合金含量，进一步加强析出强化和细晶强化效果。高强度等级的钢筋组织主要是铁素体+珠光体，有时在轧后空冷下，也形成部分粒状贝氏体，发挥粒状贝氏体组织的强化作用。由于粒状贝氏体具有良好的强韧性，在提高钢筋强度的同时，少量的粒状贝氏体对塑韧性没有明显的影响，也能保证钢筋焊接后的力学性能。在生产高强度等级建筑钢筋时，采用V-N及V-Nb的微合金化方案比较多。建筑钢筋的生产建筑钢筋的生产对于高强度等级建筑钢筋，提高强度的关键因素是合理的微合金化及轧制工艺。轧制工艺参数中，均热温度对微合金化元素的溶解及奥氏体原始尺寸有影响，轧制温度影响奥氏体的再结晶和晶粒长大、析出物的尺寸、分布，终轧温度对晶粒细化也有影响。但在实际生产中，在连续轧制过程中，钢温下降有限，甚至可能是升温轧制。因此应平衡考虑轧制温度。轧后冷却速度对钢筋组织和性能的影响显著，随着冷却速度升高，强度上升。一般情况下，钢筋热轧后的冷却采用空冷或者风冷方式，不宜采用大强度的穿水冷却等方式进行轧后冷却。