钢中微合金元素的作用机理

钢中微合金元素的作用机理钢是一种合金，其主要成分是铁和碳。

微合金元素是添加在钢中的少量杂质元素，包括钛、铌、钒、铝、锰、铬等。

这些微合金元素的添加对钢的性能具有重要的影响。

以下是钢中微合金元素的作用机理。

首先，微合金元素可以提高钢的强度和硬度。

微合金元素的加入可以阻碍晶界流动和位错的运动，从而限制了晶界滑移和位错滑动，降低了钢的塑性变形能力，提高了钢的强度和硬度。

此外，微合金元素还可以形成致密的析出物，如碳化物、氮化物、硫化物等，这些析出物可以增加钢的硬度，从而提高钢的抗拉强度和硬度。

其次，微合金元素可以改善钢的韧性和冷加工性能。

微合金元素的加入可以阻碍晶界弥散，提高了钢的晶界精细度，从而改善了钢的韧性和抗冲击性能。

同时，微合金元素也可以细化钢的晶粒尺寸，提高钢的塑性变形能力，使钢具有较好的冷加工性能。

第三，微合金元素可以提高钢的耐腐蚀性能。

微合金元素的加入可以改善钢的晶界耐蚀性能，减少晶界的腐蚀敏感性。

此外，微合金元素也可以与一些有害杂质元素结合，形成稳定的化合物，减少了钢中有害元素的溶解和析出，从而提高钢的耐腐蚀性能。

另外，微合金元素还可以改变钢的相变行为。

微合金元素的加入可以改变钢的析出序列和析出相，影响钢的相变行为。

例如，铌和钒可以用于控制钢中的碳化物析出，阻止奥氏体向珠光体的相变，从而提高钢的强韧性。

此外，微合金元素还可以优化钢的热处理工艺。

微合金元素的介入可以降低钢的回火敏感性和退火脆性，提高钢的热处理硬化能力，使钢在热处理过程中获得较好的组织和性能。

总的来说，钢中微合金元素的作用机理包括限制晶界滑移和位错滑动、形成致密的析出物、改善晶界精细度和抗腐蚀性能、提高韧性和冷加工性能、改变相变行为和优化热处理工艺等。

这些作用机理使得钢中微合金元素的加入可以显著改善钢的性能，提高钢的使用性能和工艺性能。

《高Nb微合金钢中NbC的析出对组织与硬度的影响》篇一一、引言高Nb微合金钢因其优良的力学性能和工艺性能，在工程领域得到了广泛应用。

Nb元素作为微合金化元素，其加入能够显著改善钢的强度、韧性及焊接性等性能。

其中，NbC的析出行为对钢的组织和硬度具有重要影响。

本文将重点探讨高Nb微合金钢中NbC的析出机制及其对组织与硬度的影响。

二、NbC的析出机制1. Nb在钢中的存在形式Nb元素在钢中主要以固溶体和化合物形式存在。

其中，化合物形式主要包括NbC、NbN等。

这些化合物的形成对钢的性能具有重要影响。

2. NbC的析出过程在高Nb微合金钢中，Nb与C元素结合形成NbC化合物。

随着钢的冷却过程，NbC逐渐从过饱和固溶体中析出。

析出过程受到钢的化学成分、冷却速度及温度制度等因素的影响。

三、NbC析出对组织的影响1. 晶粒细化NbC的析出可以有效细化钢的晶粒，这是由于NbC作为硬质相，能够在晶界处起到钉扎作用，阻碍晶粒长大。

晶粒细化有利于提高钢的强度和韧性。

2. 第二相粒子形成NbC的析出还会形成第二相粒子，这些粒子对钢的组织具有重要影响。

第二相粒子的存在可以阻碍位错运动，提高钢的塑性变形抗力。

四、NbC析出对硬度的影响1. 硬度的提高由于NbC具有较高的硬度，其析出使得钢的硬度得到提高。

硬度的提高主要表现在钢的表面层，使得钢具有更好的耐磨性和抗疲劳性能。

2. 硬度的分布特点随着NbC的析出，钢的硬度分布呈现出不均匀性。

在晶界处和第二相粒子附近，由于位错运动的阻碍，硬度较高。

而在远离这些区域的基体部分，硬度相对较低。

五、实验验证与分析为了进一步探讨高Nb微合金钢中NbC的析出对组织与硬度的影响，我们进行了相关实验。

通过金相显微镜、扫描电镜及硬度计等手段，观察了钢的组织形态、第二相粒子的分布及硬度分布。

实验结果表明，高Nb微合金钢中NbC的析出能够有效细化晶粒，形成第二相粒子，并提高钢的硬度。

六、结论高Nb微合金钢中NbC的析出对组织与硬度具有重要影响。

微合金化元素在钢中作用的基本原理和各自的特点
高农
【期刊名称】《鞍钢技术》
【年(卷),期】1990(000)009
【总页数】5页(P14-18)
【作者】高农
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TF704.2
【相关文献】
1.谈微合金元素Nb、V、Ti在钢中的作用 [J], 杨作宏;陈伯春
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冷作模具钢中合金元素的作用
在冷作模具钢中，合金元素的作用主要在于提高淬透性和耐磨性。

