耐候钢钢筋非调钢

耐候钢钢筋非调钢第1页/共56页这一期间的重要研究进展包括：第二相阻止晶粒粗化原理的提出及微合金碳氮化物用于控制奥氏体晶粒；微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积公式及微合金元素的溶解与微合金碳氮化物的沉淀规律；稀溶体中第二相的Osterwald熟化过程及微合金碳氮化物的粗化规律；微合金化元素对形变奥氏体再结晶行为的影响；微合金化钢的控轧控冷技术；微合金化钢中夹杂物对性能的影响规律和夹杂物改性控制技术；微合金化钢中渗碳体或珠光体对性能的影响规律及低珠光体钢和针状铁素体钢的研制开发；微合金化钢的组织--性能关系式与微合金化钢设计。第2页/共56页20世纪80年代后是微合金化钢的迅速发展时期，这一时期的主要工作有：复合微合金化原理；微合金碳氮化物的沉淀析出次序；高等级石油管线钢的研发；微钛处理奥氏体晶粒尺寸的原理及其普遍应用；微合金碳氮化物在铁素体中的固溶度积公式及其在铁素体中沉淀析出强化原理；第3页/共56页微合金化奥氏体的形变热处理原理及控制轧制技术，特别是控制动态再结晶轧制技术的广泛应用；微合金化钢连铸连轧生产技术；微合金化原理的系统理论；钢铁基体组织的超细化技术与超细晶粒钢的研发；无珠光体钢乃至无间隙原子钢(IFSteels)的研发，特别是在汽车用钢方面的生产应用；形变诱导铁素体相变(DIFT)技术；短流程紧凑生产(TSCR)微合金钢技术；高洁净度微合金化钢等。第4页/共56页国外进展及其发展趋势：(1)微合金化技术的应用，以晶粒细化强化最为重要。晶粒细化和碳氮化物析出是微合金化钢强韧化的基础。钢的组织和性能的关系以及以晶粒尺寸为主导的强度表达式，仅适于常规轧制的铁素体－珠光体类型组织。正试图探讨涵盖微珠光体、针状铁素体、超低碳贝氏体等组织类型、以碳氮化物析出等诸参数为主导的强度表达式。(2)热机械处理(TMCP)的出发点在奥氏体调节，归宿于γ→α的富化生核。由此把控制轧制归纳为高温再结晶控轧和正常化控轧两类。第一类控轧钢的微合金化设计，主要基于对再结晶的延缓力和再结晶驱动力的影响因素的考察，主要由形变诱导机制进行的第二类控轧钢的合金设计，构成TMCP工艺物理冶金的核心。第5页/共56页(3)生产装备和生产工艺现代化对钢的性能的影响集中体现在钢的精炼、连铸及轧后的控制冷却，亦即钢的洁净化、铸坯结构及精细组织、最终的相变动力学三者建立起了新的微合金化钢强韧化理论。(4)复合微合金化得到了广泛的应用。近10年来开发了高温塑性连铸钢、大线能量焊接无裂纹钢、深冲冷成形钢、烘烤硬化钢、抗硫化氢应力腐蚀钢、无时效倾向桥梁钢、低屈强比抗震钢等一系列钢材新品种，在钢的性能高级化方面获得了极大的进步。(5)已成功开拓了铌在低碳建筑材料中的应用，在中碳锻钢和高碳线材中的应用，以及在合金钢和高合金钢中的应用。第6页/共56页第5章耐候钢第7页/共56页耐候钢(weatheringsteel)

又称耐大气腐蚀钢(atmosphericcorrosionresistantsteel)，属于低合金高强度钢(抗拉强度在400MPa以上)，在大气环境中具有良好耐腐蚀性能(是普通碳钢的2～8倍)，还具有优良的力学、焊接等使用性能，广泛用于铁路车辆、桥梁、船舶、汽车、锅炉、建筑等。耐候钢性能的首要要求是良好的耐大气腐蚀性，除此之外还应有足够高的强度、塑性和韧性、良好的强韧性结合，同时根据使用条件及加工的差异，对其成形性、耐磨性、焊接性等都有不同的要求。第8页/共56页

