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第四章微合金元素在控制轧制中的作用4.1微合金元素在热轧中的溶解和析出4.1.1轧前加热过程中的溶解4.1.2控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出4.2微合金元素在控制轧制和控制冷却中的作用4.2.1加热时阻止奥氏体晶粒长大4.2.2抑制奥氏体再结晶4.2.3细化铁素体晶粒4.2.4影响钢的强韧性能引言目前在控轧中大量使用微合金元素，使之在钢中形成碳、氮及碳氮化合物，利用在不同的条件下产生溶解和析出机理起抑制晶粒长大以及产生沉淀强化作用，在控制轧制中，前者尤为重要。一般微合金钢是指合金元素总含量小于0.1％的钢。目前大量使用的是铌、钒、钛．其特点是能与碳、氮结合成碳化物、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。其作用表现在：(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。引言加入微量元素能提高强度，但如不采用控轧工艺韧性反而变坏，只有在采用控轧工艺时，才能使强度和韧性都得到提高。也就是说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。这是因为控轧工艺可使晶粒细化，从而抵消了因析出强化引起的韧性恶化。引言采用何种微量元素合适，主要考虑这些元素能在加热温度范围内应该具有发生部分溶解或全部溶解的足够溶解度，而在钢材加工和冷却过程中又能产生特定大小的质点析出，从而使钢材的性能发生变化。根据理论分析和实践证明，最能满足上述条件要求的微量合金元素是铌、钒、钛。特别是铌对提高材料的强韧性有突出的作用。第四章微合金元素在控制轧制中的作用4.1微合金元素在热轧中的溶解和析出4.1.1轧前加热过程中的溶解4.1.2控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出4.2微合金元素在控制轧制和控制冷却中的作用4.2.1加热时阻止奥氏体晶粒长大4.2.2抑制奥氏体再结晶4.2.3细化铁素体晶粒4.2.4影响钢的强韧性能铌在奥氏体中的溶解铌是控制轧制中最常用的微量元素。由于氮与碳的比例对奥氏体及铌的碳氮化合物是类似的，铌的碳化物与铌的氮化物相互溶解，其碳当量为C+(12/14)N。在一定温度下，铌的溶解度随碳或碳当量而变化，碳含量降低，铌溶解度增加；随加热温度提高，溶解度也提高。合金元素（铌、钒、钛）轧前加热过程中的溶解铌在奥氏体中的溶解铌在碳锰钢中的一般溶解度关系可用下式表示lg[Nb][C]=-6770/T+2.26(4-1)或lg[Nb][C+12/14N]=-6770/T+2.26(4-2)lg[Nb][N]=-8500/T-2.80(4-3)锰含量的变化对铌的溶解度有影响，锰促进铌向奥氏体中固溶，加入约3％锰可使铌在1150℃的固溶量等于在无锰钢中1280℃时的固溶量，使80％的铌溶入奥氏体中。由于铌在控制轧制中的作用与其在奥氏体状态下的存在形式有关，因此可以根据对铌钢性能的要求采用不同的奥氏体化条件。钒在奥氏体中的溶解钒在碳锰钢中的一般溶解度关系可用下式表示lg[V][N]=-8830/T+3.46(4-4)lg[V][C]=-9500/T+6.72(4-5)钒的溶解与锰含量有一定关系，可按下式计算：lg[V][N]=-8330/T+3.46+0.12%Mn(4-6)每增加l％锰可使钒增加30％溶解量关于钒的碳化物在奥氏体中的固溶情况研究表明：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(C、N)大得多。钛在奥氏体中的溶解钛在碳锰钢中的一般溶解度关系可用下式表示lg[Ti][C]=-7000/T+2.75(4-7)lg[Ti][N]=-15200/T+3.9(4-8)这表明碳化钛在碳锰钢中的溶解度与Nb(C、N)的溶解度相似。