3-微合金元素在钢的作用解析.ppt

第3章 微合金元素在钢中的作用 微合金碳氮化物在奥氏体中的溶解与析出 　微合金高强度钢中，细小的TiN在凝固的早期弥散析出，较低温度下，Nb(C,N)和V(C,N)在已形成的TiN颗粒上复合析出，因此钒或铌钢中析出颗粒将长大（原位析出），然而在更低的温度条件下，钒和铌的碳氮化物将形成新的析出相（异位析出）。 　　在高温形成的大颗粒粒子富钛而钒或铌较少，在低温形成的较小粒子贫钛而钒或铌含量较高。钛因溶解度低成为颗粒粗化速率的控制元素，当碳氮化物中的V、Nb含量十分高时，可成为颗粒粗化速率的主要控制元素，因此，含钛钢中TiN的粗化抗力与钒钢、铌钢中富钛的氮化物无差别。 　　 ω(Ti)／ω(N)比影响TiN的稳定性，当氮含量超过理想化学配比时，TiN的溶解温度将提高；并且随TiN的形成，钛在奥氏体中的含量减少，从而降低粗化速率。 　随Ti含量增加，屈服强度和抗拉强度升高，伸长率降低，加入钛后，屈强比提高，所有纵横向冷弯试验d=a的180°冷弯性能良好。 钛含量对V、Ti微合金化汽车大梁钢力学性能的影响 　　Ti与C、N、S均有较强的亲和力，一方面与C、N结合形成碳氮化物产生细晶强化作用，另一方面又能与S作用形成塑性比MnS低的多的TiS，从而降低MnS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降低，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。研究表明，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，韧脆转变温度也有一定程度的提高。 钛微合金化对强度和韧性的影响 钛的析出形式及对性能的贡献 　　钛在钢中首先形成TiN，TiN颗粒大小与其析出过程有关。粗大TiN(大于0.5μm)是液态或钢液凝固过程中的析出相，由于粗大且稀疏分布，不能有效地阻止晶粒长大，不起强化作用。 　　钢液凝固后析出细小的TiN颗粒，这些细小的TiN颗粒很稳定，能够有效地阻止奥氏体晶粒长大，从而细化组织。 　　随钛含量增加，TiN颗粒粗化，细小TiC的数量增加，析出强化作用导致钢的强度随钛含量增加而显著升高。钢中细小TiC析出受转变温度影响，转变温度越高，析出颗粒失去共格性关系的倾向就越大，并通过扩散长大，减弱析出强化。　 　　因此，钛含量较高时，非共格析出物数量增加，减弱了析出强化效果，钢的强度增加趋于平缓。 形成TiC的有效钛含量 　　钛还与硫结合生成颗粒状分布的Ti4C2S2，改变了硫化物夹杂形态，同时也减弱了钛的析出强化。 　　钢中的硫含量对含钛钢的性能影响很大，钢中有效钛的主要含量取决于S、N的含量，含量越低，则有效钛的含量越高。影响有效钛作用的关系式如下： ω(Ti(有效钛))=ω(Ti(全))-3.4ω(N)-3ω(S) 　　可以看出，只有当钢中钛的含量超过ω(Ti)=3.4ω(N)+3ω(S)时，MnS将全部被Ti4C2S2所代替，TiC粒子的析出强化作用才能体现出来。 铸坯的热塑性问题 由于凝固过程和凝固后的冷却速度较低，在铸坯中发生明显的元素偏聚，在枝晶间隙附近形成了粗大的Nb(C,N)和MnS（含有少量的Fe），而在再加热试样中，由于密集细小的硫化物和Nb(C,N)沿奥氏体晶界析出，使热塑性降低。 根据脆化机制不同，可以把从熔点到600℃范围的脆化分为三个温度区间：Ⅰ区在熔点附近，由液相引起脆化，钢的塑性与变形速率无关；Ⅱ区为稳定的奥氏体区，O、S、Nb处于过饱和状态，当试样凝固后，冷却到1150~900℃时，（Fe,Mn)S、（Fe,Mn)O和Nb(C,N)在晶界上析出，引起晶界脆化；Ⅲ区在900~600℃范围，可导致的脆化的因素有以下几种：晶间沉淀，沿奥氏体晶界形成的先共析铁素体膜、晶界滑移等。 钢中的硫化物 由于析出条件不同，硫化物可以以多种形态出现，以MnS类夹杂物为例，按其形态可以分为三种类型： Ⅰ型：此类硫化物为球形，多在氧浓度较高的钢中出现，往往是含氧化物的两相夹杂，在固相内析出。 Ⅱ型：多数是枝晶间共晶状分布的析出物，常在氧浓度较低的钢中出现，它们是由共晶反应生成的，经过大的变形后成团簇分布，对钢的力学性能损害最大。 Ⅲ型：是在固相内析出的多边形的孤立粒子，也是在氧浓度较低的钢中出现，对钢的塑性危害比Ⅱ型小。 硫含量对硫化锰沉淀行为的影响 传统的普低钢中锰含量为1.5%，硫含量控制在0.03%，根据MnS在奥氏体中的固溶度积公式log{[Mn][S]}=5.02-11625/T计算可得其全固溶温度为1553℃，有效沉淀析出温度为1289℃，平均尺寸为数微米 钢中硫含量显著降低，通常可控制在0.01%左右，最好可达0.005%。MnS在奥氏体中的全固溶温度将分别降低到1425℃和1354℃，而其在奥氏体中有效沉淀析出的温度分别将降低到1110℃和1017℃，平均尺寸在