美国耐候钢使用较多的是Cu-P-Ni-Cr系；日本的耐候钢属于Mn-Cu-Cr-Ni系，有时也加入Mo、V、Nb等微量合金元素；法国以铜为主、添加Mo、V元素；瑞典和俄罗斯的耐候钢则是以Cu-Cr-Ni系为主。我国耐候钢有两大主要系列：Cu-P-RE系和Cu-P-Ni-Cr系，典型钢种如09MnCuPTi、09CuPTiRE、09CuPCrNi、09CuPVRE等。这些钢以Cu、P为主并加入了稀土元素和V、Ti、Nb等元素。第9页/共56页耐候钢的合金化

钢铁材料大气暴露试验结果表明，铜和磷对耐大气腐蚀有显著效果，随后发现钢中Cu、P、Ni、Cr元素适量的组合，可获得优良的耐大气腐蚀性能。耐候钢中的合金元素主要有两个作用，一是确保钢具有良好的耐大气腐蚀性能，二是提高钢的强度和韧性，满足使用上对力学性能的要求。耐候钢中主要的合金元素包括Cu、P、RE以及Ti、Nb、V等微合金化元素。第10页/共56页铜

铜是耐大气腐蚀钢中对提高耐大气腐蚀性能最主要、最普遍使用的合金元素，在普通碳素钢中单独添加铜也是最早使用的耐大气腐蚀钢。在耐候钢中，铜含量大致为0.2%～0.5%，通常与磷配合使用，Cu、P均能浓缩在锈层中，使其致密稳定，并能抑制铁锈的扩展。钢中铜对耐大气腐蚀作用随大气环境不同而不同。对于不同的大气环境条件，钢中的铜量也有所不同。我国北方干燥大气地区为0.15%～0.20%，南方潮湿大气及中部工业大气地区为0.30%～0.35%。

铜除了提高钢的耐大气腐蚀能力之外，还能略提高钢的强度(因为铜能以ε相在基底上弥散沉淀析出)。由于铜为面心立方结构，既能降低钢的冷脆转折温度，又能提高钢的室温和低温韧性。但含铜钢存在一个主要质量问题，即热脆。铜对钢的力学性能的影响类似碳，对强度指标有利，但影响加工性能和焊接性能。

