（钢铁冶金专业论文）稀土耐侯钢的强度和塑性.pdf

l ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y i | i l ll li lli i l ll ll li iiii 18 4 3 5 3 4 s t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yo fr a r ee a r t h ( r e ) b yh u a n gg u i b i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i uc h e n g j u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：戤夷屯 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师小同意网：交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ； 叮， 啼l i ， i 。 一 东北大学硕士学位论文 摘要 稀土耐候钢的强度和塑性 摘要 稀土耐候钢是一种重要的结构用钢，广泛应用于铁道车辆、集装箱板、桥梁等各行 业，不仅要求具有良好的耐大气腐蚀性能，同时还要具有高的强度和塑性。本文以 b 4 5 0 n b r e 钢为研究对象，通过拉伸实验和金相分析研究了稀土、铌、钒、铬、铜、锰 等合金元素对b 4 5 0 n b r e 钢强度和塑性的影响作用机理，得到以下结论： ( 1 ) 微量的稀土可以改善耐候钢的强度。随着稀土含量的增加，无论是屈服强度还 是抗拉强度，均呈现出先逐渐增大而后开始减小的规律。在本实验条件下，当稀土含量 为0 0 0 3 5 时，耐候钢的屈服强度和抗拉强度均达到最大值，分别为515 m p a 和7 2 0 m p a 。 ( 2 ) 随着稀土含量的增加，无论是断面收缩率还是断后伸长率，均呈现出先逐渐减 小而后开始增大的规律。在本实验条件下，当稀土含量为o 0 0 3 5 时，稀土耐候钢的断 面收缩率和断后伸长率均达到最小值，分别为6 0 5 7 和2 1 6 2 ，亦能满足技术要求。 ( 3 ) 随着稀土含量的增加，耐候钢的铁素体含量先逐渐增加而后开始减少。稀土通 过改变铁素体含量来影响耐候钢的强度和塑性。 ( 4 ) 铌可以明显改善稀土耐候钢的强度。随着铌含量的增加，无论是屈服强度还是 抗拉强度，均呈现出逐渐增大的规律。铌对于稀土耐候钢塑性的影响作用很小。 ( 5 ) 铌、钒、锰均具有细化稀土耐候钢铁素体组织的作用。随着、钒、锰含量的增 加，稀土耐候钢的铁素体晶粒尺寸逐渐减小。 ( 6 ) 铬、铜、锰可以改善稀土耐候钢的强度，但对塑性有一定的不利影响。随着铬、 铜、锰含量的增加，屈服强度和抗拉强度均呈现出逐渐增大的规律；断面收缩率和断后伸 长率均呈现出逐渐减小的趋势。 关键词稀土；耐候钢；强度；塑性；合金化 ，毒、 s t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yo f r a r ee a r t h w e a t he r i n gs t e e l a b s t r a c t r a r ee a r t h ( r e ) w e a t h e r i n gs t e e li sa ni m p o r t a n tt y p eo fs t r u c t u r a ls t e e lw h i c hh a sb e e n u s e dw i d e l yi nr a i l w a yv e h i c l e ，c o n t a i n e rp l a t ea n db r i d g es t e e l t h e r ea r es t r i c tr e q u i r e m e n t s f o rw e a t h e r i n gr e s i s t a n c ea n dh i g hs t r e n g t h p l a s t i c i t y i nt h i sp a p e r , r ew e a t h e r i n gs t e e l b 4 5 0 n b r ew a sr e g a r d e da st h er e s e a r c hs u b j e c ta n dt h em e c h a n i s mo fe f f e c t so fa l l o y i n g e l e m e n t s ，s u c ha sr e ，n b ，vc r , c ua n dm n ，o ni t ss t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yw a ss t u d i e