材料加工组织性能控制(第四章)课件

4.微合金元素在控制轧制中的作用HSLA钢中常用合金元素及夹杂元素分类：

1)微合金化元素：铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、铝(Al)和硼(B)。

2)置换元素：硅(Si)、锰(Mn)、钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)。

3)夹杂及硫化物形状控制的添加元素：磷(P)、硫(S)、钙(Ca)、稀土金属(REM)及锆(Zr)。影响钢的塑性。控制钢的强度、韧性、相变显微组织4.微合金元素在控制轧制中的作用HSLA钢中常用合金元素及微合金化元素:特点：与碳、氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物，高温下溶解，低温下析出。作用：(1)加热：阻碍原始奥氏体晶粒长大；(2)轧制：抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；(3)低温：析出强化作用。微合金化元素:

图4-1中碳化物和氮化物的溶度积

特点：TiN：

VC：

NbC和TiC：(2)晶格结构特点；(3)氮化物与碳化物的比较；(4)含钛钢：首先形成氮化钛。图4-1中碳化物和氮化物的溶度积特点：材料加工组织性能控制(第四章)图4-2晶粒尺寸与加热温度的关系特点：（1）铌钢：（2）钒钢和Si-Mn钢：（3）钛钢：机理：沉淀对奥氏体晶粒边界起钉扎作用使钛钢具有高于1250℃的极高的晶粒细化温度。对晶粒的细化作用：图4-2晶粒尺寸与加热温度的关系特点：对晶粒的细化作用：4.2控制轧制过程中微合金元素碳氮化合物的析出4.2.1各阶段中Nb(C、N)的析出状态(1)出炉前：加热到1200C，均热2h：90%以上铌都固溶到奥氏体基体中，有极少数粗大Nb(C、N)没有固溶到奥氏体中。1260C：保温30min，Nb(C、N)全部溶解。4.2控制轧制过程中微合金元素碳氮化合物(2)出炉后到轧制前：

在轧制前，从固溶体中析出Nb(C、N)数量很少。出炉后尚未变形加热1200C，分别冷到1050C、930C、820C，钢中析出物数量与1200C时未固溶的量相当。(2)出炉后到轧制前：在轧制前，从固溶体中析出Nb(C、N)(3)在变形奥氏体中：

图4-3钢中析出Nb量与变形变量和变形后停留时间的关系Nb(P)：在沉淀相中的Nb量占钢种Nb量的%■为未变形的奥氏体；∆为形变量43%；○为形变量73%在900C变形后Nb(C、N)析出的质点：30～50Å；9001000C：约为50125Å；在1000～1200C：为115～270Å。析出质点大小与与变形温度、保温时间有关。图4-3钢中析出Nb量与变形变量和变形后停留时间的关系在9Nb(C、N)平均析出速度：高温、低温析出都很慢。Nb(C、N)平均析出速度：高温、低温析出都很慢。终轧温度的影响：高温轧制后（再结晶轧制，如1050C）:铌的平均析出速度不大、析出颗粒较大（200Å左右）。原因:低温轧制后（未再结晶轧制，如900800C）：加大了铌的析出速度,析出颗粒细（50100Å

）。原因:控制轧制就是应用这种微细的Nb(C、N)析出质点固定亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶，达到细化晶粒的目的。终轧温度的影响：控制轧制就是应用这种微细的Nb(C、N)析出（5）在铁素体内相变后内剩余的固溶铌继续析出，质点大小决定于冷却速度。（6）冷却到室温，1015％左右的铌未从铁素体中析出。(4)奥氏体向铁素体转变过程中碳氮化物在和中的溶解度不同相变后，产生快速析出。相间析出（相间沉淀）：冷却速度大、析出温度低相间沉淀排间距小析出质点也小。析出时间长质点长大。（5）在铁素体内（6）冷却到室温，1015％左右的铌未从铁4.2.2影响Nb(C、N)析出的因素(1)变形量和析出时间图4-6在含有0.06%C、0.041%Nb和0.0040%N的钢中，变形量对沉淀的影响1-67%变形；2-50%变形；3-33%变形；4-17%变形随变形量增加，析出量增加。