第11页/共56页铜对高硫和低硫钢的大气腐蚀率的影响铜能抵消钢中硫对耐候性的有害作用。钢中含硫愈高，铜对降低腐蚀率的相对效果就愈明显。第12页/共56页磷

磷在耐候钢中的含量在0.04%～0.15%之间，因此也可以看作微合金化元素。磷也是合金元素中提高耐大气腐蚀性能最有效的元素，即使单独使用也有很好的效果，但是往往与其它合金元素，特别是与Cu、Cr等配合使用，用来提高钢的耐大气腐蚀性能。磷和铜同时加入钢中，使内锈层分带明显，更有利于提高钢的耐蚀性。铜和磷的复合作用更易使锈层中形成非晶态的Fe3O4，因铜和PO43－离子共同阻止Fe3O4的结晶成长。钢中的磷会恶化钢的韧性，特别是剧烈降低钢的低温冲击韧性。因此应控制磷上限含量为0.12%。如果按ω(P)十ω(C)≤0.25%，仍可获得良好的可焊性，同时采用合理的生产工艺，能有效地控制Cu、P元素在晶界偏聚，消除铜脆造成的板卷边裂及磷元素对钢韧性的有害作用。第13页/共56页稀土在耐候钢中的作用可以归纳为以下几方面：(1)在耐大气腐蚀钢中加入RE，使钢的内锈层致密，而且与基体的结合力变强，不易脱离，可以阻止大气中O2和H2O的扩散，从而降低了腐蚀速度，因此稀土主要是通过使锈层致密来增强与钢基体的附着力，达到提高钢的耐大气腐蚀性能。(2)RE中的铈可降低铜的活度，提高铜的溶解度，从而提高了铜在钢中的利用率，RE加入含磷的钢中，可使磷的宏观偏析减少，在晶界和铁素体界面上的偏聚减少30%，在钢中的分布更合理。(3)净化作用。稀土具有很强的脱氧、脱硫的能力以及很强的吸氢能力。与O、S主要生成RE2O2S，与Cu、P、Ti不形成化合物。稀土与氢在250～300℃可生成REH2，钢中在300℃左右，析出的H2被RE吸收，减少游离氢。第14页/共56页(4)夹杂物球化变性作用。稀土能有效地使细条状的MnS变为球状或接近球状的稀土硫化物或硫氧化物，当ω([RE])>0.005%时，硫化物夹杂能得到一定控制；当ω([RE])>0.014%时，可得到近似球形的稀土夹杂。(5)稀土能抑制树枝晶的发展，减少硫偏析，减轻硫对力学性能和耐大气腐蚀性能的影响。(6)固溶强化和细化晶粒作用。由于稀土原子半径比铁大，所以微量固溶的稀土有固溶强化作用。除此之外，RE对细化晶粒也具有一定的作用。(7)改善横向韧性和冷弯性能。稀土加入后，细条状MnS减少，高熔点、呈球状、与钢基体接触紧的RE202S及RES增多，因而阻止破裂能力大；稀土夹杂物不易形变，在轧制过程中形状与分布改变少，降低各向异性，使钢的横向韧性提高，冷弯性能改善。第15页/共56页硅、锰、硫硅以固溶形式存在于钢中。硅可以提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性和耐磨性，对于低强度级别(295MPa)的耐大气腐蚀钢，硅含量与普碳钢相同，以减少焊接时的飞溅。对于高强度级别(345MPa)的耐大气腐蚀钢，硅的含量应略高，但不应作为提高强度的主要元素。锰以固溶态存在于钢中，起强化作用，可提高铁素体的强度。低碳钢中的锰对提高强度有明显作用，因此把锰作为09CuPTiRE-A钢达到预定强度级别的主要元素。但锰与硫易形成MnS塑性夹杂物，在热轧时沿轧制方向拉长，恶化钢的成形性能。另外，锰过高会使焊接性能显著变坏，所以在考虑09CuPTiRE.-A钢的内控成分时将锰含量控制在0.25%～0.45%之间，并利用微合金化和控轧控冷来满足不同强度级别要求，同时采用钙质处理，对MnS进行变质处理消除MnS的危害。硫是耐候钢中的最主要有害元素，其危害在于影响钢的成形性、导致带钢力学性能的各向异性以及对耐候性的有害作用。第16页/共56页微合金化元素微合金化元素Ti、Nb、V加人钢中形成极细的第二相质点，阻碍奥氏体晶粒长大。其细化晶粒的程度，与轧制、热处理过程中这些细质点阻碍晶粒长大的效果有关。随着第二相质点数量增加、粒晶变小，晶粒细化程度愈大、强度提高，韧性、冷弯性改善。钛的化合物除了能细化晶粒、起沉淀硬化作用外，还能降低钢中氧含量、固定氮，显著降低钢的冷脆转变温度。钛等微合金化元素通过细化晶粒，改善韧性，有效地消除磷对钢的低温冲击韧性的恶化。铌在耐候钢中，同样阻止晶粒长大，细化晶粒，提高再结晶温度，通过控轧控冷工艺，提高耐候钢的强度。也可以采用复合微合金化，如Ti-Nb复合微合金化，产生更大的强化作用。第17页/共56页耐候钢的微观组织和性能

