多元微合金钢中的应受诱导复合析出
多元微合金钢中的应受诱导复合析出
苑少强杨善武武会宾王学敏贺信莱
北京科技大学材料物理系北京1000083
摘要
采用透射电子显微镜结合纳米束能谱技术，研究了含Nb，Ti，Mo等多种微合金元素的超低碳贝氏体钢在奥氏体非再结晶区终轧后弛豫阶段的应变诱导析出行为。实验结果表明：经30%预变形后，在 850℃和 900℃等温弛豫时，钢中析出开始主要有纯Nb及Nb-Ti复合的两类，以后者为主。随弛豫时间延长，纯Nb型析出物消失，复合夹杂中铌钛比增加。弛豫阶段后期，Mo会以置换原子形式进入（Ti, Nb）（C, N）的面心立方晶格中，其量随弛豫时间的延长而增加。析出物形状以不规则外形为主，其密度及平均尺寸与变形温度和弛豫时间密切相关。
关键词微合金钢，应力弛豫；应变诱导析出
微合金化与控轧控冷技术的有机结合是近年来用于高强高韧钢发展的一大趋势。在这类钢中微合金元素在变形奥氏体中的析出行为对钢的组织与性能有至关重要的影响口（1）。在过去的二十年中，单一微合金元素如Nb，Ti等的析出行为受到高度重视，对Nb-V和Nb-Mo 等少数二元微合金体系也开展了少量工作（2-5），主要侧重于析出的开始和完成阶段。而采用新的形变热处理（TMCP）加弛豫控制相变技术（RPC）发展实用的高强韧商业（6, 7），必须解决多元微合金钢中各组元的相互作用问题，并且对整个析出过程进行全面跟踪研究。本文拟研究一种包含Nb，Ti，Mo的多元微合金钢在热变形后的保温弛豫过程中，微合金元素的析出行为，对其进行过程的跟踪监测，并结合透射电镜研究析出物的长大、粗化及其伴随的成分变化。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
实验在北京科技大学25kg真空感应炉上冶炼，真空浇注，破真空水冷锭模加速凝固。钢锭在1200℃加热后锻成中Φ14mm圆棒，制成直径为8mm，高为12mm圆柱样品。其化学成分（重量%）为：0.035 C，1.54 Mn，0.22Si，0.076Nb，0.080Ti，0.32Cu，0.33Ni，0.33Mo，
0.0020B，0.0075S，0.0024P。
1.2 热模拟步骤
图1为实验钢的热变形工艺示意图。样品在Gleeble-1500热模拟机上加热至1250℃保温20分钟进行奥氏体化处理，随后以2℃/s的速度冷却到850℃和900℃，再经压缩变形30%，变形后压头不动并恒温保持1000s，同时连续测量保温过程中轴向应力随时间的变化。根据
测定的应力弛豫曲线，将其它样品变形后分别等温到不同时间（分别取0s ，30s ，60s ，200s ，1000s ）后立即水淬，用于观察等温弛豫过程中析出物形态的变化。
10 图1 实验钢的热变形工艺
1.3 析出物的观察与统计
试样沿垂直压缩轴切开，在全相磨面上制备碳萃取复型。采用2%硝酸酒精溶液浸蚀30s ，在真空度10-4Pa 下喷碳。用 5%的硝酸酒精溶液脱膜。在JE0L-100CX 电镜上观察，放大10万倍再光学放大3倍后作析出物尺寸的测量。不同弛豫时间试样统计的拆出物个数在200-400之间。运用JEM －2010F 分析电镜及nanobeam EDS 衍射技术确定纳米尺度析出物晶体结构及其成分随弛豫时间的变化。
2 实验结果与讨论
2.1 应力弛豫曲线与析出过程的发生发展
由图2可见，样品在850℃变形30%后，其应力弛豫曲线可划分为三阶段，应力σ与弛豫时间t 之间的关系可表示为下式：)(ln 0t t σασσ?+?=，式中0σ为变形30%时的最大轴向应力。当 t ＜20秒（第一阶段）时t ln 0ασσ?=，应力随时间的下降符合静态回复规律。在20秒
图
2 850℃变形30%的应力松弛曲线
(a)
(b)
(d)
(c)
100nm (e)
图3 850℃变形30%不同弛豫时间的析出物形貌的照片
(a) 0s (b)30s (c)60s (d)200s (e)1000s
对弛豫不同时间后立即淬火样品进行萃取复型，复型试样中析出物的透射电镜观察结果如图3所示。从形态大小规律看它与弛豫曲线结果相一致。在未经弛豫的样品内（图3a ），观察不到析出颗粒，只有少量大尺寸的钢中夹杂物，表明变形前的固溶处理己使材料中原有析出物充分回溶。当弛豫进行到30到200s 的第二阶段（图3b, 3c, 3d ）时，样品中出现了纳米级的细小析出相，其颗粒大小与分布密度均随弛豫时间延长而增加。当弛豫进行到大于200s 的第三阶段（图3e ）时，析出颗粒尺寸继续增加，但析出颗粒分布密度明显减少，这表明第三阶段是己有析出物的粗化阶段。图3e 中箭头所指处正在发生大颗粒吞并周围小颗粒的现象。
2.2 析出颗粒尺寸分布的统计结果
不同弛豫时间下析出物尺寸分布曲线及平均尺寸如图 4所示，可见，在 850℃变形30%后，弛豫不同时间的各样品内，析出颗粒的尺寸分布均符合正态分布，并且峰位尺寸接近平均尺寸。随着弛豫时间的增加，峰位逐渐向右移动，平均尺寸也从弛豫30秒的4nm 增加到弛豫1000秒时的13nm 以上。
图5比较了850℃和900℃变形及弛豫样中测量结果。由图可见，当弛豫时间相同时，900℃变形样品中析出物平均尺寸较大。在两种变形温度下，析出物平均尺寸的增加速度均随弛豫时间延长而降低。
%
%
%
nm
%
nm
图 4 850℃变形30%弛豫不同时间的析出物尺寸分布
（a ）30s （b ）60s （c ）200s （d ）1000s
p a r t i c l e s i z e (n m )
t 1/2
/s 1/2
图5 相同弛豫时间不同温度析出物颗粒的尺寸变化
2.3 析出颗粒长大过程中的成分演变
图6为JEM-2010F 分析电镜及微束EDS 测量的不同尺寸析出颗粒所对应的能谱。结果表明少量呈椭球状的析出颗粒为只含Nb 的析出相（能谱中的硅峰是碳膜中杂质的干扰），即Nb(C, N)。而大部分析出相形状接近不规则多边形，包含多种微合金元素。当其尺寸为5nm 或5nm 以下时，只包含Nb 和Ti ，其中Ti 含量超过Nb 含量（原子数比），随着析出颗粒尺寸的增加，Ti ／Nb 比逐渐下降。
一个值得注意的现象是，当析出颗粒尺寸达到10nm 左右时，能谱中出现Mo 峰。已有的工作表明（5,10），在此温度下，Mo 的碳化物不可能析出，而现在它与Nb 、Ti 共同析出，完全是微合金元素间相互作用的结果。电子衍射（图7）表明，含Mo 的析出颗粒仍维持(Ti, Nb)(C, N)的点阵结构。
2.4 讨论
（1）析出颗粒的长大机制
由图4可见，当样品弛豫到60s 后，尺寸在5nm 以下的析出颗粒所占比例己经很小，所以在应力弛豫的第二阶段（20-200s ）主要是颗粒的形核及长大过程，从200-1000s 的粗化阶段，主要是少量小颗粒的重新溶解与大部分析出颗粒的长大，因而平均尺寸随时间的增加率可视为反映了析出颗粒的长大速度。
