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微合金元素对钢性能的影响【摘要】钒、钛、铌等微合金元素都可以通过细化晶粒和沉淀强化来提高钢的强度，但由于其作用机理及强化强度受到本身特性和工艺条件的影响而不同，且对抑制再结晶的能力表现不同，具体表现为铌>钛>钒。
【关键词】微合金化元素；作用机理；析出；裂纹1.引言微合金元素如钒、钛、铌等，在钢中由于其碳氮化物可以调节形变奥氏体的再结晶行为和阻止晶粒长大，间接起到细化晶粒的作用，并对钢产生沉淀强化，从而提高钢材的强度和韧性，因此在钢材生产中得到了越来越多的应用。
但是，控制不好，AlN和（Nb、Ti、V）的碳氮化物大量在晶界析出，会促使钢的塑性降低，产生表面横裂纹。
因此研究微合金元素在钢材中行为变化及对钢材性能的影响规律，为实际生产中提供一定的理论基础。
2.微合金化元素对钢性能的影响“微合金化”是指这些元素在钢中含量较低，通常低于1%（质量分数）[l]，目前大量使用的是铌、钒、钛等，其特点是能与碳、氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出。
其作用表现在：在加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大；在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；在低温时起到强析出强化的作用。
通过合金元素的固溶及其固态反应，影响微结构乃至结构、组织和组分，从而使金属获得要求的性能[2]。
国内外许多学者对微合金元素在钢中的应用做了大量的研究工作，己经基本掌握了微合金元素在钢中的作用规律[3]，如表1所示。
2.1钒2.1.1 钒微合金化理论基础钒在微合金钢中单独加入时主要形成VC、VN和V（N、C），属中间相，其化学式可在VC～V4C3之间变化。
钒在钢中的固溶量随温度的升高而迅速增大，而VC、VN的量则相应下降，但在较低的加热温度下，其碳化物可以完全溶解（至少是绝大部分）到奥氏体中，因此V的利用率高，对沉淀强化的贡献大，成为非调质钢中的主要的和常用的微量添加元素，为钛和铌所不及。
钒的碳化物土要以相间沉淀的形式析出，在α相区内析出量不多，并与α相保持共格关系。
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。
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
2.微合金化纯净钢中稀土元素的作用 [J], 储爱民;蒋学智;高春贵
3.微合金化元素Nb,V,Ti,Zr和B及其在现代汽车钢中的作用 [J], Meyer.,L;刘建新
4.VN元素在微合金化钢中的作用和开发前景 [J], 丛晓艳
5.微合金化元素在钢中的作用及其应用 [J], 文慕冰
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合金钢中各种元素的作用及其作用原理合金钢中各种元素的作用及其作用原理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。
合金元素在钢中的作用合金元素是指在钢中加入的其他金属或非金属元素，它们与铁元素和碳元素相互作用，从而改变钢的性能和性质。
合金元素的添加可以提高钢的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等，使钢具有更优异的性能，满足不同的使用要求。
以下是合金元素在钢中的一些常见作用：1.碳（C）：是钢中最主要的合金元素之一，加入合适的碳量可以提高钢的硬度和强度。
碳元素可以通过固溶强化的方式使钢的晶粒细化，从而提高钢的强度和硬度。
但是过高的碳含量会降低钢的塑性和耐热性。
2.硅（Si）：是一种强化和脱氧元素，常用于高碳钢和合金钢中。
硅可以增加钢的强度、硬度和耐磨性，促使钢的晶粒细化。
同时，硅还可以与氧结合，形成氧化物，从而脱除钢中的氧气。
3.锰（Mn）：是一种强化元素，常用于普通碳钢和低合金钢中。
与铁和碳相结合，形成硬化相，提高钢的硬度和强度。
锰还可以提高钢的韧性和抗冲击性，减少钢的冷脆性。
4.磷（P）：是一种脆化元素，过量磷会降低钢的塑性和韧性。
但适量的磷可以起到强化钢的作用，提高钢的硬度和强度。
5.硫（S）：是一种脆化元素，过量的硫会降低钢的韧性。
然而，适量的硫可以改善钢的切削加工性能，提高切削刃的寿命。
6.铬（Cr）：是一种耐腐蚀元素，主要用于不锈钢和耐热钢中。
铬与钢中的铁形成铬化铁，并形成致密的氧化铬膜，从而防止氧气和水的侵蚀，提高钢的耐腐蚀性。
7.镍（Ni）：是一种耐腐蚀和耐热元素，常用于不锈钢和耐热钢中。