耐候钢研究的重点之一就是通过不断发展的微合金化和控轧控冷技术提高其强度等级。铌微合金化耐候钢

09CuPTiRE钢具有良好的耐大气腐蚀性能。然而，在传统的以固溶强化为主要强化机制的理论指导下，该钢的屈服强度仅达到345MPa级。利用形变诱导铁素体相变超细组织控制技术，通过对09CuPTiRE钢进行铌微合金化并进行控制轧制和冷却，成功开发了450MPa级超细组织耐大气腐蚀钢。铌十分有利于形变诱导铁素体相变，在相同的轧制和冷却工艺条件下，09CuPTiRE钢的晶粒尺寸约10μm，而加入微量铌后，钢板的铁素体晶粒尺寸可细化至3μm，实现了组织的超细化控制。Nb、Ti微合金化耐候钢

在09CuPCrNi实际成分控制的基础上，分别采取Nb+Ti微合金化、超纯净化+(Nb+Ti)微合金化、超纯净化+(Nb+Ti)微合金化+控制N、O化物冶金处理等工艺方法，可使高耐候钢组织得到显著细化，获得良好的强韧性匹配。在强度指标满足高等级要求的同时，也保证了材料良好的韧性、高的耐大气腐蚀性能以及良好的焊接性能。第18页/共56页第6章建筑用钢筋第19页/共56页建筑用结构钢

对建筑用热轧带肋钢筋除了最基本的强度、塑性、焊接性能等要求提高之外，还要求良好的低温性能、抗震性能等。第20页/共56页建筑钢筋的微合金化

HRB335钢采用原20MnSi牌号成分生产，不需要微合金化和控轧控冷即可完全满足新标准要求。在HRB400钢的生产中，主要微合金化方案有4种，分别是V、V-N、Nb和Ti微合金化。从微合金化效果、经济性、工艺可靠性等方面综合考虑，企业采用较多的微合金化方案大致顺序为：V-N、V、Nb、Ti。对于高于HRB400强度级别的钢筋，则还可能采用复合微合金化方案。第21页/共56页

V-N、V微合金化

转炉冶炼钢种的氮含量为40～60ppm，采用钒微合金化(加入钒铁合金)时，钒与钢中的氮、碳发生反应，生成V(C,N)，通过细晶强化和沉淀析出强化提高HRB400的强度，改善了钢的强度和韧性。同时消耗钢中的碳，导致固溶碳量和形成珠光体的碳量下降，降低碳的固溶强化和相变强化效果。采用钒－氮微合金化(加入钒氮合金)时，钢中氮量增加，钒的化合物V(C,N)中VN比例增加，VN析出量增大，析出颗粒尺寸更细小，析出强化作用和细晶强化作用更显著，因此强度和塑韧性都显著改善。加氮后，V(C,N)消耗的碳下降，增加了碳的固溶和相变的强化效果。在提高强度幅度相当的情况下所需要的钒量，以钒氮合金加入时比以钒铁合金加入时要少得多，可以大幅节约生产成本。第22页/共56页

钢中增氮显著提高了屈服强度和抗拉强度。钒钢的屈服强度为440MPa，抗拉强度为590MPa；而钒一氮钢的屈服强度达到560MPa，抗拉强度达到725MPa，钢中增加约100ppm的氮，钢的屈服强度和抗拉强度分别提高120MPa和135MPa。

氮能增加明显细化钢的铁素体晶粒。钒钢的铁素体平均晶粒尺寸相对较大，为7.16μm，珠光体含量为34.46%；而钒一氮钢晶粒尺寸较小，约为5.8μm，珠光体含量为43.39%。

氮提高了钒在钢中的利用率，增加了钒的沉淀强化效果，从而提高了钢的强度。钒钢中V(C,N)的析出量约为0.05%，而钒一氮钢中V(C,N)的析出量超过0.10%，比钒钢高出一倍。第23页/共56页

氮在钢中不仅增加细小析出物的数量，而且细化析出相尺寸。钒钢的平均析出粒子尺寸为107nm，而钒一氮钢仅为73.7nm。钒－氮钢中1～10nm的粒子质量分数达32.2%，而钒钢仅为21.1%。钒铁合金化钢种，钢中[V]每增加0.01%可提高12.MPa的屈服强度和9.5MPa的抗拉强度，而V-N微合金化钢中[V]每增加0.01%则增加20MPa的屈服强度和16.3MPa的抗拉强度。

