钢铁材料组织与性能控制

钢铁材料组织与性能控制姓名：学号：专业：冶金工程学院：任课教师：王1、钢铁材料强化的基本方法有哪些？分别用文献上具体的实例加以说明！钢铁材料强化的基本方法主要有固溶强化、形变强化、分散强化、细晶强化、相变强化。（1）固溶强化固溶强化是将合金元素加入到钢铁材料基体金属中形成固溶体以达到强化金属的方法。一般来说,固溶体总是比组成基体的纯金属有更高的强度和硬度,随着合金元素含量的增加,钢的强度和硬度提高。但是当合金元素的含量适当时,固溶体不仅具有高的强度和硬度,而且有良好的塑性和韧性。它是利用固溶的置换式溶质原子或间隙式溶质原子来提高基体金属的屈服强度的方法。例如，热轧态的316L不锈钢中厚板要经过固溶处理才能交付使用，其目的是使热轧过程中析出的碳化物在高温下固溶于奥氏体中，通过急冷使固溶了碳的奥氏体保持到常温，减少钢中铁素体含量;通过固溶参数的调整，可以对钢的晶粒度进行控制，使钢的组织得到软化，由于固溶处理过程中温度、保温时间和冷却速度等因素，对组织均匀性、力学性能和耐蚀性都有很大的影响。因此准确制定合理的固溶处理工艺参数对316L不锈钢生产非常重要，316L不锈钢经过固溶处理后的韧性要明显比未经过处理的韧性好。（2）形变强化利用形变使钢强化的方法。也称应变强化或加工硬化。对于不再经受热处理，并且使用温度远低于材料再结晶温度的金属材料(譬如低碳低合金钢)，经常利用冷加工(冷形变)手段使之通过形变强化来提高强度。例如，奥氏体不锈钢304L和304LN的形变结构中出现层错、晶界、和退火孪晶处的位错塞积、位错胞状组织和形变孪晶。形变过程中发生的组织结果变化均产生加工硬化，其中位错塞积和形变孪晶的贡献大。高强度高碳钢冷拔钢丝，它是工业上强度最高的钢铁制品，抗拉强度可以达到4000MPa,这就是用强烈冷变形的方法取得的。（3）分散强化分散强化是在钢铁材料中第二相以细小弥散的颗粒均匀分布于基体金属中产生显著的强化作用,使钢铁材料的强度提高。分散强化分为沉淀强化和弥散强化二种。如果钢铁材料经时效处理或回火后,沉淀析出细小弥散的第二相粒子,这种强化作用称为沉淀或时效强化。如果第二相细微颗粒借助于粉末冶金方法加入起强化作用,则称为弥散强化。例如，钢中的碳化物对钢性能的影响。随着含碳量的提高，热轧钢材的抗拉强度由10号钢的300MPa提高到共析钢800MPa的数值。含铜高纯低碳钢，随着铜在钢中作为强化元素之应用的日益广泛,对铜的合金化作用及其对性能的影响进行了深入研究与再认识。铜作为强化元素越来越多地加入到钢中,尤其是超低碳钢。铜在0.5%以下时对钢的塑性无明显影响。增加含铜量具有沉淀强化作用。已知在850℃时,铜在铁素体中的溶解度最大,约为2.1%,低于850℃时溶解度迅速降低。在时效过程中,将从固溶态的过饱和α相中析出ε-Cu过渡相而引起强化。同时保持钢的高塑性。含1.12%Cu的高纯钢经过固溶处理,大多数铜保留在过饱和铁素体中,起着较弱的固溶强化的作用,硬度约为110HV。经550℃时效,铜以细小弥散G.P区颗粒析出,达到时效峰,硬度可达180HV产生显著沉淀强化。（4）细晶强化晶强化是是钢铁材料的晶粒更细,晶界更多,使晶界对位错的运动阻力更大,从而使钢铁材料的强度提高,并改善塑性和韧性。细晶强化还可使钢铁材料的脆性转变温度降低,使钢件能适应寒冷地区的工作性能要求。它并且是可以提高钢材强度而不恶化韧性的一种强化方式。细化晶粒是众多材料强化方法中唯一可在提高强度的同时提高材料延性的强化方法。例如，细晶强化对中锰马氏体钢的强化作用，原始奥氏体晶粒尺寸随碳含量增加无规律地变化；板条束尺寸和不同临界角（简称CA）的晶粒尺寸随着碳含量的增加逐渐降低。在一定含量下，随着碳含量的增加，晶粒尺寸细化，细晶强化增量增加，随着碳含量的增加，屈服强度和抗拉强度都逐渐提高。（5）相变强化相变强化主要是指马氏体强化与贝氏体强化。尽管在很多金属和合金中都能发生马氏体型相变，但并不是所有的马氏体都具有高强度。含碳（氮）的铁合金马氏体显示出最强烈的强化（硬化）效应，因此它们是钢铁材料强化的重要途径。相变强化不是一种独立的强化机制，它实际上是固溶强化、弥散强化、形变强化、细晶强化的综合效应。例如，铁—镍合金在一般晶粒度范围内，纯铁多晶体的流变应力约为70MN/m2,这个数值就是纯铁（单晶）本身的强度加上多晶体晶界的贡献。