轧前加热过程中的溶解第四章微合金元素在控制轧制中的作用4.1微合金元素在热轧中的溶解和析出4.1.1轧前加热过程中的溶解4.1.2控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出4.2微合金元素在控制轧制和控制冷却中的作用4.2.1加热时阻止奥氏体晶粒长大4.2.2抑制奥氏体再结晶4.2.3细化铁素体晶粒4.2.4影响钢的强韧性能控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出采用控制轧制法生产低合金钢时，为了得到理想的强度与韧性配合的综合性能，就必须掌握晶粒细化和析出强化这两个因素，了解它们的变化规律，尤其是微量合金元素在其中的作用。下面以Nb(C、N)为例研究其析出状态。根据有关试验结果表明，在加热到奥氏体化温度以后，从试料出加热炉到轧制之前、控制轧制过程中、轧后直到相变温度及以后的冷却过程中，碳氮化合物的析出速度、析出量、颗粒大小、对阻止再结晶和强化作用都有所不同。各阶段中Nb(C、N)的析出状态影响Nb(C、N)析出的因素各阶段中Nb(C、N)的析出状态1.出炉前的Nb(C、N)质点状态2.出炉后冷却到轧制前Nb(C、N)的析出状态3.变形奥氏体中Nb(C、N)的析出状态4.在奥氏体向铁素体转变过程中和在铁素体内Nb(C、N)的析出状态各阶段中Nb(C、N)的析出状态1.出炉前的Nb(C、N)质点状态当含铌的硅锰钢加热到1200℃均热2小时后，钢中铌量有90％以上都固溶到奥氏体基体中了。有极少数Nb(C、N)没有固溶到奥氏体中。经电镜观察，这些粗大粒子直径大约在1000A左右。这些未溶解的大颗粒的Nb(C、N)不会对轧后奥氏体晶粒的再结晶有什么作用。如果将钢加热到1260℃，保温30min，则Nb(C、N)全部溶解。各阶段中Nb(C、N)的析出状态2.出炉后冷却到轧制前Nb(C、N)的析出状态当含铌钢加热到1200℃以后，分别冷却到1050℃、930℃和820℃时钢中析出的Nb(C、N)数量与1200℃时的未固溶的Nb(C、N)量没有多大差别，也就是说在轧制前这一阶段时间中，并没有从固溶体中析出多少Nb(C、N)。这是因为碳氮化物相从固溶体中析出的动力学决定于晶核的形成条件、合金元素的扩散速度、过冷度和内应力(畸变能)等因素。各阶段中Nb(C、N)的析出状态3.变形奥氏体中Nb(C、N)的析出状态在变形中析出Nb(C、N)的过程是动态析出过程。只有当变形速度很低的情况下才能产生这种析出相。另外在变形过程中析出的碳化物也难以测定。即使在变形过程中，由于产生大量位错和畸变能增加，引起“形变诱导析出”，使铌析出速度增大，但也由于变形时间短，实际析出量并不大。各阶段中Nb(C、N)的析出状态3.变形奥氏体中Nb(C、N)的析出状态未变形的奥氏体中Nb(C、N)析出很慢，在900℃的孕育时间至少大于103s；变形使钢中Nb的析出大大加快，而且随着变形后停留时间的延长，析出量不断增加；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。各阶段中Nb(C、N)的析出状态3.变形奥氏体中Nb(C、N)的析出状态高温轧制时（再结晶区轧制，如1000℃），在轧后冷却到相变温度的过程中，铌的平均析出速度不大，其原因认为是变形产生的位错和畸变能由于回复和再结晶而消失，不能再为铌原子和碳原子提供析出场所。低温轧制时（未再结晶区轧制，如900～800℃）。由于奥氏体未发生再结晶，具有较高畸变能，位错密度高，因而加速了碳和铌的扩散速度，加大了冷却过程中铌的析出速度，Nb(C、N)颗粒的析出部位既在晶界上也在晶内和亚晶界上，故颗粒细小。各阶段中Nb(C、N)的析出状态4.在奥氏体向铁素体转变过程中和在铁素体内Nb(C、N)的析出状态热轧后的钢材在冷却过程将发生奥氏体向铁素体和珠光体的转变过程。由于各种碳氮化物在奥氏体中的溶解度都远远大于在铁素体中的溶解度，因此当A→F相变发生后，微量元素立即达到高度过饱和，产生快速析出。而位错、界面和其它晶体缺陷处则是析出最有利的位置。各阶段中Nb(C、N)的析出状态4.在奥氏体向铁素体转变过程中和在铁素体内Nb(C、N)的析出状态在高倍电镜下可以观察到很多细小点状成排列的碳化物质点。