20MnSi钢的热轧组织晶粒度一般在7～8级左右，组织为铁素体+珠光体+少量的魏氏组织。V-Fe微合金化HRB400的晶粒度达到8～9级，组织为铁素体+珠光体+极少量的魏氏组织。V-N微合金化HRB400的晶粒度达到8～10级，大部分规格的钢筋晶粒度在8.5～9.5级，小于φ10mm的小规格钢筋的晶粒度达到10级，组织为铁素体+珠光体+少量的魏氏组织。第24页/共56页铌微合金化

铌对钢筋的强化通过3个阶段的作用实现。在钢水凝固期，先期析出的NbC、Nb(CN)微小弥散质点，有利于形成较细小的等轴铸造组织，并在加热过程中抑制奥氏体晶粒长大；在奥氏体区热形变过程中，Nb(CN)通过钉扎机制细化奥氏体晶粒，并进而细化铁素体晶粒；在相变铁素体中析出的Nb(CN)，极为细小(约1～2nm)，产生强烈的沉淀强化。铌微合金化生产HRB400钢筋中铌的质量分数为0.026%～0.034%，铌合金的收得率达到92%，钢坯均热温度1180～1230℃、开轧温度1110～1180℃、终轧温度980～1050℃，轧后采用空冷冷却方式。钢筋显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体；晶粒度级别：φ20mm钢筋为9.0--9.5级，φ25mm钢筋为11级；σs：415～465MPa、σb=570～670MPa；塑性、焊接性能良好。第25页/共56页复合微合金化

对于比HRB400强度等级高的建筑钢筋，如HRB500、BS460等，可以采用复合微合金化的方法提高强度。在生产此类钢时，增加微合金含量，进一步加强析出强化和细晶强化效果。高强度等级的钢筋组织主要是铁素体+珠光体，有时在轧后空冷下，也形成部分粒状贝氏体，发挥粒状贝氏体组织的强化作用。由于粒状贝氏体具有良好的强韧性，在提高钢筋强度的同时，少量的粒状贝氏体对塑韧性没有明显的影响，也能保证钢筋焊接后的力学性能。在生产高强度等级建筑钢筋时，采用V-N及V-Nb的微合金化方案比较多。第26页/共56页建筑钢筋的生产

对于高强度等级建筑钢筋，提高强度的关键因素是合理的微合金化及轧制工艺。轧制工艺参数中，均热温度对微合金化元素的溶解及奥氏体原始尺寸有影响，轧制温度影响奥氏体的再结晶和晶粒长大、析出物的尺寸、分布，终轧温度对晶粒细化也有影响。但在实际生产中，在连续轧制过程中，钢温下降有限，甚至可能是升温轧制。因此应平衡考虑轧制温度。轧后冷却速度对钢筋组织和性能的影响显著，随着冷却速度升高，强度上升。一般情况下，钢筋热轧后的冷却采用空冷或者风冷方式，不宜采用大强度的穿水冷却等方式进行轧后冷却。第27页/共56页第7章微合金化非调质钢

第28页/共56页非调质钢（non-quenchedandtemperedsteel)

指在制造和应用过程中，通过采用微合金化、控制轧制(锻造)和控制冷却等强韧化方法，取消调质热处理，能够达到或接近调质钢性能的优质或特殊质量钢。非调质钢的种类：铁素体+珠光体型非调质钢（铁素体+贝氏体）型非调质钢贝氏体型非调质钢（贝氏体+马氏体）型非调质钢马氏体非调质钢非调质钢主要特点在于：节能、省略热处理、生产周期短、硬度分布均匀、抗拉强度和疲劳强度与同等级的调质钢相当、没有调质处理过程中的弯曲形变和淬裂废品等第29页/共56页非调质钢的微合金化合金元素的基本作用