db y t e n s i l et e s t sa n dm e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ed r a w n ： ( 1 ) t r a c eo fr ec o u l di m p r o v et h es t r e n g t ho fw e a t h e r i n g s t e e l w i t hr ec o n t e n t i n c r e a s i n g ，t e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e d i nt h i s s t u d y , w h e nr e c o n t e n tw a s0 0 0 35 t h em a x i m u mt e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hw e r e g a i n e da n dt h e yw e r e5 15 m p aa n d7 2 0 m p ar e s p e c t i v e l y ( 2 ) w i t hr ec o n t e n ti n c r e a s i n g ，t h er e d u c t i o no fc r o s s s e c t i o n a la r e aa n d t h er a t eo f e l o n g a t i o ni n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e d i nt h i ss t u d y , w h e nr e c o n t e n tw a s0 0 0 3 5 ， t h em i n i m u mv a l u e sw e r eg a i n e da n dt h e yw e r e6 0 5 7 a n d21 6 2 r e s p e c t i v e l y , h o w e v e r t h e yc o u l ds a t i s f yt h et e c h n o l o g yo r d e r ( 3 ) w i t hr ec o n t e n ti n c r e a s i n g ，t h ev o l u m ef r a c t i o no ff e r r i t ei n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e n d e c r e a s e d t h es t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yo fw e a t h e r i n gs t e e lw e r ea f f e c t e db yr ev i ac h a n g i n g t h ev o l u m ef r a c t i o no ff e r r i t e ( 4 ) t h es t r e n g t ho fw e a t h e r i n gs t e e lw e r ei m p r o v e db yn br e m a r k a b l y w i t hn b c o n t e n t i n c r e a s i n g ，t e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e dg r a d u a l l y , a n d i ta f f e c t e dt h ep l a s t i c i t y r a r e l y ( 5 ) t h ef e r r i t eg r a i nc o u l db er e f i n e db yn b ，vo rm n w i t ht h ec o n t e n to fn b ，vo rm n i n c r e a s i n g ，t h es i z eo f f e r r i t eg r a i nd e c r e a s e dg r a d u a l l y ( 6 ) t h es t r e n g t ho fw e a t h e r i n gs t e e lw e r ei m p r o v e db yc r , c u ，o rm n ，b u tt h ea d v e r s e i n f l u e n c eo nt h ep l a s t i c i t yb yc r ，c u ，o rm nw a sf o u n d w i t ht h ec o n t e n to fn b ，vo rm n i n c r e a s i n g ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e dg r a d u a l l ya n dt h er e d u c t i o no f c r o s s s e c t i o n a la r e aa n dt h er a t eo fe l o n g a t i o nd e c r e a s e dg r a d u a l l y k e y w o r d s ：r a r ee a r t h ( r e ) ；w e a t h e r i n gs t e e l ；s t r e n g t h ；p l a s t i c i t y ；a l l o y i n g i i ， 吖 ，寺 东北大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 国内外耐候钢的发展概况1 1 2 本课题的研究背景一3 1 3 本课题的主要研究内容4 第2 章文献综述5 2 1 合会元素对钢力学性能的影响5 2 2 钢的强化机制l0 2 3 强化机制对塑性的影响1 3 2 4 提高耐候钢强度和塑性的主要途径1 4 第3 章实验方案及技术路线1 6 3 1 技术路线1 6 3 2 稀土耐候钢的性能要求1 6 3 3 稀土耐候钢的合金成分设计1 6 3 4 稀土耐候钢的制备1 7 3 5 稀土耐候钢的拉伸性能测定1 8 3 6 稀土耐候钢的金相组织分析1 9 第4 章稀土对耐候钢强度和塑性的影响2 0 4 1 稀土对耐候钢强度和塑性的影响2 0 4 2 稀土对耐候钢金相组织的影响2 2 4 3 本章小结2 8 第5 章铌、钒、铬、铜和锰对稀土耐候钢强度和塑性的影响2 9 5 1 铌对稀土耐候钢强度和塑性的影响2 9 5 2 钒对稀土耐候钢强度和塑性的影响3 5 5 3 铬对稀土耐候钢强度和塑性的影响3 9 5 4 铜对稀土耐候钢强度和塑性的影响4 2 5 5 锰对稀土耐候钢强度和塑性的影响4 6 i i i 东北大学硕士学位论文目录 5 6 本章小结5 0 第6 章结论5 2 参考文献5 3 致谢5 7 i v ， ，。j 东北大学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 耐大气腐蚀钢又称耐候钢，通常是指含有少量( 约百分之几) 合金元素，价格 低廉( 相当不锈钢几分之一的价格) ，在大气中具有良好耐腐蚀性能( 是普通碳钢的 2 8 倍，比铜钢高2 3 倍) 的类低合金高强度钢( 抗拉强度在4 0 0 m p a 以上) ，耐 候钢除了具有良好的耐候性外，还具有优良的力学、焊接等使用性能。由于耐候 钢能经受风吹雨打、阳光暴晒以及温度变化大等恶劣的服役条件，因此被广泛的 用于机车车辆、桥梁、房屋等各种金属结构件中，具有良好的市场前景。 1 1 国内外耐候钢的发展概况 1 1 1 国外耐候钢发展概况 耐候钢的研制起源于美国。1 9 0 0 年美国人发现，在钢中添加少量的c u ，可 以使钢的耐腐蚀性提高，因此给这种钢取名为耐候钢。美国钢铁公n ( u u s ) 于2 0 世纪3 0 年代开始大量生产牌号为c o r - t e n 系列的耐大气腐蚀钢，该钢采用铜、 磷、铬、镍作为耐蚀元素获得了很好的耐大气腐蚀性能，在美国进行的1 5 年大 气暴露试验显示，c o r t e n 系列钢的腐蚀速率仅为0 0 0 2 5 m m a 。与普通结构钢相 比c o r t e n 系列耐大气腐蚀钢具有优良的耐大气腐蚀性能。这种耐候钢出现之后 被许多国家引用，出现了各种各样的牌号，但基本上都是在c o r t e n 钢的基础上 调整部分元素而得到的。 现在美国使用较多的是c u p - n i c r 钢、c o r - t e n 钢以及h i s t e e l 锯 、y o l o y 钢、 a w d y n a ll a y 5 0 钢等。闩本的耐大气腐蚀钢有s p a h 、z i r - t e n 、c u p t o n 6 0 、 r i n e n t e n 和y a w - t e n 6 0 ，均属于m n c u c r - n i 钢系，有时也加入m o 、v 、n b 、t i 等微量合会元素；德国牌号有s t 5 2 钢和h s b 5 5 c 钢，也为m n c u c r - n i 系钢；法国 牌号有a p s i o c 钢、a p s z o a 钢及a p s 2 5 钢，均为以c u 为主添 j l l m o 、v 元素的钢 种；原苏联的耐大气腐蚀钢则是以c u c r - n i 系为主。这些耐候钢中最具有代表性 的是美国的c o r t e n 钢、同本的s p a h 钢等【列。表1 1 记述了国外典型耐候钢的化 学成分【3 1 。 