开始随时间增长而增加，但很快达到饱和。4.2.2影响Nb(C、N)析出的因素图4-6在含有0(2)变形温度图4-7温度-时间-沉淀动力学曲线、形变对沉淀动力学的影响规程1：在再结晶区变形、发生了再结晶规程2：附加有未再结晶区变形、未发生再结晶1）析出量相等时，未再结晶区轧制所需时间短。原因：2）析出量一定时，在高温所需等温时间短，低温所需等温时间长。(2)变形温度图4-7温度-时间-沉淀动力学曲线、形变对

(3)钢的成分变化曲线钢号铌，%氮，%碳，%钼，%123476320D43D4532675A0.040.040.050.0450.0030.0080.0050.0060.190.100.120.10--0.230.17图4-8铌钢经50%变形后在900C时的沉淀图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。(3)钢的成分变化曲线钢号铌，%氮，%碳，%钼，%1764.3微量元素在控制轧制控制冷却中的作用4.3.1加热时阻止奥氏体晶粒长大图4-9碳化物及氮化物形成元素的含量对奥氏体晶粒粗化温度的影响作用：铌、钛含量在0.10%以下时，可以提高奥氏体粗化温度到1050-1100C，作用明显。钒在小于0.10%时，阻止晶粒长大的作用不大，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。NbVTi高度弥散的碳氮化物小颗粒，对奥氏体晶界起固定作用，阻止晶界迁移，阻止晶界长大。4.3微量元素在控制轧制控制冷却中的作用图4-9碳化物及图4-10铌对三种基本成分相同钢的奥氏体晶粒度的影响（1h，加热到1250C)图4-10铌对三种基本成分相同钢的奥氏体晶粒度的影响（1h4.3.2再结晶的延迟(1)微合金元素的作用图4-11不同含铌量的0.002%C-1.54%Mn钢中，铌含量对软化行为的影响含铌量增加，再结晶开始时间显著延长。含碳0.002％钢中，几乎所有铌原子均会固溶，会延迟回复和再结晶的发生。4.3.2再结晶的延迟图4-11不同含铌量的0.002图4-3中的静态再结晶动力学(a)Si-Mn钢；(b)含0.04%Nb的钢预应变为0.50图4-4中的静态再结晶动力学含0.08%Ti的钢；(b)含0.10%V的钢变形温度900C预应变为0.50图4-3中的静态再结晶动力学图4-4中的静态再结晶动（2）温度的作用图4-12含铌或不含铌的0.002%C-1.56%Mn钢的软化行为与温度的关系而对于含铌钢，随温度的下降，再结晶开始受到显著延迟。（2）温度的作用图4-12含铌或不含铌的0.002%C-1（3）温度和含碳量的作用图4-13含铌0.097%的钢中，温度和含碳量对软化行为的影响含碳较高的钢在900C和850C时，软化速率比含碳低的钢慢得多，而在1000C时，这两种钢几乎表现出相同的软化行为。（3）温度和含碳量的作用图4-13含铌0.097%的钢中，图4-140.002%C-0.097%Nb钢、0.006%C-0.097%Nb钢和0.019%C-0.095%Nb钢于900C时，碳氮化铌应变诱发沉淀析出的过程图4-140.002%C-0.097%Nb钢、0.006%图4-150.002%C钢、0.002%C-0.097%Nb钢和0.019%C-0.095%Nb钢的再结晶-速度-温度-时间和沉淀析出-温度-时间曲线的叠加溶质铌只有在应变诱发沉淀出现时，才能起到延迟回复和再结晶作用。图4-150.002%C钢、0.002%C-0.097%N（4）微合金元素对动态再结晶临界变形量的影响机理：1）合金元素偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的拖拉作用；2）合金元素的碳氮化合物在晶界沉淀而引起的钉扎作用。图4-9实验钢1000C变形时真应力-真应变曲线（4）微合金元素对动态再结晶临界变形量的影响机理：1）合金元（5）微合金元素对再结晶数量的影响图4-101000C终轧后晶粒再结晶面积百分率与析出Nb量的关系（5）微合金元素对再结晶数量的影响图4-101000C（6）微合金元素对再结晶速度的影响图4-11铌对含有0.05%C、1.8%Mn钢再结晶速度的影响（6）微合金元素对再结晶速度的影响图4-11铌对含有0.（7）微合金元素对静态再结晶临界变形量的影响