锰、铬、钼等合金元素，它们的作用除与在普通合金钢中相同的作用之外，还通过降低相变温度来细化晶粒，并细化相变过程中或相变后析出的微合金碳氮化物；这些元素都具有固溶强化作用，提高非调质钢的强度。硅能促进铁素体形成，并有一定的细化晶粒的作用，能改善铁素体一珠光体的韧性；锰、铬、钼等能降低相变温度、细化铁素体晶粒、减小珠光体片间距，并细化相变过程中或相变后析出的微合金碳氮化合物，使韧性有所增加。锰、钼能有效地推迟高温珠光体转变，促进贝氏体形成；对于碳含量较低、锰和硅含量较高的铁素体一珠光体型非调质钢，可以通过加入少量钼获得针状铁素体(一种铁素体呈板条状的类贝氏体)的方法改善韧性。第30页/共56页微合金元素钒、钛、铌在非调质钢中的作用：

奥氏体中未溶解的微合金碳氮化物质点钉扎晶界，阻止奥氏体晶粒长大；通过应变诱导析出的微合金碳氮化物沉淀在晶界和位错上，起钉扎作用，阻止再结晶和位错的运动，抑制或阻止回复、再结晶过程的进行；微合金元素的碳氮化物起沉淀强化作用；钒、钛、铌等强碳化物形成元素能固定钢中的一部分碳而导致碳含量的变化，钢的组织、形态及分布也将受到影响；固溶于钢中的微合金化元素提高过冷奥氏体的稳定性，降低转变的温度，改变钢的显微组织，从而对钢的性能产生显著影响。在细化晶粒上，复合微合金化比单独添加微合金化元素的效果更显著。第31页/共56页非调质钢中的钒

VC在奥氏体区不能析出，呈完全溶解态。钒微合金化钢不能实行非再结晶控轧，钒可形成VN，细化奥氏体γ→α相变后的铁素体、珠光体组织。在低碳钢中，形成钒的氮化物的最佳温度为900℃，作为再结晶控轧空间很小。当V/N比达到理想化学配比(V/N=3.64)时，钒能最大程度地析出，增强沉淀强化效果。偏离此配比越大，固溶含量越高。

VN大量沉淀会使韧性损失，采用Nb-V-Ti复合微合金化较合适。第32页/共56页非调质钢中的钛

钛是很强的氮化物、碳化物形成元素，钛的氮化物在接近凝固前或凝固过程中形成。钛、氮含量越低，形成TiN的温度越低，颗粒尺寸越小，而且均匀弥散分布，可以成为液态结晶核细化原始晶粒，还可以阻止再加热时晶粒长大。钛含量足够多时，还可在奥氏体区内形成TiC，对形变奥氏体再结晶起“钉扎”作用。第33页/共56页非调质钢中的铌

铌的碳氮化物在轧钢时可以“钉扎”晶界，阻止晶粒长大。固溶铌由于其原子半径比铁大得多，在晶界富集浓度可达到1.0%以上(原子比)，而晶内较低，使铌具有强烈的“拖拽”晶界移动的能力。这两种作用让铌具有阻止晶粒长大的最佳效果，使钢在1100～900℃之间的热加工的道次之间，不发生再结晶，可以累加形变量，奥氏体晶粒达到高形变延伸而成薄“铁饼”状，在γ→α转变时为α形核提供大量晶界面。相变后的铁素体细化程度决定于γ晶粒的非再结晶形变度，Nb(C,N)的“钉扎”作用和铌原子的“拖拽”作用，使控轧控冷效果最佳。

Nb(C,N)颗粒尺寸越细，强度增量越大。固溶铌是析出Nb(C,N)的组分，由终轧温度控制，铌的质量分数为0.05%的铌钢，在终轧温度1000℃以上时，均有一部分铌固溶，可供相变或相变后析出产生进一步强化。超低碳的铌钢在终轧温度下有大量固溶抑制γ→α相变，抑制二次(先共析)铁素体析出，可以发生γ→B转变。第34页/共56页硼在非调质钢中的作用