(a)
5
10
15
20
020406080100120140160180200Nb
Nb Cu
Si
c p s
Energy(keV)
(b)
Nb: 100%
5
10
15
20
20406080100120140160180200220240260280300Cu
Ti
Nb Nb
Si
c p s
Energy(keV)
5
10
15
20
020
40
60
80100
Mo Cu
Ti
Nb
Nb Nb
c p s
Energy(keV)
5
10
15
20
020406080100120140Cu
Mo Ti
Nb
Nb Nb c p s
Energy(keV)
Ti:Nb:Mo ≈39:42:19
Ti:Nb:Mo ≈36:49:15
Ti:Nb ≈52:48
(c)
(d)
图 6 850℃变形30%不同弛豫时间析出颗粒的成分变化
（a ）60s （b ）60s （c ）200s （d ）1000s
由于析出相与基体之间极大的成分差异，析出颗粒的增长是一个扩散控制的长大过程。在微观上，它可能牵涉到溶质原子的体扩散，沿位错的扩散或界面扩散。因为模拟试验变形前在1250℃进行过奥氏体化处理，晶粒尺寸很大（一般在 300μm 以上），所以界面扩散效应很小，可以不予考虑。随着弛豫时间的延长，回复过程己充分进行，使样品内位错密度逐渐降低，形成明显的亚结构，部分析出物已脱离位错网，因此弛豫的最后阶段（200-1000s ）可视为是由体扩散控制的生长阶段。从850℃测量结果看，从弛豫开始到1000s ，析出物颗粒尺寸达到13nm 左右。如果根据析出物长大的平方根定律，即新相的线度和时间的平方根成正比（11），Dt x ∝
，按照这一趋势来估计，弛豫200s 时，析出颗粒尺寸应为5.5nm
左右，但实际测量结果为10nm 以上。表明析出的整个过程并非遵守同一机制。它表明在变
形诱导析出颗粒的长大进程中，特别是初期，沿位错线的管道机制将起重要作用。
22)
0(2222)
(111)*
图7 850℃弛豫1000s 时的析出相衍射谱
（2）析出物的成分演变规律
由于Ti 的析出温度较高，因此，在钢的凝固过程中常以微细的富Ti 夹杂（一般为TiN ）产生，在弛豫开始前钢中固溶的Ti 己低于名义成分，但Ti 形成C ，N 化合物的驱动力一般高于Nb （12），所以变形后弛豫过程析出颗粒形成初期大部分主要是富Ti 的。部分析出物也可以原有TiN 为核心析出（13）。随着析出过程的持续，更多的Nb 将以C ，N 化物的形式析出，由于Nb(C, N)和Ti(C, N)点阵结构相同，晶格常数接近，大部分Nb(C, N)将以先期形成的富Ti 质点为核心而析出，形成复合析出相，仅有少量细小的Nb(C, N)是独立形核的（14,15）。因而随着祈出颗粒的长大，能谱分析的析出物中的Ti/Nb 逐渐减小。至于在较大
尺寸的析出颗粒中探测到Mo，可能是因为它在(Nb, Ti)(C, N)析出相中的溶解度远大于其在基体中的溶解度，造成它在析出颗粒中富集。从Mo进入析出相后对Ti/Nb的影响以及这时析出相的点阵结构不变来看，Mo置换Nb的可能性较大，这应归因于它们相近的原于序数。
3 结论
（1） 含Nb，Ti，Mo的多元微合金实验钢变形后的应力弛豫过程分为三个阶段，分别对应析出相的形核、长大与粗化过程。
（2） 沿大量变形位错的扩散在析出物的长大过程中特别是长大初期起重要作用。
（3） 析出颗粒的长大伴随着成分的变化，析出颗粒在生长初期富Ti，随着颗粒的长大，Ti / Nb逐渐减小，变成以Nb为主，并有Mo进入析出相中。
氮含量对钒微合金钢组织性能的影响
氮含量对钒微合金钢组织性能的影响 张开华1雍岐龙2 （1. 攀枝花钢铁研究院，攀枝花617000；2.钢铁研究总院结构所，北京100081） 摘要为了研究钒的析出形式对微合金组织和性能的影响，检验了实验室轧制的不同氮含量的两种钒微合金钢的组织和性能，结果表明，在轧后水冷条件下，V钢的组织中仅有极少量的铁素体，而V-N钢有大量的晶界铁素体。在轧后空冷条件下，两种钢的组织均为铁素体+珠光体，V-N钢的铁素体晶粒比V钢细小，由于V-N钢中V(C,N)析出温度高，析出粒子粗大，对强度贡献较小，V-N钢的屈服强度和抗拉强度比V钢低，延伸率比V钢高。 关键词钒微合金钢组织性能氮含量 The Effect of Nitrogen on Micro-structure and Mechanical Properties of V-bearing Micro-alloying Steel Zhang Kaihua1 Yong Qilong2 (1．Panzhihua Iron and Steel Research Institute, Panzhihua, 617000； 2．Central Iron and Steel Research Institute ,Beijing，100081) Abstract The microstructure and mechanical properties of V-bearing micro-alloying steel of different nitrogen content have been studied at laboratory. The results show that the ferrite exists scarcely in V steel, and the grain boundary ferrite exists in V-N steel with water-cooling after rolling. With air-cooling after rolling, the temperature of V(C,N) presentation in V-N steel is higher that in V steel, the ferrite grain size of V-N steel is finer than that of V steel, the yield strength and tensile strength of V steel is higher than that of V-N steel, the elongation is lower than that of V-N steel. Key words vanadium, micro-alloying steel, structure, mechanical properties, nitrogen 1 引言 高强度微合金钢中，加入微合金元素的目的是产生晶粒细化和沉淀强化，提高钢材的性能。钒作为重要的微合金元素，其主要作用是强烈的沉淀强化作用以及易于控制。 