图4-13铌对奥氏体再结晶临界压下率的影响（1道次）1-加热温度1250C，0.13%Nb，晶粒度：1.7级2-加热温度1250C，0.03%Nb，晶粒度：2.8级3-加热温度1150C，0.03%Nb，晶粒度：2.4级4-加热温度1250C，不含Nb，晶粒度：0.4级（7）微合金元素对静态再结晶临界变形量的影响图4-13铌（8）微合金合金元素对再结晶晶粒大小的影响图4-15在普碳钢和含铌钢中，单道次的变形量和变形温度对再结晶奥氏体晶粒尺寸的影响图4-14铌对热轧1道次后的再结晶晶粒度的影响（不含铌钢和含0.03%铌的钢的基本成分相同）1-加热状态下含0.03%Nb的钢2-加热到1250C后压下65%并且再结晶终了的不含铌钢3-加热到1250C后压下70%并且再结晶终了的含0.03%铌钢（8）微合金合金元素对再结晶晶粒大小的影响图4-15在普总结：铌在奥氏体中存在形式：1)加热时尚未溶到奥氏体中的Nb(C、N)；2)固溶到奥氏中的铌；3)加热时溶解、轧制过程中又由奥氏体中重新析出的Nb(C、N)。轧制的不同阶段，其阻止奥氏体再结晶是不同的。总结：图4-16含铌钢在变形50%以后等温时间内的再结晶与沉淀（0.10%C、0.99%Mn、0.04%Nb、0.008%N）1-100%再结晶；2-50%再结晶；3-0%再结晶；4-20%沉淀；5-50%沉淀；6-75%沉淀；7-100%沉淀图4-16含铌钢在变形50%以后等温时间内的再结晶与沉淀（4.3.3晶粒细化和沉淀硬化

图4-5强度和韧-脆转变温度与含铌量和含钛量的关系铌的碳化物或氮化物和碳化铌引起的晶粒细化和沉淀硬化。后者的强化效果与加热时溶解的铌或钛的含量有关。实验条件：0.10%C—0.25%Si—1.50％Mn，加热温度及终轧温度分别为1100℃和780℃，900℃以下的总压下率为70％。4.3.3晶粒细化和沉淀硬化图4-5强度和韧-脆转变图4-60.035%Nb钢和0.15%Mo-0.035%Nb钢，强度和韧-脆转变温度与含铌量和含钒量的关系图4-60.035%Nb钢和0.15%Mo-0.035%(1)Nb：晶粒细化和中等的沉淀强化。(2)Ti：含Ti量强烈的沉淀强化产品的强度，晶粒细化是中等的。含量高时：(3)V：中等程度的沉淀强化和较弱的晶粒细化，与它的重量百分比成正比。(1)Nb：晶粒细化和中等的沉淀强化。图4-28铌和钒对20mm厚的控制轧制钢板屈服强度和缺口韧性（用夏比V型缺口，50%纤维状断口转变温度来测量）的影响1-无Nb；2-0.04%Nb；3-0.08%Nb；4-无V图4-28铌和钒对20mm厚的控制轧制钢板屈服强度和缺口韧1-0.03%Nb,0.15%Cr,0.04%V,0.30%Ni；2-0.03%Nb,0.04%V,0.20%Cr,0.20%Cu；3-0.03%Nb,0.04%V,0.20%Cr；4-0.03%Nb,0.04%V5-0.03%Nb,0.20%Mo；6-0.03%Nb图4-29钒、铬、铜、镍和钼对在1180760ºC温度范围内进行控制轧制的15.4mm厚钢板屈服强度和夏比V型缺口50%纤维状断口转变温度（FATT）的影响（所有钢板的基本成分为0.09%C,1.35%Mn,0.30%Si）1-0.03%Nb,0.15%Cr,0.04%V,0.30%4.微合金元素在控制轧制中的作用HSLA钢中常用合金元素及夹杂元素分类：

1)微合金化元素：铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、铝(Al)和硼(B)。

2)置换元素：硅(Si)、锰(Mn)、钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)。

3)夹杂及硫化物形状控制的添加元素：磷(P)、硫(S)、钙(Ca)、稀土金属(REM)及锆(Zr)。影响钢的塑性。控制钢的强度、韧性、相变显微组织4.微合金元素在控制轧制中的作用HSLA钢中常用合金元素及微合金化元素:特点：与碳、氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物，高温下溶解，低温下析出。作用：(1)加热：阻碍原始奥氏体晶粒长大；(2)轧制：抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；(3)低温：析出强化作用。微合金化元素:

图4-1中碳化物和氮化物的溶度积

特点：TiN：

VC：

NbC和TiC：(2)晶格结构特点；(3)氮化物与碳化物的比较；(4)含钛钢：首先形成氮化钛。图4-1中碳化物和氮化物的溶度积特点：材料加工组织性能控制(第四章)图4-2晶粒尺寸与加热温度的关系特点：（1）铌钢：（2）钒钢和Si-Mn钢：（3）钛钢：机理：沉淀对奥氏体晶粒边界起钉扎作用使钛钢具有高于1250℃的极高的晶粒细化温度。对晶粒的细化作用：图4-2晶粒尺寸与加热温度的关系特点：对晶粒的细化作用：4.2控制轧制过程中微合金元素碳氮化合物的析出4.2.1各阶段中Nb(C、N)的析出状态(1)出炉前：加热到1200C，均热2h：90%以上铌都固溶到奥氏体基体中，有极少数粗大Nb(C、N)没有固溶到奥氏体中。1260C：保温30min，Nb(C、N)全部溶解。4.2控制轧制过程中微合金元素碳氮化合物(2)出炉后到轧制前：

在轧制前，从固溶体中析出Nb(C、N)数量很少。出炉后尚未变形加热1200C，分别冷到1050C、930C、820C，钢中析出物数量与1200C时未固溶的量相当。(2)出炉后到轧制前：在轧制前，从固溶体中析出Nb(C、N)(3)在变形奥氏体中：

图4-3钢中析出Nb量与变形变量和变形后停留时间的关系Nb(P)：在沉淀相中的Nb量占钢种Nb量的%■为未变形的奥氏体；∆为形变量43%；○为形变量73%在900C变形后Nb(C、N)析出的质点：30～50Å；9001000C：约为50125Å；在1000～1200C：为115～270Å。析出质点大小与与变形温度、保温时间有关。图4-3钢中析出Nb量与变形变量和变形后停留时间的关系在9Nb(C、N)平均析出速度：高温、低温析出都很慢。Nb(C、N)平均析出速度：高温、低温析出都很慢。终轧温度的影响：高温轧制后（再结晶轧制，如1050C）:铌的平均析出速度不大、析出颗粒较大（200Å左右）。原因:低温轧制后（未再结晶轧制，如900800C）：加大了铌的析出速度,析出颗粒细（50100Å

）。原因:控制轧制就是应用这种微细的Nb(C、N)析出质点固定亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶，达到细化晶粒的目的。终轧温度的影响：控制轧制就是应用这种微细的Nb(C、N)析出（5）在铁素体内相变后内剩余的固溶铌继续析出，质点大小决定于冷却速度。（6）冷却到室温，1015％左右的铌未从铁素体中析出。(4)奥氏体向铁素体转变过程中碳氮化物在和中的溶解度不同相变后，产生快速析出。相间析出（相间沉淀）：冷却速度大、析出温度低相间沉淀排间距小析出质点也小。析出时间长质点长大。（5）在铁素体内（6）冷却到室温，1015％左右的铌未从铁4.2.2影响Nb(C、N)析出的因素(1)变形量和析出时间图4-6在含有0.06%C、0.041%Nb和0.0040%N的钢中，变形量对沉淀的影响1-67%变形；2-50%变形；3-33%变形；4-17%变形随变形量增加，析出量增加。

开始随时间增长而增加，但很快达到饱和。4.2.2影响Nb(C、N)析出的因素图4-6在含有0(2)变形温度图4-7温度-时间-沉淀动力学曲线、形变对沉淀动力学的影响规程1：在再结晶区变形、发生了再结晶规程2：附加有未再结晶区变形、未发生再结晶1）析出量相等时，未再结晶区轧制所需时间短。原因：2）析出量一定时，在高温所需等温时间短，低温所需等温时间长。(2)变形温度图4-7温度-时间-沉淀动力学曲线、形变对