国外耐候钢发展速度较快，强度一般也较高，如瑞典钢公司研制的d o m e x 系 列钢，屈服强度可高达7 0 0 m p a ，f t 本也有生产的7 8 0 n 耐候钢屈服强度2 6 8 5 m p a 东北大学硕士论文第1 章绪论 的报道。现在除了强度方面的提高外，有一些耐候性更好的新钢种陆续被研制出 来。如新同铁于1 9 9 8 年在世界上首次开发出耐一软腐蚀性能非常好的桥梁用耐大 气腐蚀钢材( 含n i 3 ，不含c r ) ，并大量投入使用，这种新产品可不经涂层而直接 用于沿海地区，其初期费用比现有的经过涂防腐层的钢材低1 3 ，而且基本不需 桥梁维修费【4 j 。此外，n k k 公司也开发出了在含盐分多的海岸地区无涂层也可使 用的耐大气腐蚀钢，该产品成分特点是添加了1 5 n i 和0 3 m o ，现己被公路桥 使用。 表1 1 国外典型耐后钢的化学成分 t a b l e1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no ff o r e i g nt y p i c a lw e a t h e r i n gs t e e l 1 1 2 国内耐候钢发展概况 我国对耐大气腐蚀钢的研制起步较晚，1 9 6 5 年试制出0 9 m n c u p t i 耐候钢， 并制造出了我国第一辆耐候钢铁路货车。但其后由于“文革”发展缓慢。这一时期， 我国的耐候钢主要是仿制国外技术。自从2 0 世纪8 0 年代列入国家重点技术攻关 东北大学硕士论文 第1 章绪论 项目之后，发展十分迅速，丌始由仿制逐渐走出了有自己特色的道路。经过“六 五”和“七五”攻关，研制出以0 9 c u p t i r e 、0 9 c u p c r n i 、0 9 c u p v r e 为代表的耐 候钢，并形成了批量生产能力。这些钢以c u 、p 为主并加入了稀土元素和v 、 t i 等元素。现在我国耐候钢有两大主要系列：c u - p r e 系和c u pn ic 系【5 1 。其 中c u p r e 系耐候钢是我国结合自身的资源条件丌发出来的特色钢种，经多年使 用后，稀土系耐候钢已显示出性能好、价格低的特点。因此，发展稀土系耐大气 腐蚀钢是符合我国国情和资源条件的。表1 2 记述了国内典型耐候钢的化学成分 【3 1 。 表1 2 国内典型耐后钢的化学成分 t a b l e1 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f d o m e s t i ct y p i c a lw e a t h e r i n gs t e e l 1 2 本课题的研究背景 钢铁工业仍然是我国经济建设重要的支柱产业。我国是世界稀土资源和产量 第一大国，又是钢产量第一的钢铁大国。但我国钢材品种质量与国外先进水平还 有相当大的差距。利用稀土这个战略资源来增强传统钢铁产业的竞争力，把稀土 资源优势转化为稀土钢的品种优势和质量优势，具有十分重大的意义。 随着国民经济建设的发展，铁道车辆用钢、集装箱板、建筑塔架等除了要求 东北大学硕士论文 第1 章绪论 钢材有良好的倒。腐蚀性能外，还同时要求有高的强度和塑性。我国n i 、c r 资源 不是很丰富，且n i 、c r 价格较高，利用我国丰富的稀土资源优势发展稀土耐候 钢是适合我国基本国情的，同时满足了新一代高强耐大气腐蚀钢的要求。尽管我 国在稀土耐候钢的研究和生产已取得了一定成就，但仍存在不少问题，具体表现 在以下几个方面1 6 1 ： ( 1 ) 稀土耐候钢新品种无论是数量上还是品质上都有待进一步提高。 ( 2 ) 在稀土耐候钢的强化机制、位错理论、塑性变形理论、断裂机理、腐蚀 理论等方面的基础理论研究尚不够深入和系统化。 ( 3 ) 稀土耐候钢的冶炼、压力加工和热处理等生产工艺研究方面，同国外耐 候钢的生产工艺研究水平差距较大。 由于上述原因，我国稀土耐候钢的强度和塑性同国外酬+ 候钢的主流产品相比 还存在一定差距，且各性能之间的匹配和协调性可控水平低。因此，研究新一代 高强度耐大气腐蚀钢势在必行。 本论文以包头钢铁集团生产的稀土耐候钢b 4 5 0 n b r e 钢为出发点，着重研 究b 4 5 0 n b r e 钢的强度、塑性及其变化机理，希望能够为稀土耐候钢的成分设 计和性能优化提供参考和借鉴。 1 3 本课题的主要研究内容 1 稀土含量对耐候钢强度和塑性的影响。 a 通过拉伸实验，研究稀土含量对耐候钢的屈服强度、抗拉强度、延伸率 与断面收缩率的影响。 b 利用金相显微镜对耐候钢的金相组织进行分析，包括对铁素体晶粒尺寸 和铁素体含量进行测定。 c 利用透射电子显微镜分析耐候钢的微观组织形貌，并对析出相进行鉴定。 2 铌、钒、铬、铜和锰等合金元素对稀土耐候钢强度和塑性的影响。 a 通过拉伸实验，研究合金元素类型和含量对稀土耐候钢的屈服强度、抗 拉强度、延伸率与断面收缩率的影响。 b 利用会相显微镜和透射电子显微镜，对稀土耐候钢的金相组织和析出相 进行分析。 - 4 东北大学硕士论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 合金元素对钢力学性能的影响 2 1 1 稀土对钢力学性能的影响 研究结果表明【_ m 1 ：稀土在钢中不但有明显的净化作用和夹杂物改性作用，同 时也存在明显的微合金化作用。随着钢中稀土加入量的增加，完成净化钢液和变 性央杂物作用后富余的稀土固溶在钢中，其固溶量可达到1 0 一1 0 4 数量级，这部 分稀土将起到合金化的作用。稀土微合金化有净化晶界和固溶强化的作用，同时 可改善铸念组织、缩短柱状晶、减轻枝晶偏析。稀土使铁素体量增大，带状组织 改善，细化晶粒和抑制高温晶粒长大及晶界腐蚀。稀土与碳、氮、氢及铌、钒、 钛等微合会元素有交互作用，影响钢的相变点及组织，抑制钢的氢脆，促进铌、 钒、钛沉淀相在铁素体中细化、弥散析出，细化晶粒，增大沉淀强化效果。 研究表明i l 川，热作模具钢p 2 0 钢加入适量稀土元素后，能够以粒状复合稀土 硫化物取代原先的长条状硫化锰夹杂，从而提高p 2 0 钢的强度和塑性，但随着稀 土加入量的增多，大量稀土氧硫化物以及稀土第二相偏聚于晶界附近，弱化晶界， 使p 2 0 钢的强度和塑性严重恶化。对1 6 m n l 习的研究表吲，加入稀土的1 6 m n 钢 和未加稀土的1 6 m n 钢相比，其珠光体片层组织明显细化，强度值提高5 0 以上。 对含稀土的退火1 6 m n 钢进行s e m 分析表明，稀土使珠光体片间距减小1 5 - 一2 5 ， 渗碳体厚度减小1 5 2 3 ，细化了珠光体组织。同样，过量稀土又可使珠光体片 层问距和渗碳体厚度增大。对1 4 m n n b 钢正火组织分析表明【l2 1 ，一定量的固溶稀 土，可使大片不规则的珠光体细化和球化，并消除魏氏组织，稀土抑制奥氏体晶粒 长大。在5 c r n i m o 钢添加稀土表明i l 引，在强度基本不变的情况下塑性值提高2 7 以上，检测发现其晶粒尺寸明显细化，同时钢中的各种央杂物更加细小且分布更 加均匀，但加入过量稀土后，同样又会使大量夹杂物偏聚造成局域弱化，从而导 致强度和塑性恶化。因此，采用稀土做为微合会元素时，一方面要考虑钢中稀土 合适的赋存量；另一方面也要考虑与其它元素一起合理使用的问题，以便能够得 到最好的强韧性配合。 东北大学硕士论文 第2 章文献综述 2 1 2 铌对钢力学性能的影响 铌是弱脱氧剂和强碳化物形成元素，与碳的亲和力高于铬和钒。在钢中铌与 碳作用生成n b c 型碳化物，这种碳化物比较稳定，最高溶解温度接近1 3 0 0 。c 1 4 】。 此外，铌与氮也具有很强的亲和力，钢中存在氮时也很容易形成氮化物或碳氮化 物。铌是目自仃公认的最重要最典型的微合金元素，微合会元素在钢中的所有重要 作用都具备，而这与n b c 与n b n 在奥氏体中具有适当的和在一定程度上较为容易 调整的固溶度及有关。n b c 与n b n 具有相同的晶格结构且点阵常数接近，因而可 以无限制互溶形成碳氮化物n b c x n i x ，其中x 可在0 1 之间变化，由此导致其在奥 氏体中的固溶度积也处于n b c 与n b n 之间，通过钢中铌、碳、氮含量的变化，可 以使x 变化从而使其固溶度积随之变化【1 5 】。 研究表明，高温未溶的n b ( c ，n ) 可阻止均热时奥氏体晶粒的粗化，而轧 制过程中应变诱导析出的n b ( c ，n ) 可阻止再结晶奥氏体晶粒的粗化。 铌最重要的作用是阻止形变奥氏体的再结晶，获得极度拉长的形变储存能很 高的扁平状奥氏体晶粒，并在随后的y 伐相变后得到非常细小的铁素体晶粒；同 时还可显著促进形变诱导铁素体相变( d i f t ) ，并由于在铁素体中沉淀析出的 n b ( c ，n ) 阻止晶粒长大，而得到更为细小的铁素体晶粒。因此，含铌钢更适 宜于未再结晶控制轧制工艺。轧制过程在形变奥氏体中诱导析出的、1 , - a ) d l 变过 程中相间沉淀析出的和在铁素体中沉淀析出的n b ( c ，n ) ，均可产生明显的沉 淀强化效果【l 引。 基于铌的这些特点，美国、r 本等发达国家广泛采用铌进行合会化。钢中加 入一定量的铌，可以明显提高钢的强度。但铌对韧塑性的影响却因钢种不同而存 在明显差异。前人研究了铌含量对s t 5 2 3 钢断裂韧性的影响，实验结果表明1 1 7 】 钢中铌的残余量分别达n o 0 1 8 、0 0 4 0 和0 0 6 2 时，其断裂韧性分别比不加 铌时提高了9 、1 8 和2 8 。然而，对含碳量分别为0 0 8 、o 1 7 和0 3 2 的锰 钢研究表明1 7 j ，钢中的含铌量为0 0 2 0 0 - - 0 0 6 之间时，三种钢都得到了强化，但 是在塑性方面，含铌钢的塑性却比相应不含铌钢低。 2 1 3 钒对钢力学性能的影响 v n 在奥氏体中的固溶度积与n b c 相近，而v c 在奥氏体中的固溶度积比n b c 大两个数量级，因此，为了获得与铌微合金钢相近的作用及效果，必须采用较高 东北大学硕士论文 第2 章文献综述 氮含量的钢。