在钒微合金化钢中，氮被认为是一种廉价的有效的微合金化元素，钒在钢中作用的大小与钢中的氮含量有很大的关系，有研究表明，在长棒材生产中，每增加0.001%的氮可提高强度约10MPa[1]，在现在，钒氮合金主要应用于以下几个方面：（1）高强度焊接钢筋等长棒材，在这类钢的生产中，一般终轧温度比较高（1000℃以上），冷却速度比较快，钒高温时析出很少甚至基本不析出，氮的加入增加了V(C，N)在铁素体低温析出的驱动力，随钢中氮含量的增加，V(C，N)析出相数量增加、颗粒尺寸和间距明显减小[2]。氮还改变了钒在相间的分布，低氮钢中近60%的钒固溶于基体，有约35%的钒以V(C，N)形式析出；而高氮钢中则完全相反，70%的钒以V(C，N)形式析出，仅剩20％的钒固溶于基体中[3]。（2）非调质钢，氮在非调质钢中的主要作用是：1）促进钒的析出，提高沉淀强化效果；2）细化晶粒；3）提高TiN的稳定性。(3)CSP高强度带钢，因为钒氮钢可以避免Nb钢铸坯裂纹问题，同时也可以通过析出强化提高强度。四是采用V-N微合金化技术与第三代TMCP工艺结合生产的高强度钢板，利用VN形成晶内铁素体(IGF)的技术来细化组织的方法，并与再结晶控轧工艺(RCR)相结合，细化铁素体晶粒。综上所述，钒氮合金的应用主要是：（1）利用钒的低温析出的沉淀强化。（2）利用钒的高温析出，促进晶内铁素体形核。
低合金钢中合金元素作的作用
合金元素在钢中的作用 随着现代工业和科学技术的不断发展，在机械制造中，对工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他各种物理化学性能的要求愈来愈高，碳钢已不能完全满足这些要求了。 原因： ①由碳钢制成的零件尺寸不能太大。否则，因淬透性不够而不 能满足对强度与塑性、韧性的要求。加入合金元素可增大淬 透性。 ②用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求。用合金 工具钢、高速钢和硬质合金。 ③碳钢不能满足特殊性能的要求，如要求耐热、耐低温、抗腐 蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特种的合金钢才能具有 这些性能。 合金钢是以碳钢为基础，金相组织和相应的碳钢大体上是相似的。在钢中加入合金元素，钢的机械性能显著提高。弄清楚各种合金元素对钢材的影响对控制产品质量有非常大的作用。 1 合金元素在钢中的存在方式 1.1 合金元素与钢中的碳相互作用，形成碳化物存在于钢中 按合金元素在钢中与碳相互作用的情况，它们可以分为两大类：(1) 不形成碳化物的元素(称为非碳化物形成元素)，包括镍、硅、铝、钴、铜等。由于这些元素与碳的结合力比铁小，因此在钢中它们不能与碳化合，它们对钢中碳化物的结构也无明显的影响。
(2) 形成碳化物的元素(称为碳化物形成元素)，根据其与碳结合力的强弱，可把碳化物形成元素分成三类。 1）弱碳化物形成元素：锰 锰对碳的结合力仅略强于铁。锰加入钢中，一般不形成特殊碳化物(结构与Fe3C不同的碳化物称为特殊碳化物)，而是溶入渗碳体中。 2）中强碳化物形成元素；铬、钼、钨 3）强碳化物形成元素：钒、铌、钛 有极高的稳定性，例如TiC在淬火加热时要到1000℃以上才开始缓慢的溶解，这些碳化物有极高的硬度，例如在高速钢中加人钒，形成V4C，使之有更高的耐磨性。 1.2 合金元素溶解于铁素体(或奥氏体)中，以固溶体形式存在于钢中。 1.3 合金元素与钢中的氮、氧、硫等化合，以氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物的形式存在于钢中。 1.4 游离态，即不溶于铁，也不溶于化合物：铅，铜 2 合金元素对钢的平衡组织的影响 表现在改变铁碳合金状态图。 2.1 合金元素对钢临界温度的影响 锰、镍、铜使A3线降低，钼、钨、硅、钒使A3线升高。同样影响A1，影响程度更大。 2.2 合金元素对钢共析点（S点）位置的影响
微合金元素在钢中的作用(精)
为了合金化而加入的合金元素, 最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒,钛,铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。 1、硅在钢中的作用 : (1提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。 (2 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比 , 这是一般弹簧钢。 (3耐腐蚀性。硅的质量分数为 15%-20%的高硅铸铁,是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成一层 SiO 2薄膜,从而提高钢在高温时的抗氧化性。 缺点:(4使钢的焊接性能恶化。 2、锰在钢中的作用 (1锰提高钢的淬透性。 (2锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。 (3锰对钢的高温瞬时强度有所提高。 锰钢的主要缺点是,①含锰较高时,有较明显的回火脆性现象; ②锰有促进晶粒长大的作用, 因此锰钢对过热较敏感 t 在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服:⑧当锰的质量分数超过 1%时,会使钢的焊接性能变坏,④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。 3、铬在钢中的作用 (1铬可提高钢的强度和硬度。 (2铬可提高钢的高温机械性能。 (3使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性
(4阻止石墨化 (5提高淬透性。 缺点:①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。4、镍在钢中的作用 (1可提高钢的强度而不显著降低其韧性。 (2镍可降低钢的脆性转变温度,即可提高钢的低温韧性。 (3改善钢的加工性和可焊性。 (4镍可以提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。 5、钼在钢中的作用 (1钼对铁素体有固溶强化作用。 (2提高钢热强性 (3抗氢侵蚀的作用。 (4提高钢的淬透性。 缺点:钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。 6、钨在钢中的作用 (1 提高强度 (2提高钢的高温强度。 (3提高钢的抗氢性能。 (4是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。