以此为基础，当铁中溶入镍时，再结晶过的合金的流变应力随含镍量而增加，其增量就是镍固溶强化的效果。镍含量较低时，铁—镍马氏体的强度变化大致和再结晶过的合金平行地随镍含量的增加而增加，这是精细结构因素引起的强化，这里包括位错密度、马氏体晶体的界面、胞壁或内孪晶界面等引起的影响。2、在桥梁、锅炉、大船、工程机械和战略储油罐等方面的建造都需要高性能的中厚板，我国钢铁行业有40条左右的中厚板生产线，钢铁材料的高强化是发展趋势，目前高强（大于700MPa）中厚板的应用越来越广。请根据金属学原理、文献资料以及所生产钢种可能的服役条件等，从定量或定性角度来设计所生产某种高强中厚板的成分和工艺路线。矿山开采和各类工程用的设备,如钻机、电炉、电动轮翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重设备及煤矿液压支架等机械装备总称为工程机械。这些机械的制造所需的焊接结构部件用材通常称为工程机械用钢,属于焊接高强度钢范畴。对于焊接高强度钢,其主要用于工程机械的主要结构,承受复杂多变的周期载荷,因此要求钢材具有高的屈服强度和疲劳极限,良好的冲击韧性、冷成形性和优良的焊接性能。设计生产一种高强中厚板满足高强工程用钢的要求，主要用于生产煤矿液压支架。成分设计Nb、v、Ti微合金化和降C提Mn的思路。因为微合金化元素与控轧控冷相结合可产生如下强化作用:(l)未溶解的Nb、V、Ti的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上,可阻碍钢在加热时的奥氏体晶粒长大。(2)未溶解的Nb、V、Ti的碳、氮化物可阻碍奥氏体再结晶。(3)在轧制中有些合金碳、氮化物会在位错、亚晶界、晶界上沉淀以进一步阻碍动态再结晶和轧后静态再结晶的产生。(4)在γ→α相变中发生相间沉淀,形成非常细小的合金碳化物,起沉淀强化的作用。(5)轧制时形成的高密度位错被碳化物钉扎,会增大位错运动的阻力。C是传统钢的强化元素,而且也是最经济的元素。但它对韧性和焊接性能十分有害。降碳必然导致强度的降低,但其强度损失拟用其他方法来弥补。Mn使钢具有较高的强度和硬度，提高钢的脆性，改善钢的热加工性能，在碳含量相同的清况下,随着锰含量的增加,强度提高,同时使韧脆转变温度下降。Nb是取得良好控轧效果的最有利的微合金化元素，铌在阻止形变奥氏体的回复再结晶方面的作用最大。Ti的化学性很大,易与碳、氮、硫等形成化合物。钛与氧的亲和力很强,所以在铝镇静钢中经充分脱氧后,才用来作合金元素。钛还可以作为钢中的硫化物变性元素使用,以改善钢板的纵横性能差。V的溶解温度较低,与铌相比阻止再结晶的作用较弱,仅在900℃以下对再结晶才起推迟作用,具有轻微的细化组织作用,但其沉淀强化作用比较显著。Ti、V、Nb的固溶原子和析出的碳氮化物本钢材要达到的力学性能屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥17%，冲击性能（-20℃）≥47J。180°冷弯d=3a完好。参照文献同类产品的成分设计制定本高强度中厚板的成分。表1成分设计要求（%）CSiMnPSNbVTi≤0.100.501.60≤0.030≤0.025≤0.06≤0.10≤0.02通过LF和RH真空处理降低钢中P、S含量及夹杂物，净化钢水；合理控制碳当量,保证高的强度和可焊性。优化微合金化工艺，采用Nb、V、Ti、Als复合以达到细化晶粒,固化游离氮,改善焊接性能；采用Al终脱和Ca处理Al2O3夹杂，提高钢水纯净度。同时为获得轧后充分的沉淀强化和微合金析出强化效果，控制加热温度在1200℃左右，使Nb（CN）相颗粒充分固溶到奥氏体中。采用控轧控冷、弛豫控制析出原理以及微合金析出强化等工艺手段细化晶粒，提高钢板强度。通过一定程度的控制冷却,可以降低奥氏体相变温度,增加过冷奥氏体的形核率,从而达到进一步细化铁素体晶粒的目的。冷速越大越有利于细化铁素体晶粒。但过大的冷速不仅不利于板材延展性的提高,而且还存在较厚钢板冷却不均,其内部会产生较大的热应力及组织应力导致钢板变形,影响到后序充分矫直。最终确定其工艺流程如下：铁水预处理脱硫→转炉冶炼(炉后脱氧及Nb、V微合金化)→LF精炼→RH真空处理→板坯注流保护浇注→加热炉加热→高压水除鳞→轧机二阶段控轧→控制冷却→矫直→冷床冷却→精整。