(3)钢的成分变化曲线钢号铌，%氮，%碳，%钼，%123476320D43D4532675A0.040.040.050.0450.0030.0080.0050.0060.190.100.120.10--0.230.17图4-8铌钢经50%变形后在900C时的沉淀图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。(3)钢的成分变化曲线钢号铌，%氮，%碳，%钼，%1764.3微量元素在控制轧制控制冷却中的作用4.3.1加热时阻止奥氏体晶粒长大图4-9碳化物及氮化物形成元素的含量对奥氏体晶粒粗化温度的影响作用：铌、钛含量在0.10%以下时，可以提高奥氏体粗化温度到1050-1100C，作用明显。钒在小于0.10%时，阻止晶粒长大的作用不大，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。NbVTi高度弥散的碳氮化物小颗粒，对奥氏体晶界起固定作用，阻止晶界迁移，阻止晶界长大。4.3微量元素在控制轧制控制冷却中的作用图4-9碳化物及图4-10铌对三种基本成分相同钢的奥氏体晶粒度的影响（1h，加热到1250C)图4-10铌对三种基本成分相同钢的奥氏体晶粒度的影响（1h4.3.2再结晶的延迟(1)微合金元素的作用图4-11不同含铌量的0.002%C-1.54%Mn钢中，铌含量对软化行为的影响含铌量增加，再结晶开始时间显著延长。含碳0.002％钢中，几乎所有铌原子均会固溶，会延迟回复和再结晶的发生。4.3.2再结晶的延迟图4-11不同含铌量的0.002图4-3中的静态再结晶动力学(a)Si-Mn钢；(b)含0.04%Nb的钢预应变为0.50图4-4中的静态再结晶动力学含0.08%Ti的钢；(b)含0.10%V的钢变形温度900C预应变为0.50图4-3中的静态再结晶动力学图4-4中的静态再结晶动（2）温度的作用图4-12含铌或不含铌的0.002%C-1.56%Mn钢的软化行为与温度的关系而对于含铌钢，随温度的下降，再结晶开始受到显著延迟。（2）温度的作用图4-12含铌或不含铌的0.002%C-1（3）温度和含碳量的作用图4-13含铌0.097%的钢中，温度和含碳量对软化行为的影响含碳较高的钢在900C和850C时，软化速率比含碳低的钢慢得多，而在1000C时，这两种钢几乎表现出相同的软化行为。（3）温度和含碳量的作用图4-13含铌0.097%的钢中，图4-140.002%C-0.097%Nb钢、0.006%C-0.097%Nb钢和0.019%C-0.095%Nb钢于900C时，碳氮化铌应变诱发沉淀析出的过程图4-140.002%C-0.097%Nb钢、0.006%图4-150.002%C钢、0.002%C-0.097%Nb钢和0.019%C-0.095%Nb钢的再结晶-速度-温度-时间和沉淀析出-温度-时间曲线的叠加溶质铌只有在应变诱发沉淀出现时，才能起到延迟回复和再结晶作用。图4-150.002%C钢、0.002%C-0.097%N（4）微合金元素对动态再结晶临界变形量的影响机理：1）合金元素偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的拖拉作用；2）合金元素的碳氮化合物在晶界沉淀而引起的钉扎作用。图4-9实验钢1000C变形时真应力-真应变曲线（4）微合金元素对动态再结晶临界变形量的影响机理：1）合金元（5）微合金元素对再结晶数量的影响图4-101000C终轧后晶粒再结晶面积百分率与析出Nb量的关系（5）微合金元素对再结晶数量的影响图4-101000C（6）微合金元素对再结晶速度的影响图4-11铌对含有0.05%C、1.8%Mn钢再结晶速度的影响（6）微合金元素对再结晶速度的影响图4-11铌对含有0.（7）微合金元素对静态再结晶临界变形量的影响

图4-13铌对奥氏体再结晶临界压下率的影响（1道次）1-加热温度1250C，0.13%Nb，晶粒度：1.7级2-加热温度1250C，0.03%Nb，晶粒度：2.8级3-加热温度1150C，0.03%Nb，晶粒度：2.4级4-加热温度1250C，不含Nb，晶粒度：0.4级（7）微合金元素对静态再结晶临界变形量的影响图4-13铌（8）微合金合金元素对再结晶晶粒大小的影响图4-15在普碳钢和含铌钢中，单道次的变形量和变形温度对再结晶奥氏体晶粒尺寸的影响图4-14铌对热轧1道次后的再结晶晶粒度的影响（不含铌钢和含0.03%铌的钢的基本成分相同）1-加热状态下含0.03%Nb的钢2-加热到1250C后压下65%并且再结晶终了的不含铌钢3-加热到1250C后压下70%并且再结晶终了的含0.03%铌钢（8）微合金合金元素对再结晶晶粒大小的影响图4-15在普总结：铌在奥氏体中存在形式：1)加热时