合金元素在钢中的作用完整版
了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、猛、珞、線、钳、鹄、帆，钛，锐、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。 1、硅在钢中的作用： （1）提高钢中固溶体的强度和冷加工硕化程度使钢的韧性和塑性降低。 （2）硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，这是一般弹簧钢。（3）耐腐蚀性。硅的质量分数为15% — 20%的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层Si02薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。 缺点：（4）使钢的焊接性能恶化。 2、镭在钢中的作用 （1）镭提高钢的淬透性。 （2）镭对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。 （3）镭对钢的高温瞬时强度有所提高。 镭钢的主要缺点是，①含猛较高时，有较明显的回火脆性现象；②镭有促进晶粒长大的作用，因此镭钢对过热较敬感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钮、飢、钛等来克服：⑧当镭的质量分数超过1%时, 会使钢的焊接性能变坏，④镭会使钢的耐锈蚀性能降低。 3、珞在钢中的作用 （1）珞可提高钢的强度和硬度。 （2）珞可提高钢的高温机械性能。 （3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性 （4）阻止石墨化 （5）提高淬透性。 缺点：①辂是显著提高钢的脆性转变温度②辂能促进钢的回火脆性。4、W 在钢中的作用 （1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。 （2）银可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。 （3）改善钢的加工性和可焊性。 （4）银可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐8 /I 蚀。 5、钮在钢中的作用 （1）铝对铁素体有固溶强化作用。 （2）提高钢热强性 （3）抗氢侵蚀的作用。 （4）提高钢的淬透性。 缺点：钮的主要不良作用是它能使低合金钳钢发生石墨化的倾向。6、钩在钢中的作用 （1）提高强度 （2）提高钢的高温强度。 （3）提髙钢的抗氢性能。
合金钢中各元素对其性能的影响
合金钢中各元素对其性能的影响 1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23％超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20％。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30％的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60％,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入 1.0－1.2％的硅，强度可提高15－20％。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4％的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50％。在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40％。含锰11－14％的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045％，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。在钢中加入0.08-0.20％的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5％的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形
合金元素在钢中的主要作用
§5－1 合金元素在钢中的主要作用 教学过程 一、复习提问： 碳素钢的性能特点 二、新课教学： 合金元素在钢中的主要作用（强化铁素体、形成合金碳化物、细化晶粒、提高钢的淬透性、提高钢的回火稳定性） 三、课后小结： 合金钢与碳素钢的区别 四、作业安排： 练习册P23，一、1、2；二、1、2、4；三、6 五、板书设计（见下页）： 六、教学后记： §5－1 合金元素在钢中的主要作用 1、定义：为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或几种合金元素的钢。 2、含碳量：＜2.11%。 3、常用元素： Cr铬、Ni镍、Mo钼、W钨、V钒、Ti钛、Al铝、B硼、Nb铌、Nd钕。 4、合金元素的影响： 可以得到所需的力学性能，用于重要零件； 特殊物理（熔点、磁性）、化学（耐热、耐腐蚀）性能； 特殊工艺性能（焊接、热处理）； 使C曲线右移，淬透性提高。 一、强化铁素体（除铅外）： 1、存在形式： 大多数合金元素溶于α-Fe，形成合金铁素体。 2、作用： 3、对韧性的影响： Si＜1.0%、Mn＜1.5%，F韧性不下降，超过此量，则F韧性下降。 Cr≤2%、Ni≤5%，明显强化F，提高F韧性。 二、形成合金碳化物： 1、存在形形式（合金元素与碳亲和力不同）：
（1）非碳化物形成元素：镍、钴、铜、硅、铝、硼，不形成碳化物，溶于F 和A ，形成合金F 和合金A 。 （2）弱碳化物形成元素：Mn 锰，与碳亲和力弱，大部分溶于F 或A ，少部分溶于Cm ，形成合金渗碳体。 （3）中碳化物形成元素：Cr 铬、Mo 钼、W 钨，和碳亲和力强，形成合金渗碳体，硬度提高，明显提高低合金钢强度，组织比Cm 稳定。 （4）强碳化物形成元素：V 钒、Nb 铌、Ti 钛，与碳形成特殊碳化物，比合金Cm 有更高的熔点、硬度和耐磨性，组织更稳定。 2、作用： 碳化物种类、性能、在钢中分布状态，直接影响钢的性能、热处理相变。 如果碳化物以弥散状分布，则强度↑、硬度↑、耐磨性↑，对工具钢有重要意义。 三、细化晶粒（除Mn 外）： 1、元素作用： Mn 使晶粒长大倾向增大，即过热。 其他元素加热时抑制A 长大，降低长大速度 V 、Nb 、Ti 形成的碳化物，铝在钢中形成的AlN 、Al2O3细小质点，相当于孕育剂，增加形核率。 2、结果： 细化晶粒，使强度↑、韧性↑。使晶粒细化。 四、提高钢的淬透性(除钴外)： 1、作用： 合金元素溶于A ，使过冷A 稳定性增强，推迟珠光体转变，使C 曲线右移，V 临↓、淬透性↑。 2、结果： 淬透性好，可采用冷却能力较低的介质，防变形、开裂，保持尺寸和形状精度。 在同样淬火条件下，合金钢淬硬层较深，大截面零件组织均匀，综合力学性能提高。 3、常用元素：Mo 、Mn 、Cr 、Ni 、Si 、B 。 4、特例：微量的B （0.0005%～0.003%）可明显提高淬透性。 五、提高钢的稳定性： 1、回火稳定性：钢在回火时，抵抗软化、抵抗硬度下降的能力。 2、产生原因：合金元素阻碍M 分解，且碳化物不易析出，即使析出也不易长大，保持较大弥散度，硬度下降慢。