由于碳氮化物的析出是在紧贴A→F转变的相界面上，当相变不断进行时，F晶粒长大，A晶粒缩小，F/A界面不断向A中发展、前进。这样，不断的一排一排形成新的析出相。在含有铌、钒、钛的钢中都有这种析出状态，称为相间析出(或相间沉淀)，它们有规则成排地分布在铁素体基体上，排与排之间有一定距离。各阶段中Nb(C、N)的析出状态4.在奥氏体向铁素体转变过程中和在铁素体内Nb(C、N)的析出状态这些颗粒的大小和排间距受轧后冷却速度、转变完成温度和转变完成时间的影响。冷却速度大，析出温度就低，相间沉淀排间距就小，析出质点也小。析出时间长，质点长大。相变后剩余在铁素体中的固溶铌将在铁素体中继续析出。在这种条件下Nb(C、N)质点由于临界核心尺寸很小．质点长大速度缓慢，所以质点很细小，一般小于50A。其质点大小决定于冷却速度。各阶段中Nb(C、N)的析出状态小结影响Nb(C、N)析出的因素1.变形量和析出时间对Nb(C、N)析出量的影响随变形量增加，析出量增加；随时间加长，析出量增加。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。影响Nb(C、N)析出的因素在未再结晶区轧制时与在再结晶区轧制时，如析出量相等，则前者所需时间短。因为在未再结晶奥氏体中具有高的畸变能，位错密度高，加速了碳和合金元素的扩散，亚晶又是第二相形核的有利位置，因而加速第二相析出。当在同一条件下(无论是在再结晶区或未再结晶区)，析出量一定时，在高温等温时间短，而低温所需等温时间长。2.变形温度的影响影响Nb(C、N)析出的因素3.钢的成分变化对Nb(C、N)析出的影响不同成分的钢随析出时间增加析出量都增加，但钢的成分不同，析出量不同。第四章微合金元素在控制轧制中的作用4.1微合金元素在热轧中的溶解和析出4.1.1轧前加热过程中的溶解4.1.2控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出4.2微合金元素在控制轧制和控制冷却中的作用4.2.1加热时阻止奥氏体晶粒长大4.2.2抑制奥氏体再结晶4.2.3细化铁素体晶粒4.2.4影响钢的强韧性能加热时阻止奥氏体晶粒长大随着加热温度的提高及保温时间的延长，奥氏体晶粒变得粗大。而粗大的奥氏体晶粒对钢材的力学性能不利。加入铌、钒、钛等元素可以阻止奥氏体晶粒长大，即提高了钢的粗化温度。由于微量元素形成高度弥散的碳氮化合物小颗粒，可以对奥氏体晶界起固定作用，从而阻止奥氏体晶界迁移，阻止奥氏体晶粒长大。加热时阻止奥氏体晶粒长大当铌、钛含量在0.10％以下时，可以提高奥氏体粗化温度到1050～1100℃，作用明显，而且钛的效果大于铌的效果。钒在小于0.10％时，阻止晶粒长大的作用不大，在950℃左右奥氏体晶粒就开始粗化了。当铌和钒含量大于0.10％时，随合金含量的增多粗化温度继续提高，当含量达到0.16％时则趋于稳定，粗化温度不再提高。此时含铌钢的粗化温为1180℃，含钒钢为1050℃。如在钢中同时加入铌和钒则可进一步提高钢的粗化温度。加热时阻止奥氏体晶粒长大钢中含铝使奥氏体晶粒粗化温度保持在900～950℃，当含铝量超过0.04％时反而会使奥氏体晶粒粗化温度降低。这是由于钢中含氮量有限，当含铝量较多时，没有足够的氮与铝形成氮化铝，过剩的铝溶入奥氏体中，这种以原子状态存在的铝反而对奥氏体晶粒长大起促进作用。加热时阻止奥氏体晶粒长大图4-10是加热到1250℃的三种基本成分相同的钢，由于铌的加入对奥氏体晶粒度的影响。随着含铌量的增加奥氏体晶粒尺寸减小，即铌能阻止奥氏体晶粒的长大。第四章微合金元素在控制轧制中的作用4.1微合金元素在热轧中的溶解和析出4.1.1轧前加热过程中的溶解4.1.2控制轧制过程中微量元素碳氮化合物的析出4.2微合金元素在控制轧制和控制冷却中的作用4.2.1加热时阻止奥氏体晶粒长大4.2.2抑制奥氏体再结晶4.2.3细化铁素体晶粒4.2.4影响钢的强韧性能抑制奥氏体再结晶微量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、再结晶速度以及再结晶的晶粒大小。微量元素对动态再结晶临界变形量的影响微量元素对再结晶数量的影响微量元素对再结晶速度的影响微量元素对静