这些元素通常包括铬（Cr）、钼（Mo）、钴（Co）等。

1. 铬（Cr）：是一种重要的合金元素，可以为钢提供强度、硬度和耐腐蚀性能。

在冷作模具钢中，铬的主要作用是增加钢的硬度和耐磨性。

同时，铬还可以形成硬质的氧化物膜，防止钢材的氧化和腐蚀。

2. 钼（Mo）：一种常见的微合金元素，在冷作模具钢中的作用主要是增加
钢材的硬度和尺寸稳定性。

此外，钼还可以提高钢的高温强度和耐腐蚀性。

3. 钴（Co）：一种贵重的合金元素，主要用于增加钢材的强度和韧性。

在
冷作模具钢中，钴的主要作用是提高钢材的强度和耐磨性能，特别适用于大型模具的制造。

请注意，对于耐磨性要求高的模具，多采用加入碳化物形成元素，例如Cr、Mo、W、V等元素的多元合金钢。

如需更多关于冷作模具钢中合金元素作
用的信息，建议查阅金属材料专业书籍或咨询金属材料领域专业人士。

1. 合金元素对钢性能的影响钢材中合金元素可以提高钢铁材料洁净度、均匀度、组织细度等影响材料性能，提高冶金行业资源、能源利用效率，实现节能、环保，促进钢铁行业可持续发展。

主要有以下几个方面：(1)结晶强化。

结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。

它包括：(2)形变强化。

金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。

这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。

(3)固溶强化．通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。

(4)相变强化。

合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强化。

(5)晶界强化。

晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得，晶界强度显著降低。

因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。

硼对晶界的强化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。

(6)综合强化。

在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。

例如：1）固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。

2）结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。

3）马氏体强化+表面形变强化。

对一些承受疲劳载荷的构件，常在调质处理后再进行喷丸或滚压处理。

4）固溶强化+沉淀强化。

对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。

有时还采用硼的强化晶界作用，进一步提高材料的高温强度。

2.合金元素的存在形式根据合金元素与碳的作用不同，可将合金元素分为两大类：碳化物形成元素，它们比Fe具有更强的亲碳能力，在钢中将优先形成碳化物，依其强弱顺序为Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等，它们大多是过渡族元素，在周期表上均位于Fe的左侧；非碳化物形成元素，主要包括Ni、Si、Co、Al等，他们与碳一般不生成碳化物而固溶于固溶体中，或生成其它化合物如AlN，一般位于周期表的右侧。

钢材中各微量元素对其性能的作用不论是板材还是建材，各种材质的质量和性能是根据不同的需要而确实的，而钢材不同的质量要求和级别要求的不同就是靠其中的微量元素来决定的，例如我们经常用的低合金板，它本身就为五个级别Q345（A、B、C、D、E），五个级别的不同就是靠其中的S、P等微量元素的含量不同来区分的，微量元素含量不同它们所具有性能也有所不同。

那么钢材中各微量元素对本身性能会产生什么作用呢？庞志刚就收集了一些各微量元素对钢材性能的影响资料，大家可以了解一下：（1）碳：含碳量越高，钢的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差。

（2）硫：是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性。

（3）磷：能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性，在优质钢中，硫和磷要严格控制。

但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的。

（4）锰：能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能。

（5）硅：它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能。

（6）镍：能提高钢的强度和韧性，提高淬透性，含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力。

（7）硼：当钢中含有微量的（0.001－0.005％）硼时，钢的淬透性可以成倍的提高。

（8）铝：能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效，提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等。

（9）钨：能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性。

（10）铬：能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用。

（11）钒：能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性，当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性。

各种合金元素在钢中的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、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，降低伸长率和端面收缩率。

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。

含铬钢的零件经过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。

焊铬的弹簧钢在热处理时不易脱落。

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29.MPa。

随着镍含量的增加，钢的屈服强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。

镍在提高刚强度的同时，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升。

镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。

合金元素在钢中的作用C元素：与钢中的其他合金元素结合形成碳化物硬质相，能与Cr，Fe等形成M7C3，M23C6，M3C等化合物，提高钢的硬度和和耐磨性；碳是碳化物形成的主要因素，碳的含量影响碳化物数量，但是不影响种类。