元素对合金的影响
元素对合金的影响 元素对合金的影响 主要合金元素 合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素,只要有足够的碳,在适当条件下,就能形成各自的碳化物,当缺碳或在高温条件下,则以原子状态进入固溶体中;锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素,其中一部分以原子状态进入固溶体中,另一部分形成置换式合金渗碳体;铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素,一般以原子状态存在于固溶体中。 [编辑本段]合金钢的分类 一般分类 合金钢种类很多,通常按合金元素含量多少分为低合金钢(含量<5%),中合金钢(含量5%~10%),高合金钢(含量>10%);按质量分为优质合金钢、特质合金钢;按特性和用途又分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢(如软磁钢、永磁钢、无磁钢)等。在钢中除含铁、碳和少量不可避免的硅、锰、磷、硫元素以外,还含有一定量的合金元素,钢中的合金元素有硅、锰、钼、镍、硌、矾、钛、铌、硼、铅、稀土等其中的一种或几种,这种钢叫合金钢。各国的合金钢系统,随各自的资源情况、生产和使用条件不同而不同,国外以往曾发展镍、硌钢系统,我国则发现以硅、锰、钒、钛、铌、硼、铅、稀土为主的合金钢系统合金钢在钢的总产量中约占百分之十几,一般是在电炉中冶炼的按用途可以把合金钢分为8大类,它们是:合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热不起皮钢,电工用硅钢。调质钢1.中碳型合金钢,合金元素含量较低;2.强度较高;3.用于高温螺栓、螺母材料等。弹簧钢1含碳量比调质钢高; 2经调质处理,强度较高抗疲劳强度较高;3用于弹簧材料。滚动轴承钢1高碳型合金钢,合金含量较高;2具有高而均匀的硬度和耐磨性;3用于滚动轴承。合金工具钢量具钢1高碳型合金钢,合金元素含量较低;2具有高的硬度和耐磨性,机加工性能好,稳定性好;3用于量具材料。特殊性能钢不锈钢1低碳高合金钢;2抗腐蚀性好;3用于抗腐蚀、部分可做耐热材料。耐热钢1低碳高合金钢;2耐热性能好;3用于耐热材料、部分可做抗腐蚀材料。低温钢1低碳合金钢,根据耐低温程度合金元素有高有低;2抗低温性好;3用于低温材料(专用钢为镍钢)。 根据碳化物的倾向分类
常用合金钢
常用合金钢（知识扩展）一.合金钢分类与编号二.低合金结构钢Q345、Q420 三. 机器零件用钢40Cr、65Mn、60Mn2Si、20Cr、20CrMnTi、GCr15 四.合金工具钢9SiCr、CrWMn、W18Cr4V、Cr124Cr5MoSiV 五.特殊性能钢1Cr13、9Cr18、1Cr17、1Cr18Ni9Ti、ZGMn13 合金钢分类 1.按合金元素含量多少分类：按合金元素含量多少分类：按合金元素含量多少分类低合金钢（合金总量低于5 %）中合金钢（合金总量为5 %～10 %）高合金钢（合金总量高于10 %）2.按用途分类：按用途分类：按用途分类合金结构钢低合金结构钢(也称普通低合金钢) 合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢滚珠轴承钢合金工具钢合金刃具钢(含低合金刃具钢、高速钢) 合金模具钢(含冷模具钢、热模具钢) 量具用钢特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢合金钢编号首部用数字标明碳质量分数: 结构钢以万分之一为单位的数字（两位数), 工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数,而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明:平均质量分数少于 1.5%时不标数, 平均质量分数为 1.5%～2.49%、 2.5%～3.49%……时,相应地标以2、3……。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明. 如GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约 1.5%(特例)的滚珠轴承钢. Y40Mn,表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于 1.5%的易切削钢. 普通低合金钢Q345 用途主要用于制造桥梁,船舶,车辆,锅炉,压力容器,输油输气管道,大型钢结构等.在热轧空冷状态下使用,组织为细晶粒的F+P,不再热处理. 化学成分wt% C Mn Si V Nb Ti 0.015 0.18 ～ 1.0 ～0.55 0.02 0.20 1.6 ～0.15 ～0.06 厚度mm <16 16～35 35～50 σs MPa ≥345 ≥325 ≥295 σb MPa 470～630 0.02 ～0.2 机械性能δ5 % Akv(20℃) J 34 21～22 GB/T1591-1994 Q345包括旧钢号12MnV ,14MnNb ,16Mn ,18Nb ,16MnCu Q420 普通低合金钢在正火状态下使用,组织为F+S 化学成分wt% V Nb Ti 0.02 ～0.2 0.015 ～0.06 0.02 ～0.2 δ5 % C ≤0.20 厚度mm <16 Mn Si Cr ≤0.40 Ni ≤0.70 1.0 ～0.55 1.7 34 18～19 16～35 GB/T1591-1994 ≥380 35～50 Q345包括旧钢号15MnVN ,14MnVTiRE 机械性能σs MPa σb MPa ≥420 520～680 ≥400 Akv(20℃) J 合金调质钢(低淬透性) 40Cr 