[科普中國(guó)]-微合金化鋼

介紹

微合金化技術(shù)是20世紀(jì)70年代在國(guó)際冶金界出現(xiàn)的新型冶金學(xué)科。微合金化鋼是采用現(xiàn)代冶金生產(chǎn)流程生產(chǎn)的高技術(shù)鋼鐵產(chǎn)品。它是在普通的C-Mn鋼或低合金鋼中添加微量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常小于0．1%）的強(qiáng)碳氮化物形成元素（如鈮、釩、鈦等）進(jìn)行合金化，通過(guò)高純潔度的冶煉工藝（脫氣、脫硫及夾雜物形態(tài)控制）煉鋼，在加工過(guò)程中施以控制軋制/控制冷卻等新工藝，通過(guò)控制細(xì)化鋼的晶粒和碳氮化物沉淀強(qiáng)化的物理冶金過(guò)程，在熱軋狀態(tài)下獲得高強(qiáng)度、高韌性、高可焊接性、良好的成形性能等最佳力學(xué)性能配合的工程結(jié)構(gòu)材料——微合金化鋼。

合金化與“冶煉”反應(yīng)及結(jié)晶過(guò)程中元素參與形成或影響夾雜或生成有害的共晶相等產(chǎn)物和作用機(jī)理是不同的。從存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)與組織、性能三方面來(lái)描述，合金化的物理本質(zhì)是：通過(guò)元素的固溶及其固態(tài)反應(yīng)。影響微結(jié)構(gòu)乃至結(jié)構(gòu)、組織和組分，從而使金屬獲得要求的性能。

“微合金化”是指這些元素在鋼中的含量較低．通常低于0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。與鋼中不需要的殘余元素不同，微合金化元素是為改善鋼材的性能有目的地加到鋼中的。合金化元素與微合金化元素不僅在含量上有區(qū)別，而且其冶金效應(yīng)也各有特點(diǎn)：合金化元素主要影響鋼的基體，而微合金化元素除了溶質(zhì)原子的拖曳作用外，幾乎總是通過(guò)第二相的析出而影響鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)。

微合金化鋼的強(qiáng)化機(jī)理晶粒細(xì)化強(qiáng)化晶粒細(xì)化是鋼最主要的強(qiáng)化方式之一，同時(shí)，它也是鋼鐵材料大幅度提高韌性的最重要的韌化方式。

晶粒細(xì)化之所以既能提高鋼的強(qiáng)度，又能提高鋼的韌性，其原因是：材料的晶粒越細(xì)，晶界面積就越大，而晶界兩邊的晶粒的取向完全不同且完全無(wú)規(guī)則，并且晶界是原子排列相當(dāng)紊亂的地區(qū)。因此，當(dāng)塑性形變和微裂紋由一個(gè)晶粒穿過(guò)晶界進(jìn)入另一個(gè)晶粒時(shí)，由于晶界阻力大，穿過(guò)晶界就比較困難；另外，穿過(guò)晶界后滑移方向和裂紋擴(kuò)展又需改變。與晶內(nèi)的形變及裂紋擴(kuò)展相比，這種既要穿過(guò)晶界而又要改變方向的形變及裂紋擴(kuò)展將要消耗很大的能量，故晶界的存在將使材料的強(qiáng)度和韌性都得到提高，并且材料的晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度和韌性就越高。

固溶強(qiáng)化按照溶質(zhì)的存在方式，固溶可分為間隙固溶和置換固溶兩類(lèi)。置換固溶或間隙固溶的異質(zhì)原子，以點(diǎn)狀障礙物的形式起著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。從幾何尺寸來(lái)看，也可以說(shuō)是“點(diǎn)性”強(qiáng)化，或“0”維強(qiáng)化。

鋼的固溶強(qiáng)化是人們最早研究和應(yīng)用的強(qiáng)化方式之一，碳原子的間隙固溶強(qiáng)化是鋼中最經(jīng)濟(jì)、最有效的強(qiáng)化方式。而置換固溶強(qiáng)化在很多合金鋼中也是相當(dāng)重要的強(qiáng)化方式。1

微合金化作用通過(guò)加入一種或多種微量元素， 使合金獲得所需組織和性能的方法。 合金化效果取決于添加微量元素的最 佳含量。在軟鋼和高強(qiáng)度低合金鋼中 可添加微量Nb、V、Ti等。在鑄造鎳 基高溫合金中可添加B、Zr、Hf、Y、 Ce等。變形高溫合金中可添加B、C、 B+Zr、La+Ce、Mg等。形成鏈狀分 布的碳化物、硼化物等可以通過(guò)阻止 晶粒長(zhǎng)大、阻止晶界滑移、阻止空穴集 聚長(zhǎng)大、強(qiáng)化晶界、減緩缺口敏感等途 徑，改善或提高合金的性能。稀土元素 可通過(guò)凈化晶界，去除低熔點(diǎn)雜質(zhì)或 提高雜質(zhì)熔點(diǎn)等途徑，改善或提高其 持久、蠕變、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕、抗氧 化等性能。

微合金化元素在鋼中應(yīng)用的基本原理在于其在鋼中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金化元素與碳、氮交互作用，產(chǎn)生了諸如晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化、再結(jié)晶控制、夾雜物改性等一系列的次生作用，這些因素對(duì)鋼的強(qiáng)韌化所起的作用被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)鋼鐵產(chǎn)品。2