缺点：碳含量增加时使钢的耐蚀性降低，同时使碳钢焊接性能和冷加工性能变差Cr元素：Cr是一个有效提高耐蚀性的元素及较强的碳化物形成元素，同时C、Cr也是固溶强化元素1）提高钢的强度和硬度，同时降低塑性和韧性；2）使钢具有良好的抗腐蚀和抗氧化性能；3）提高钢的高温机械性能；4）阻止石墨化；5）提高钢的淬透性缺点：促进钢的回火脆性Si元素：非碳化物形成元素；Si钢中还原剂和脱氧剂，能显著提高钢的弹性极限，屈服点，和抗拉强度；与铬、钨、钼等元素结合提高钢的抗腐蚀性能和抗氧化作用；能固溶于铁素体和奥氏体，提高钢的强度和硬度；提高钢的淬透性和抗回火性；缩小γ区；缺点：含量较高时，焊接时造成飞溅，降低钢的焊接性能，会降低焊缝的抗热裂纹能力。

Mn 元素：在炼钢时，提高钢的强度，消除硫的影响，是良好的脱氧剂和脱硫剂；提高钢的淬透性，改善钢的加工性能；含锰量在11%到14%时，钢具有较高的耐磨性；扩大γ区，形成无限固溶体，对铁素体和奥氏体固溶强化，弱碳化物形成元素，进入固溶体代替铁原子形成合金渗碳体；缺点：Mn元素促进晶粒长大，可加入钼、钒、钛来细化晶粒，当锰的质量分数超过1%时，使钢的焊接性能变差；降低钢的耐锈蚀能力。

B元素：有利于脱氧造渣和自熔，提高润湿性；加入微量B，可显著提高钢的淬透性；在 Fe-C-B 系耐磨喷焊材料中，当 B 含量低于 2.37%时，B的含量增加喷焊层的耐磨性上升缓慢，因为形成了硬度不超过 HV1000的含硼渗碳体Fe3(C,B)，Fe23(C,B)6，故耐磨性提高较少。

当B的含量高于2.37%时，合金中出现 Fe2B，而Fe2B 硬度较高，随着Fe2B 的不断增加，涂层中形成均匀的耐磨骨架，能有效地降低高硬度磨粒的进入，故耐磨损性能急剧升高，但硼的含量大于4.0%，由于涂层脆性和形成的喷焊缺陷的增加反而导致涂层耐磨性出现降低的趋势Ni 元素：提高钢的淬透性；改善加工性能和可焊接性能，提高钢的耐腐蚀性能，不仅耐酸而且耐碱及大气腐蚀；细化晶粒；提高钢的强度而不降低其韧性。

甘肃冶金 2000年12月第4期谈微合金元素N b 、V 、T i 在钢中的作用Ξ杨作宏　陈伯春(酒泉钢铁公司　甘肃　嘉峪关　735100)摘　要　论述了N b 、V 、T i 在钢中的存在形态,分析了提高钢的强韧性,改善可焊性的微观机理及在钢中的重要作用。

关键词　可能性　形态　溶度积　作用1　引言在钢中质量分数低于011%左右,而对钢的性能和微观组织有显著或特殊影响的合金添加元素,称为微合金元素;N b 、V 、T i 是其中最为重要的微合金元素。

在钢中添加微量的N b 、V 、T i ,可保证钢在碳当量较低的情况下,通过其碳、氮化物质点(尺寸小于5nm )的弥散析出及N b 、V 、T i 的固溶,细化晶粒,极大地提高钢的强度、韧性,特别是低温韧性,使钢具有良好的可焊性、使用性。

因此,研究N b 、V 、T i 在钢中的作用机理和微观行为,对钢的品种开发,生产高质量、高附加值的产品如船板、管线钢等有重要的作用。

2　Nb 、V 、T i 在钢中作用的微观基础211　形成碳化物和氮化物的可能性 图1　一些金属元素形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的能力和它们的沉淀强化能力N b 、V 、T i 是碳化物和氮化物的形成元素,这些元素在比较低的浓度下就能满足这种要求。

在周期表中,它们的位置彼此靠得很近。

图1指出,对于一定的金属元素,从 组到 组,形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的可能性是逐渐增强的(从右上角至左下角)。

形成沉淀强化所需要的碳化物或氮化物,N b 、V 、T i 有同等的倾向。

212　在钢中的存在形态N b 、V 、T i 为强碳化物形成元素,常温时,在钢中大部分以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在,少部分固溶在铁素体中,在脱氧不完全的钢中,也会2Ξ收稿日期:2000204205出现氧化物T i O 2、V 2O 3等。