主要是增大贝氏体转变区的范围，在轧制缓冷的条件下，这类非调质钢常常表现出非常好的强韧性。非调质钢中的铝

铝的氮化物和V、Ti、Nb的氮化物有相似的影响，但析出条件和产生的效果与其它元素相比存在一定差异。

AIN具有沉淀强化和细晶强化作用，但由于A1N在低温下的过饱和铁素体中形核较困难，因此其沉淀强化作用没有细晶强化对强度的贡献显著。非调钢中的稀土

稀土元素在钢中的作用除净化钢水(如降低硫含量)、改变钢中残留夹杂物(如硫化锰)形态、脱氢等作用；稀土在钢中晶界的偏聚能抑制硫、磷等低熔点夹杂在晶界的偏析，并能与这些夹杂形成高熔点的化合物，消除低熔点夹杂的有害影响，净化和强化晶界，阻碍晶间裂纹的形成和扩展；钢中细小弥散的稀土氧化物（如CeO2或者Ce203)，可以作为结晶核心而细化铸态晶粒，还可以提高晶界对位错运动的阻力，从而提高钢的强度和韧性，降低脆性转变温度等。第35页/共56页铁素体－珠光体型非调质钢

应用于结构件的热锻F+P型非调质钢，因强度高、价格便宜，得到了最广泛的应用，常用来代替部分40、40Cr、40MnB、45、50等结构钢，使用最多的汽车零件是曲轴、连杆、转向节、轮载等。德国汽车行业中曲轴、连杆、前轴、半轴等锻件70%以上采用非调质钢制造；日本目前汽车制造业中75%的连杆、90%的曲轴采用了非调质钢；瑞典Volvo汽车制造厂每年约耗25000多吨非调质钢制造汽车零件。早期的非调质钢大多用钒(仅巴西用铌)微合金化，制品从锻造温度直接在空气中冷却，通过析出碳化钒来实现强化。钢的组织为铁素体－珠光体，抗拉强度大于770MPa，屈服强度大于540MPa，而室温夏比V缺口韧性为7～14J，脆性转变温度在室温以上。第36页/共56页铁素体－珠光体型非调质钢提高强度和韧性的主要技术手段晶粒细化法

对于热锻状态下使用的铁素体－珠光体型钢，晶粒细化的最有效方法是在加热时防止奥氏体晶粒粗化。为此，在进行热锻或者热轧之前的加热时，为防止晶粒粗化，在钢中添加铝和钛等元素，通过析出AlN和TiN来钉扎γ晶界是非常有效的措施。经微钛处理的各种强度水平的非调质钢，冲击韧性的韧脆转变温度平均下降40℃以上。另外还发现连铸非调质钢采取微钛处理，能更加有效地提高韧性。这是因为连铸坯中析出的TiN颗粒更细小，阻碍奥氏体晶粒长大的效果更显著。温锻非调质钢(化学成分(质量分数)为：0.25%~0.6%C、0.1%~1.0%Si、1.0%~2.0%Mn、0.0l%~0.06%Al、0.3%~1.0%Cr、Ti<0.1%或Nb<0.1%)在低于Ac3温度终锻加工后具有微细的铁素体－珠光体组织，其抗拉强度可达800MPa，冲击值达90J／cm2，伸长率在20%以上，强度、韧性和塑性比常规工艺生产时显著提高。第37页/共56页促进晶内铁素体(IGF)形成的技术

非调质钢锻件在冷却过程中发生相变时，如果沿珠光体晶粒形成网状铁素体就会严重损害钢的韧性。晶内铁素体形成的主要原理是：首先控制氧化物夹杂，然后控制硫化物夹杂及碳氮化物的析出，以促进IGF在奥氏体晶内的形核和长大，从而增加铁素体的体积分数，并明显细化铁素体晶粒。通过控制冶金工艺，在奥氏体晶内提供大量铁素体形核位置，在相变时铁素体不仅在晶界上形核，也能在奥氏体晶内形成，分割奥氏体晶粒，形成细小且均匀的等轴铁素体。钢中弥散分布的细小MnS颗粒是良好的IGF形核位置，同时在MnS周围形成的贫锰区因淬透性降低也能起到促进铁素体形成的作用，能显著改善韧性。第38页/共56页