热处理毛坯尺寸＜25mm 用途：用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓、进气阀主要化学成分wt% C Mn Si Cr Mo 机械性能（≥）退火态H B 淬火℃回火℃σb σs δ5 ψ Akv % % J MP MP a a 0.37 0.5 0.17 0.8 0.07 850 520 980 785 9 45 47 2 0 油水～～～～～0.44 0.8 0.37 1.1 0.12 7 油（GB/T3077－1999）合金弹簧钢钢号C 65Mn 60Mn2Si 主要成分w % Mn Si Cr 热处理淬火℃回火℃机械性能σs MPa σb MPa δ10 ψ % % 65Mn 0.62 ～0.70 60Si2 0.56 Mn ～0.64 0.90 ～1.20 0.60 ～0.90 0.17 ～0.37 1.50 ～2.00 ≤ 830 540 0.25 油800 1000 8 30 ≤ 870 480 1200 1300 5 0.35 油GB/T1222-1985 25 65Mn 60Mn2Si钢应用举例：截面≤25mm的弹簧，例如车箱缓冲卷簧合金渗碳钢(低淬透性合金渗碳钢低淬透性) 20Cr 低淬透性用途：可制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件.能同时承受强烈的摩擦磨损,较大的交变载荷,特别是冲击载荷机械性能（≥）主要化学成分wt% 热处理℃C Mn Si Cr 渗预淬回σb σs δ ψ Akv 5 碳备火火MP M J % % a P 处 a 理0.17 0.5 0.20 0.7 9 ～～～～3 0.24 0.8 0.40 1.0 0 8 8 0 水油780 2 0 ～820 0 水, 油8 3 5 5 4 0 毛坯尺寸m m 10 4 47 ＜0 1 5 GB/T3077-1999 合金渗碳钢(中淬透性合金渗碳钢中淬透性) 中淬透性20CrMnTi 主要化学成分wt% C Mn Si Cr Ti 毛渗预淬回σb σs δ ψ Ak 坯尺v 碳备火火MP MP % % 2 0 寸处℃m a a 理J m 9 3 0 8 8 0 油7 2 7 0 0 0 油1 85 1 4 55 < 0 0 0 5 15 8 GB/T3077-1999 0 热处理℃机械性能（≥）0.17 0.80 0.1 1.0 7～～～～0.23 1.10 0.3 1.3 7 0.04 ～0.10 滚珠轴承钢GCr15 用途：制造滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱、滚针),内外套圈等. 或制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件. 淬回
微合金钢
微合金钢 微合金化是一个笼统的概念，通常指在原有主加合金元素的基础上再添加微量的Nb、V、Ti 等碳氮物形成元素，或对力学性能有影响、或对耐蚀性、耐热性起有利作用、添加量随微合金化的钢类及品种的不同而异，相对于主加合金元素是微量范围的，如非调质结构钢中一般加入量在0.02—0.06%，在耐热钢和不锈钢中加入量在0.5%左右，而在高温合金中加入量高达1—3%。 微合金化钢的基本属性：(1)添加的碳氮化物形成元素，在钢的加热和冷却过程中通过溶解一析出行为对钢的力学性能发挥作用。 (2)这些元素加进量很少，钢的强化机制主要是细晶强化和沉淀强化。 (3)钢的控轧控冷工艺对微合金化钢有重要意义，也是微合金化钢叫作新型低合金高强度钢的依据。钢的微合金化和控轧控冷技术相辅相承，是微合金化钢设计和生产的重要条件。 因此说，微合金化钢是指化学成分规范上明确列进需加进一种或几种碳氮化物形成元素的钢。如GB/T 1591—94中Q295一Q460的钢，对其中Nb、V、Ti的含量通常有以下规定： (1)Nb，0.015％～0.06％； (2)V，0.02％～0.15％(0.20％)； (3)Ti，0.02％～0.20％。 同时规定Nb+V+Ti≤0.15％。微合金化的高强度低合金钢。 它是在普通软钢和普通高强度低合金钢基体化学成分中添加了微量合金元素(主要是强烈的碳化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al等)的钢，合金元素的添加量不多于0.20％。添加微量合金元素后，使钢的一种或几种性能得到明显的变化。 典型的微合金钢有15MnVN和06MnNb。微合金钢中含有一种或几种微合金元素，其含量大约在0.01％～0.20％之间。 微合金钢由于屈服强度高、韧性好、焊接性和耐大气腐蚀性好，可用于大型桥梁建筑，制造各类车辆的冲压构件、安全构件、抗疲劳零件及焊接件，它也是锅炉、高压容器、输油和输气管线，以及工业和民用建筑的理想材料。 关于微合金钢中Nb的析出对变形诱导铁素体相变的影响有两种不同观点:一是认为在变形过程Nb通过动态析出消耗形变储能而抑制变形诱导铁素体相变; 微合金钢就是这些“高技术钢材”中用量最大的一种。 处理办法：微处理可有效地提高16Mn原规格钢板、20MnSi大规格螺纹钢筋的屈服强度约10—20Mpa，改善A、B级一般强度板和X42—X46级管线钢的低温韧性，还可使16Mnq、15MnVNq 桥梁钢板的时效敏感比降低或消除。据不完全统计，1998年我国微合金化钢的产量为346万吨，占年全低合金高强度钢总产量55.1%。微处理钢（主要是Nb处理和Ti处理，还包括稀土处理钢在内）产量大致也在300万吨左右。 近20年来，世界钢铁工业最富活力和创造性进展，莫过于低合金高强度钢生产装备和工艺技术前所未有的变革，几乎使低合金高强度钢的所有品种领域更新了一代，甚至两代。微合金化钢属于低合金高强度钢范畴，或者说是新型的低合金高强度钢。 我国80年代以来的钢材生产及近年的钢材品种结构调整同样表明了： ①低合金高强度钢的新发展，借助了钢铁生产工艺技术的一切进步和最新成就。 ②低合金高强度钢的产量大，使用面广，适应了方方面面特殊性能要求，支持了各行各业产品的升级，增加了我国的机电产品和成套装备生产的竞争力。 ③微合金化带动了我国富有合金资源的生产和综合利用，微合金化钢生产促进了钢铁企业结构调整和流程优化。 所以，形成了一个崭新的观点，发展微合金化钢就是抓住了基础原材料工业发展的关键，通
合金元素在钢中的主要作用