这对N b 、V 、T i 是一种浪费,且氧化物对性能有害,应避免。

在普通碳钢通常依靠加入碳来提高强度，这样就造成了提高碳含量的同时必然降低钢的塑性和韧性。

使普碳钢不能满足强度与韧性的更好组合，由此人们开始研究不增加碳含量，加入其它元素来提高强度，也就是保持低碳钢的韧性前提下，利用微合金化提高强度。

此类钢的综合力学性能比低碳结构钢有很大的改善，而与普通合金钢相比，其添加的合金元素又如此之少，按重量百分比，再继之以控制冷却，才能使钢的性能更佳，此类钢使用之前一般不再进行热处理。

微合金化元素在钢中的作用主要是细化晶粒，阻碍再结晶进行以及析出强化。

1 Nb的作用在超低碳贝氏体钢（ULCB）的整个发展过程中，微量Nb起着独特的作用。

这类钢中C含量已经降到0.05%，又不加入较多合金元素，因此强化主要靠位错强化，析出强化特别是组织强化。

近年来的研究表明，微量Nb在超低碳贝氏体钢（ULCB）中的作用，主要体现在以下两个方面。

1）微量Nb抑制变形再结晶行为，加剧变形奥氏体中的应变积累，大幅度提高相变前组织中的位错密度。

超低碳贝氏体钢（ULCB）的优良综合性能主要来自钢的组织细化以及贝氏体中的高位错密度，再实现这一目标，首先需要在控轧过程中，在非再结晶区轧制时引入大量高密度畸变区，这些高密度畸变区在随后的冷却过程中成为相变核心，大幅度促进相变组织细化。

同时，要在发生切变形型贝氏体相变过程中，能把相当一部分变形位错保留在贝氏体基体中，从而大幅度提高贝氏体基体强度。

为了达到这一点，要求钢种有相当高的热轧再结晶终止温度以及抑制冷却时扩散型铁素体转变的能力，合金成分设计充分考虑了Nb及Nb—B这方面的作用。

2）微量Nb与B、Cu的复合作用加快了诱导析出，稳定变形位错结构。

微量Nb加入贝氏体钢中的第二个作用是，这类钢高温非再结晶轧制阶段会应变诱导形成极细的Nb（C、N）析出物。

这些析出物主要析出在变形晶界及变形位错网上，它们阻碍了位错的恢复以及消失的过程，稳定了位错结构，为随后冷却过程相变形核提供更多机会，同时组织新相的长大，最终细化组织。

合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用，不外是与钢中的铁和碳两个基本组元发生作用，合金元素之间的相互作用，以及由此而影响钢的组织和相变过程，改变钢的性能等。

下面仅简述其几方面最基本的作用。

一、强化铁素体大多数合金元素都能溶于铁素体，形成合金铁素体。

由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性和韧性有下降的趋势。

如Si、Mn能显著提高铁素体的强度和硬度，但Si超过1%，Mn 超过1.5%时，都会降低铁素体的韧性，只有Ni比较特殊，在一定范围内（不超过5%）能显著强化铁素体的同时又能提高韧性。

二、形成合金碳化物在钢中能形成碳化物的元素有Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等（按与碳的亲合能力由弱到强依次排列）。

与碳的亲合力超强，形成的碳化物越稳定。

根据合金元素与碳的亲合力的强弱和元素在钢中含量的多少，钢中的合金碳化物有合金渗碳体和特殊碳化物两种类型。

弱碳化物形成元素（如Mn）或较强碳化物形成元素（如Cr、W等）在钢中含量不多（0.5~3%）时，一般都倾向于溶入渗碳体形成合金渗碳体。

如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C、(Fe,W)3C 等。

合金渗碳体的硬度和稳定性都略高于渗碳体。

强碳化物形成元素（如V、Nb、Ti等）或较强碳化物形成元素在钢中含量足够高（大于5%）时，就形成与渗碳体晶格完全不同的特殊碳化物。

如Cr23C6、WC、VC、TiC等。

这些碳化物具有更高的熔点、硬度和耐磨性，并且更为稳定。

在淬火加热时很难溶于奥氏体；回火时加热到较高温度才能从马氏体中析出；聚集长大也较慢。

当其在钢中呈弥散分布时，能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而不降低韧性。

所以工具钢中常加入碳化物形成元素。

三、阻碍奥氏体的晶粒长大强碳化物形成元素Ti、Nb、V等形成的碳化物及Al形成的AlN、Al2O3等细小质点，分布在奥氏体晶界上，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，所以合金钢（除锰钢外）淬火加热时不易过热，这样有利于获得细马氏体；有利于提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，有利于改善钢的淬透性和机械性能。