要获得IGF，终脱氧前钢中氧的质量分数要控制在(30～40ppm)，硫的质量分数控制在0.06%左右，形成MnS夹杂，促进IGF的析出。同时钢中要有一定的钒(质量分数一般为0.12%)和氮(质量分数约为0.02%)，VC、VN是IGF的形核核心。强脱氧元素(铝)的氧化物A12O3，决定弱脱氧元素的氧化物MnO、FeO等，通过脱氧程度最佳化，可使大多数细小的MnS颗粒弥散分布，VN以MnS夹杂颗粒为形核核心，促进IGF的形成。当钢中Al(sol)含量(质量分数)在0.01%～0.03%时，形成的MnS颗粒直径最细小，数量最多。因此在冶炼过程中要调整钢中Al(sol)含量在此范围内，以获得最理想的形核核心。第39页/共56页MnS+V(C,N)与晶内铁素体第40页/共56页油井管用V-Ti-N非调质钢化学成分：Fe–0.35C–0.28Si–1.56Mn–0.14Cr–0.13Cu–0.11V–0.017Ti–0.011N.热加工工艺示意图600℃900℃第41页/共56页第42页/共56页管坯穿管后冷却到600℃900℃再加热最终产品最终产品整个工艺过程中MC碳化物的溶解-析出行为第43页/共56页贝氏体型非调质钢

贝氏体型非调质钢一般碳含量低、韧性好、强度高，尤其是在韧性上显著高于其它碳氮化物强化的微合金非调质钢，而在强度上远高于铁素体一珠光体型非调质钢，能很好地用于各类较大强度载荷及高耐疲劳的结构件上，如轴、连杆、油井抽油杆等。在中碳钢基础上降碳、添加扩大贝氏体转变区域的元素(如B、Mo、Cr、Mn等)、用微合金化元素细化晶粒，再通过控冷得到的贝氏体组织非调质钢强度可达1200MPa，低碳贝氏体钢的强韧性超过IGF钢。第44页/共56页影响贝氏体型非调质钢强度的主要因素：

(1)贝氏体铁素体尺寸。条束就相当于控制强度的“有效晶粒”，条束尺寸对强度的影响也遵循Hall-Petch关系。对于条束状贝氏体，条束对断裂的阻碍作用是主要的，奥氏体晶粒对强化也起作用，但处于次要地位。

(2)微合金化合物的沉淀析出。对于粒状贝氏体，其铁素体基体上分布的M/A岛等第二相组织的分布、尺寸和数量，对铁素体基体的强度也有同样的影响。

(3)贝氏体铁素体内的位错和亚晶。铁素体内的位错可能与协作切变相变和碳化物沉淀有关，位错密度很高时会形成亚晶界。位错密度越高及亚晶尺寸越小，贝氏体的强度也越高。

(4)固溶强化。其中间隙固溶强化以碳原子在铁素体中的固溶强化为主，因氮原子与微合金化元素的结合力较强，一般很少以固溶形式存在。碳原子固溶数目也很有限，其强化作用实质上是气团与位错交互作用的结果。Mn、Si、Cr等的置换固溶也起到强化作用。第45页/共56页低碳含钒、钛等贝氏体型非调质钢

第46页/共56页含硼低碳贝氏体型非调质钢第47页/共56页低碳复合微合金化高强韧贝氏体型非调质钢

第48页/共56页FT15钢的CCT曲线第49页/共56页贝氏体非调质钢20CrMnMoV的光学显微组织(a)未回火,(b)350℃回火,(c)450℃回火，(d)600℃回火.第50页/共56页强度随回火温度变化的曲线残余奥氏体含量随回火温度变化曲线第51页/共56页贝氏体铁素体板条,原奥氏体晶界上