近年来在微合金钢中大量采用钒氮合会化代表了这方面的发展趋 势。 由于固溶度的原因，钒微合金钢中高温均热时钒均处于固溶念，因而不能阻 止奥氏体晶粒的粗化，为此，钒微合金钢中通常采用较低的轧前均热温度或者需 要加入微量钛或微量铌，以控制均热态奥氏体晶粒尺寸【1 8 】。 v c 与v n 具有相同的晶格结构且点阵常数接近，因而可以无限制互溶形成碳 氮化物v c x n l 其中x 可在0 l 之间变化，而当钢中同时加入钛或铌时，将得到 ( t i y v l - y ) ( c x n i - x ) 或( n b y v i - y ) ( c x n i - x ) 这样的复合微合金碳氮化物沉淀相【1 5 】。 高氮的钒钢轧制过程中应变诱导析出的v ( c ，n ) 可阻止形变奥氏体的再 结晶，并可阻止再结晶奥氏体晶粒的粗化，但这种作用随钢中氮含量的降低而减 弱，普通氮含量的钒微合会钢仅在8 0 0 c 以下温度才会产生较为明显的作用。 钒最重要的作用是在铁素体中大量沉淀析出而产生强烈的沉淀强化效果，即 使在币火钢材中这一作用也十分明显。 固溶在奥氏体中的钒可明显推迟y a 相变，因而在各种碳当量公式中都有考 虑钒的影响。但该作用也使得钒微合金钢在8 0 0 c 以下温度仍可进行未再结晶控 制轧制，从而同样可产生一定的d i f t 细化铁素体晶粒的效果【i 引。 基于钒的这些特点钢中加入钒，不仅能提高钢的强度，而且对钢的低温韧性 有明显的影响。对含碳0 2 左右的低碳钢的研究表明【1 9 l ，当含钒量低于0 1 时， 随着含钒量的增加，钢的韧性明显改善：当含钒量高于0 1 时，钒含量增加，韧 性明显降低。这是因为钒含量较低时，其析出物细小、弥散，起到明显细化晶粒 的作用，使钢的韧性明显改善。但当钒含量过高时，析出物数量增加且尺寸增大， 导致钢的韧性降低。在含有促进晶粒长大元素的钢中，钒也可以起到有利的作用。 例如在含锰和硅的钢中，加入少量的钒就可以明显抑制这两种元素在晶粒长大和 降低韧性方面的影响作用1 2 。 2 1 4 镍对钢力学性能的影响 随着钢中镍含量的增加，钢的低温韧性得到明显改善，尤其是当镍含量在3 以下时镍的这种作用更为明显【2 l 】。镍改善钢低温韧性的原因在于，一方面减少 低温下位错运动的摩擦阻力及晶界钉扎系数，降低钢的强度；另一方面又能增加 层错能，促进低温下螺旋位错的交滑移，减少应力集中【2 2 1 。此外，镍还明显增 加过冷奥氏体的稳定性，当镍含量达到一定值时还可以使钢在低温下呈奥氏体状 东北大学硕士论文 第2 章文献综述 态存在，因而具有较好的韧性1 2 2 。 镍的这种改善韧性的作用早已为人们所认识，并已经应用于丌发耐低温的新 钢种。例如【2 列，美国、同本、英国、法国、比利时等国的低温用钢主要是含镍 的钢种，在原苏联，考虑到使用镍的经济性，在北部地区使用的工程用钢般不 含镍，只是在一5 0 以下使用的钢种才可加入镍。在我国，过去较长一段时问内 低温领域也采用高镍铬钢。由于这样的钢种目前不符合我国的资源情况，现在已 开发出一系列不含镍的低温用钢。 2 1 5 锰对钢力学性能的影响 锰对钢的冷脆性的影响已被充分研究。在一定的浓度范围内，锰能提高钢的 强度，对韧性也有一定的改善。对含锰量低于2 0 的低碳钢研究表明f 2 3 1 ，随锰 含量的增加，强度值明显上升。当含量超过2 o 时，锰对钢的韧性表现出明显不 利的影响。 锰在钢中主要以固溶念存在，固溶的锰将产生一定的固溶强化作用，大约每 1 的固溶锰可产生4 0 6 0 m p a 的强化增量。锰一方面增大过冷奥氏体的稳定性， 另一方面又增大奥氏体晶粒长大倾向及氧化物、硫化物等非金属夹杂的危害性。 当钢中锰含量较低时，前者起主要作用，使得奥氏体转变在较低温度下发生。这 不仅有利于铁素体晶粒细化，而且有利于减少晶界碳化物数量及增大碳化物的弥 散度【2 4 1 。在实际生产中除控制锰含量外，往往采用提高锰碳比的方法也可改善 钢的韧性【2 3 1 。随着锰碳比的增加，钢的韧性明显上升。在微合金化的低合金高 强度钢中，锰除了上述作用外，还具有另外一个重要的作用，就是在1 2 5 0 ( 2 以下 温度可提高微合金碳氮化物在铁基体中的固溶度积，这种调节微合会碳氮化物的 固溶一沉淀行为的作用在很多情况下是十分有利的，所以加入一定量的碳化物形 成元素! n n b 、v 等，可增大锰对钢韧性的有利影响1 2 副。 鉴于锰对低碳钢强韧性的有利影响，加之具有成本低、储量多的优点，利用 锰作为耐寒结构钢合金化元素具有十分广阔的前景。 2 1 6 铜对钢力学性能的影响 铜在钢中主要以固溶态和单质相沉淀析出状态存在。固溶的铜具有一定的固 溶强化作用，大约每l 的固溶铜可产生3 8 m p a 的强化增量。而由于铜在铁素体 中的固溶度随温度的降低迅速减小，因而在较低温度下变为过饱和固溶铜会以单 东北大学硕士论文 第2 章文献综述 质铜的形式沉淀析出，这通常被称为时效硬化。