简述几种常见合金元素在钢中的主要作用 为了改善和提高钢的某些性能和使之获得某些特殊性能而有意在冶炼 过程中加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有铬，镍，钼，钨，钒，钛，铌，锆，钴，硅，锰，铝，铜，硼，稀土等。磷，硫，氮等在某些情况下也起到合金的作用。 (1)铬(Cr) 铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。含量超过12%时，使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用，还增加钢的热强性。铬为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。 铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时，强度和硬度将下降，伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。 铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。 含铬的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，有良好的回火稳定性。在电热合金中，铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。 （2）镍（Ni） 镍在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。一般地讲，对不需调质处理而在轧钢、正火或退火状态使用的低碳钢，一定的含镍量能提高钢的强度而不显著降低其韧性。据统计，每增加1%的镍约可提高强度。随着镍含量的增加，钢的屈服程度比抗拉强度提高的快，因此含镍钢的比可较普通碳素钢高。镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。对于中碳钢，由于镍降低珠光体转变温度，使珠光体变细；又由于镍降低共析点的含碳量，因而和相同的碳含量的碳素钢比，其珠光体数量较多，使含镍的珠光体铁素体钢的强度较相同碳含量的碳素钢高。反之，若使钢的强度相同，含镍钢的碳含量可以适当降低，因而能使钢的韧性和塑性有所提。镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。镍降低钢的低温脆性转变温度，这对低温用钢有极重要的意义。含镍%的钢可在-100℃时使用，含镍9%的钢则可在 -196℃时工作。镍不增加钢对蠕变的抗力，因此一般不作为热强钢的强化元素。 镍含量高的铁镍合金，其线胀系数随镍含量增减而显著变化，利用这一特性，可以设计和生产具有极低或一定线胀系数的精密合金、双金属材料等。 此外，镍加入钢中不仅能耐酸，而且也能抗碱，对大气及盐都有抗蚀能力，镍是不锈耐酸钢中的重要元素之一。 （3）钼（Mo）
微合金钢
发展中国家微合金钢的潜力 Geoffrey Tither Niobium Products Company Inc. Pittsburgh, PA 1．简介 在发展中国家，并不总是适合投资大型、现代化的厚板或热轧/冷轧机组，尤其在未经细致的市场调研的情形下，其实是不明智的。这是因为成本投入巨大，并在许多方面，由于考虑剧烈的竞争－衰退周期，能实现的盈利很少。 一个更明智的方法是开发的产品能在小型工厂更经济的生产，从而只需较少的投资。诸如紧固件、冷镦部件、拉拔线材、汽车锻件及工业、农业机械用锻件等是发展中国家在微合金钢开发和应用方面有待开拓的领域。这是由于微合金钢比普通合金钢成本低，并且在许多方面，微合金钢可减免制造工序，从而实现比单单合金节省更显著的节约。 本文讨论微合金化的基本概念，但主要侧重于微合金钢的商用场合。 2．微合金钢设计 微合金钢可定义为单独或者复合添加少量Nb、V、Ti和Al的低碳至中碳钢。对机械性能的影响是基于这些微合金元素形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些化合物在再加热及后续过程中全部或部分溶解。溶解和析出的动力学决定着通过微合金化所能获得效果。溶解程度依赖于加热温度、保温时间、加热和冷却速率、碳氮化物的溶度积。各种微合金碳化物、氮化物的溶度积如图1所示。 图1 微合金碳化物、氮化物的溶度积
低碳高韧高强度低合金钢（HSLA）的实质是通过相变获得细小铁素体晶粒。晶粒细化是唯一同时改善韧性的强化机制。 而对于中碳钢，珠光体团尺寸和珠光体片厚度决定韧性，前者受奥氏体晶粒尺寸影响，后者受碳含量影响，碳含量越低，渗碳体片越薄，韧性越好。另一方面，珠光体片间距决定珠光体钢的强度，片间距受珠光体转变温度控制。相变温度越低，片间距越小，强度越高。 再加热过程中各种微合金元素对晶粒粗化的影响如图2所示（2）。如图所示，高温状态阻止晶粒粗化的效果，Nb比V、Al更为有效，而Ti，通常以TiN微粒弥散分布，是最有效的。为使TiN有效阻止晶粒粗化，必须使Ti:N满足化学计量比，以保证TiN颗粒尺寸处于100－500nm。偏离化学计量比将致使TiN逐渐失效，事实上将减慢凝固冷却，因此，铸锭浇铸通道变得不合适。 图2 各种微合金钢奥氏体晶粒粗化特性 上述阻止晶粒粗化的效果，例如对于正火钢，特别是含量较低时（0.02-0.04％）,添加Nb作为晶粒细化剂十分有效，见图3（3）。 图3 Nb、V、Ti对正火型HSLA钢晶粒尺寸的影响 在正火处理或随后的热变形冷却过程中，对于Nb和V，两种主要效应可能依赖于冷却前仍处于固溶态的微合金元素含量和随后的冷却速率。例如，固溶态的Nb有显著的硬化效
常用合金元素在钢中的作用
几种常用合金元素在钢中的作用 为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。 1、硅在钢中的作用: (1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。 (2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。 (3)耐腐蚀性。硅的质量分数为15％一20％的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。 缺点：（4）使钢的焊接性能恶化。 2、锰在钢中的作用 （1）锰提高钢的淬透性。 （2）锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。 （3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。 锰钢的主要缺点是，①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：⑧当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。 3、铬在钢中的作用 （1）铬可提高钢的强度和硬度。 （2）铬可提高钢的高温机械性能。 （3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性 （4）阻止石墨化 （5）提高淬透性。 缺点：①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。 4、镍在钢中的作用 （1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。 （2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。 （3）改善钢的加工性和可焊性。 （4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。 5、钼在钢中的作用 （1）钼对铁素体有固溶强化作用。 （2）提高钢热强性 （3）抗氢侵蚀的作用。 （4）提高钢的淬透性。 缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。 6、钨在钢中的作用 (1) 提高强度 （2）提高钢的高温强度。 （3）提高钢的抗氢性能。 （4）是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。 7、钒在钢中的作用 (1)热强性。 （2）钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。 8、钛在钢中的作用 （1）钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度； （2）并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以
微合金元素在钢中作用
微合金元素在钢中溶解析出及影响因素？ 在奥氏体中，氮化物通常比碳化物更加稳定。微合金化元素不同，其碳化物和氮化物的溶解度绝对值有很大差异：V、Ti的碳化物与氮化物的溶解度差值较大，而Nb的碳化物与氮化物的溶解度比较接近，尽管NbN的溶解度仍然低于NbC的溶解度。ALN的溶解度与NbN 接近，说明其溶解度比VC还要大。多数微合金碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度比较接近，虽然多数微合金元素的碳化物或氮化物在钢水中的溶解度还不确定，数据显示，TiN在钢水中的溶解度要比在同温度奥氏体中高10～100倍；因此TiN在1600℃钢水中的溶解度与其它微合金化元素在1200℃奥氏体中的溶解度接近。热力学计算表明，Nb的碳化物和氮化物在铁素体中的溶解度要比同温度的奥氏体中的溶解度低1个数量级。实验和热力学计算均证实，VC在铁素体中的溶解度要比同温度的奥氏体中的溶解度低1个数量级。 碳化物和氮化物的溶解度差导致碳氮化物中富集低溶解度化合物（氮化物）。在通常的复合微合金化钢中，碳化物和氮化物的溶解度差按铌、钒、钛的次序增大。合金碳氮化物中富集的氮化物的分数比例按钛、钒、铌的次序递减。合金碳氮化物中碳化物和氮化物的分数比例取决于钢中C和N的含量，在大多数钢中，远高于氮含量的碳含量在一定程度上抵销了碳化物和氮化物在溶解度上的差异。合金碳氮化物中碳化物和氮化物的分数比例还受合金元素含量的影响，合金元素含量升高降低氮化物的分数比例，尤其是在合金元素含量超过氮在钢中化学计量比的情况下。提高温度会增加氮化物的分数比例。钢中未溶解合金碳氮化物的数量高于从不互相溶解的析出模型所预期的值，更为重要的是，合金碳氮化物能够在独立碳化物或氮化物的溶解度曲线以上温度存在。 1、应变诱导析出：未变形材料中除了在晶界和相界上形核外，沉淀相在晶粒内主要是以均匀形核机制生成；而在变形材料中，沉淀相主要在位错和各种晶体缺陷上非均匀形核。由于在位错上形核的激活能低，因此形核率很高，可得到很高的沉淀相粒子密度和很小的沉淀相尺寸。变形使析出过程的孕育时间大大缩短。 2、钢的成分偏聚：由于钢液在凝固过程中发生溶质元素的偏聚，在枝晶间隙区的浓度要明显高于钢的平均含量，即使经过高温的固溶处理，在微米尺度上溶质元素在钢中仍然是不均匀分布的 3、Ostwald 熟化：Ostwald熟化过程在析出相体积分数不变的条件下，通过颗粒的粗化使基体和析出相的界面能明显降低。在熟化过程中，第二相颗粒被一定厚度的基体所分离，为了确保相互分离的大颗粒长大而小颗粒缩小乃至消失以降低系统的总界面能，颗粒通过基体一定存在一种非接触式的感知。 微合金元素在钢对钢中组织元素及相转变的影响？ 当钒单独加入时，并不抑制铁素体的形成；相反，它加速珠光体的形成。然而，当钒和铌同时存在时，易于形成贝氏体组织，而钒在贝氏体内沉淀析出。正是这种钒与铌的差别，导致了在热轧交货的小型材中多倾向于加钒。这些轧态小型材冷却快，如果有铌存在的话，则形成导致脆性的贝氏体组织，而含钒钢中则不会形成这种脆性组织。钒能促进珠光体的形成，还能细化铁素体板条，因此钒能用来增加重轨的强度和汽车用锻件的强度。碳化钒也能在珠光体的铁素体板条内析出沉淀，从而进一步提高了材料的硬度和强度。钒像大多数溶质合金一样能抑制贝氏体的形成。因此，如果它是溶解而不是以碳化钒和氮化钒的形式沉淀析出，则可用来增加淬透性。当钢中钒的质量分数低于0.03%时，固溶态的钒才可以占绝大多数，才能有效地提高淬透性。与锰提高铌、钒的溶解度一样，钼也提高它们在钢中的溶解度。而添加了元素钼后，可固溶的钒含量明显增加，可达0.06%左右。 微合金对钢铁强度韧性热塑性的影响及强韧化机理？ 钒通过在铁素体中的沉淀析出，来增加钢的强度，它可使钢的强度增加150MPa以上。碳氮化物在轧制过程和轧制以后形成，而且在正火过程中，当钢被加热时，它们将溶解，并
合金元素在合金钢中的作用
合金元素在合金钢中的作用 1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有－%的硅。如果钢中含硅量超过硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入－%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰－%。在碳素钢中加入%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于%，优质钢要求更低些。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于%，优质钢要求小于%。在钢中加入的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过%塑性显著降低。当铜含量小于%对焊接性无影响。 15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。