若能有效的控制铜的沉淀析出行 为使其尺寸细化至l j l o n m 以下，则同样可以获得非常显著的第- - 千f l 强化强度增量。 近年来已有试验研究结果表吲2 6 l ，其强度增量可大于2 0 0 m p a ，从而成为低合金 高强度钢中重要而有效的强化方式。t a k a h a s h i 等【27 j 较系统地在管线用钢中用 1 0 3 一- 3 1 4 c u 取代m n 作强化元素，进而丌发出含c u 管线钢。9 0 年代初期岸f f l 宏 司等【2 8 】研究了含c u 无问隙原子( i f ) 钢，发现加入1 6 c u 会得到明显的强化效果。 但一方面由于铜的熔点较低( 约1 0 8 4 ) ，因而当其在钢中含量较高时，在轧制 过程中会导致热脆现象的发生，另一方面由于铜的强化机制主要是以沉淀强化为 主，这两方面因素对钢的韧塑性均有不利的影响，一般采取在钢中加入一定的镍 来消除这种影响。一般认为铜对钢的强度有明显的改善作用，但对钢的韧塑性却 有不利的影响【l 引。耐候钢中的铜含量一般控制在0 2 0 , - - 0 4 0 。 2 1 7 碳、氮对钢力学性能的影响1 2 9 3 0 i 碳是钢中最有效的强化元素，碳原子的间隙固溶强化是淬火钢中淬火马氏体 强化的最主要机制，低温回火过程中脱溶得到的微细碳化物和渗碳体是淬火回 火钢中回火马氏体强化的最主要机制，而在低碳钢中形成珠光体组织则是普通工 程机构用钢的主要强化机制。此外，固溶的碳是扩大奥氏体区的元素，适当高的 碳含量可以在一定程度上增大钢材奥氏体区变形的温度范围；同时由于丫q 相变 温度的降低而使相变后铁素体晶粒尺寸细化。 然而无论是间隙固溶的碳还是形成渗碳体( 包括珠光体) 的碳，均将明显地 损害钢材的塑性、韧性、焊接性。因此近年来在微合会钢的化学成分设计中有逐 步降低钢中碳含量的趋势，例如微珠光体钢、无珠光体钢乃至无间隙原子钢( i f 钢) 、超低碳贝氏体钢的发展就代表了这一趋势。 由微合金碳化物在奥氏体中的固溶度积公式可知，当钢中碳含量降低之后， 同样温度下可溶解的微合金元素的量将增加；或在同样的微合会含量下钢中微合 余碳化物的全固溶温度将降低。因此碳含量的适当降低有助于提高n b 、v 的微合 会化效果。 氮是钢中重要的强化元素，氮原子的间隙固溶强化相当类似于碳的问隙固溶 强化。同样，固溶的氮也是扩大奥氏体区的元素。但间隙固溶的氮亦将明显地损 害钢材的塑韧性。由于氮与会属元素问有非常高的化学亲和力，因而在加入了微 合金元素的低合金高强度钢中的氮元素将主要形成微合金氮化物或碳氮化物而 东北大学硕士论文 第2 章文献综述 很少以问隙固溶的状念存在。相同微合会元素的氮化物比碳化物更为稳定且在铁 基体中的固溶度积要小，因而氮将优先与微合会元素形成微合会氮化物或含氮量 较高的微合金碳氮化物。而由于微合金氮化物或含氮量较高的微合金碳氮化物比 碳化物或含氮量较低的微合会碳氮化物在较高的温度下更为稳定且不容易粗化， 因而将更为有效地阻止基体奥氏体晶粒的长大，从而达到细化晶粒的目的。最早 采用的氮化物系是a i n ，而目f i i j n 广泛采用t i n 和n b c n 束取得阻止均热念基体奥 氏体晶粒长大的效果。碳化钒由于在奥氏体中的固溶度积较大，使其在轧制过程 中的作用受到很大的限制，近年来在含钒钢中普遍加入一定的氮使之主要形成氮 化钒，从而发挥出更好的效果。 2 2 钢的强化机制 通过合盒化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强 化。而所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下所能承受的应 力来表示。随着试验的方法不同，强度有不同的表示方法。每一种强度都有其特 殊的物理本质。提高钢的强度首先要提高屈服强度，这是钢材使用的计算基础。 金属的屈服过程是一种塑性变形过程，它是在结晶学的优先平面上产生一种间断 的滑移步骤，从而形成了位错运动。因此增加位错运动的困难就意味着屈服强度 的提高。根据会属点阵中阻碍位错运动的障碍物的类别。金属学方面可应用的强 化机制可有以下几种【3 i 】： 置换的或间隙固溶的异质原子以点状障碍物的形式起作用( 固溶强化、激冷 强化) ； 位错以线状障碍物形式起作用( 通过冷加工变形的强化) ： 晶粒界作为面状的障碍物形式起作用( 通过晶粒细化) ； 非内聚的析出和内聚的析出显示为空间障碍物形式起作用( 弥散强化、沉淀强 化) 。 为了获得比较满意的钢材，一方面要调整钢的化学成分和组织结构，使位错 运动增加足够的困难，即使屈服强度上升。另一方面又要保证在大延伸力的作用 下位错运动仍有可能产生，即保持有足够的延伸性3 2 1 。 在稀土耐候钢中，借助于添加合会元素而使钢得以强化的主要机制有晶粒细 化、析出强化和固溶强化。 - 1 0 - 东北大学硕士论文第2 章文献综述 2 2 1 固溶强化 要提高会属的强度可使会属与另一种金属( 或非金属) 形成固溶体合会。固溶 体合金或以固溶体为基的合金( 如碳钢等) 一般具有较纯金属高的强度。这种采用 添加溶质元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。因此固溶强化是通过改变 余属的化学成分来提高强度的办法( 品格中铁素体的组织状态没有发生变化) ，其 强化的金属学基础是由于运动的位错与异质原子之间作用的结果。 固溶强化的效果如何取决于一系列的条件，根据大量的实验结果发现有以下 的规律1 3 3 1 ： ( 1 ) 溶质元素溶解量增加固体的强度也增加。对于无限固溶体，当溶质原子 浓度为5 0 时的强度最大。对于有限固溶体( 0 h 碳钢) 其强度随溶质元素溶解量增 加而增大： ( 2 ) 溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小其固溶强化的效果愈好； ( 3 ) 形成间隙固溶体的溶质元素( 0 nc ，n ，b 等元素在f e 中) 其强化作用大于形 成置换式固溶体( o hm n ，s i ，p 等元素在f e 中) 的溶质元素； ( 4 ) 溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。 对于低合金钢而言，可以把固溶强化看作是基体的强化机制。钢中最主要的 合金元素m n ，s i ，c r , n i ，c u 和p 都能构成置换固溶体，并促使屈服强度和抗拉强 度呈线性增加。除了置换元素外，c ，n 等元素在f e 中形成间隙固溶体，但它们 在铁中的溶解度都很低( 当温度为5 8 5 c 时n 的最大溶解度为l ，当温度为 7 2 1 时c 的溶解度为0 0 1 8 ) ，而且随着温度的下降而下降。因此c ，n 在固溶 含量内对屈服强度和抗拉强度的增长影响都很小。但是在过饱和的固溶体中由于 c ，n 原子有很好的扩散能力，形成的时效过程可使屈服强度、抗拉强度提高， 但却大大降低了韧性。然而钢中的碳对强度起着举足轻重的作用，因为碳在组织 中以渗碳体( 或珠光体) 形成时能产生很大的强化作用( 相变强化) ，各种试验结果 表明【l 刚，每增加0 1 c 能使抗拉强度平均提高7 0 m p a ，屈服强度平均提高 2 8 m p a 。 2 2 2 沉淀强化 在普通低合金钢中经常加入微量n b 、vt i 这些元素可以形成碳、氮的化合 物或碳氮化合物，在轧制中或轧后冷却时它们可以析出，起到第二相沉淀强化作 东北大学硕士论文 第2 章文献综述 用。这些强化在低合会钢的控制轧制中是不可忽视的。例如加热到1 2 5 0 的n b 钢，沉淀强化的作用平均0 0 1 n b 可提高屈服强度1 9 6 m p a l 3 4 】。 第二相的沉淀过程亦即是过饱和固溶体的分解过程。第二相能沉淀析出的必 要条件是固溶体合会的溶解度随着温度的降低而减小，因此加热后得到的过饱和 固溶体将随着温度的降低而析出。第二相析出的动力学、析出的形态、部位等将 随加工工艺，其中包括冷却条件而异。 沉淀强化的机制是位错和颗粒之间的相互作用【35 1 ，可以通过两种机制来描 述： 1 对提高强度有积极作用的绕过过程； 2 对提高强度作用较小的剪切过程。 根据o r o w a n a s h b y 的计算【3 6 1 ，第二相质点所产生的强度增加值为： o - - - - 5 9 ( r ) , 1 2 i x l n ( - ( 2 5 xl o 一4 ) ) 6 8 9 4 7 6 ( 2 一1 ) 式中盯是位错克服第二相质点阻力所必须增加的正应力，以p a 表示。 第二相引起的强化效果与质点的平均直径x 成反比，与其体积百分数的平方 根厂成正比。质点愈小，质点体积百分数愈大，第二相引起的强化效果愈大。但 是x 和l ( 质点之间间距) 亦不能过分的小，否则位错不能在质点之i 日j 弯曲。质点 本身强度不足也会使位错不是绕过质点而是从质点上剪切而过，这两者都会降低 了沉淀强化的效果。所以对于一定成分的质点只有质点直径和质点i 日j 距恰好是不 出现切断程度那么大时，才会产生最高的强化作用。根据计算和实验【3 引，一般 的质点f b j l 陋最佳值在2 0 5 0 个原子间距，体积数的最佳值在2 左右。 此外，沉淀相的部位、形状对强度都有影响。其一般规律是1 3 ：沉淀颗粒分 布在整个基体上比晶界沉淀的效果好；颗粒形状球状和片状相比，球状有利于强 化。因为片状颗粒对于在与其平行的原子面上运动的位错的阻力很小，而球状颗 粒对于任何原子面上运动的位错有相同的阻力。形变热处理是在第二相质点沉淀 前对材料施以塑性变形，因而使位错密度增加，第- k h 沉淀形核位置增多，因而 析出物更为弥散。如果形变还能造成亚晶，那么第二相沉淀在亚晶界上，其分布 密度更为弥散。这就是形变热处理造成强化的原因之一。 随着时效时间的延长，强度将连续下降。这是因为颗粒