镍可以改善钢的塑性、韧性和韧齿性，提高钢的耐腐蚀性和耐热性。
8.钼（Mo）：是一种强化元素，用于合金钢和高速钢中。
钼可以提高钢的强度、硬度和耐磨性，同时还能提高钢的耐热性和抗腐蚀性。
9.钒（V）：是一种强化元素，广泛应用于合金钢和高速钢中。
钒可以提高钢的强度、硬度和耐磨性，同时还能提高钢的耐高温性能。
10.铌（Nb）：是一种强化和固溶强化元素，常用于低合金钢和高强度钢中。
铌可以提高钢的强度和硬度，还能改善钢的焊接性能和耐腐蚀性。
11、钢筋生产为什么要采用微合金化？用Al来细化钢的晶粒，从而改善钢的强韧性，已有半个世纪历史。
从广泛意义上讲，微合金元素有七、八种，但是，研究得最多，用得最广的是Ti、V和Nb。
B参与复合合金化在个别高强度钢种应用。
P能影响织构演变，因而用于冲压钢板。
Zr、Te能改变硫化物形态，但目前已有更经济有效的夹杂物形态控制手段，因此未获实际应用。
至于Ca和RE，由于在最终产品中对它们的含量没有明确的规定，因此一般不认为是合金元素。
微合金元素与钢中C、N、O及S形成多种化合物，从而对性能产生多种影响。
Ti是最活泼的微合金元素，与O、S、C、N有很强的亲和力，但是能够生成碳、氮化物并有析出强化作用的只有Ti、V、Nb。
微合金元素能够影响扩要显微组织参数是：——晶粒尺寸，晶粒形状；——各种尺寸的析出物；——基体组织（铁素体、贝氏体、马氏体）；——位错密度；12、铌资源能否长期稳定供应？以往的廿年中，世界范围内铌的开发及应用充满了活力，主要的铌资源在巴西和加拿大，以岩矿和沉淀矿两种分布形式的烧绿石矿为主。
巴西铌资源以Nb2O5计算的品位在1.57～3.0%，总储量达14亿吨；加拿大矿品位在0.67～1.34%，储量为2200万吨。
铌产品包括标准铌铁、氧化铌、Ni-Nb合金、真空级铌铁及铌金属。
在非洲赤道地区、俄罗斯的西伯利亚冻土地带也存在大量的铌沉淀矿脉。
发现新矿区还有乌干达、尼日利亚、挪威、格陵兰，此外在澳大利亚西部钽花岗岩矿山中也有少量的铌副产品。
我国也有铌—稀土混生矿，主要集中于内蒙古的白云鄂博地区，总储量虽可贵，但品位仅0.07%，在采选技术难度和生产成本上无法在国际市场上竞争，见图1。
世界铌资源的生产和供应有三大特点：①资源集中，仅巴西CBMM的储量足够全世界消费400年以上；②世界目前铌产品（折合成Nb2O5）年产量稳定在3.5万吨，随时可以扩大产能，价格稳定；③工业发达国家以粗钢总产量平均铌的消费强度在40—80g/t，世界平均为20—30g/t。
这些微合金化的元素到底在钢材中起什么作用？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。
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。
微合金化元素钛、钒、铌的特性近年来，钢中添加微合金化元素的重要性备受关注，并通常被视为现代钢种的一大特点。
因此可以预见，随着新钢种的开发，微合金化元素的使用会越来越多。
“微合金化”即是指这些元素在钢中的含量很低，通常低于0.1%（重量百分比）。
和钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是有目的的加入钢中以改善钢材的性能。
合金化元素和微合金化元素不仅在合金含量上有明显的区别，而且其不同的冶金效应也各有特点：合金化元素主要是影响钢的基体；而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。
钢的可焊性、成型性和断裂韧性要求较少的非金属夹杂（氧化物和硫化物），并希望残余夹杂以球形状态存在。
因此低氧和低硫是现代钢的必要条件。
另外，铝脱氧的钢水脱氧的标准工艺。
在钢凝固后，未结合成氧化铝的残留铝将形成氮化铝。
这一古典的微合金元素析出物细化晶粒的效应已被使用了50多年。
其它微合金添加元素如钙或稀土元素，由于对硫化物形态的控制的作用也广为人知。
除了上述这些影响非金属夹杂物的元素外，自1960年代以来，钢中单独或复合加入一些碳化物和氮化物形成元素也对钢的发展产生了重要影响。
元素的潜势根据各元素在周期表中的位置，可以大致确定其对钢的性能产生何种可能的影响。
图4.176显示出4-6周期的Ⅳa-Ⅵa族的化学元素。
这些元素因为其熔点很高通常被称为“难熔金属”。
它们不仅具有高的熔点，而且具有形成氮化物和碳化物趋势。
这种趋势从图中右上角向左下角方向逐渐增强；而且形成氮化物的倾向要强于形成碳化物的倾向。
除形成氮化物和碳化物的倾向外，第Ⅳa族元素还具有更高的形成氧化物和硫化物的倾向。
另一方面，Ⅵa族元素与非金属化合物的亲合力比Ⅳa族和Va族元素低，此外他们的碳化物具有正斜方体或六角体的晶体结构。
这种结构与Ⅳa族和Va族元素的面心立方结构碳化物相比较，不太可取，面心立方和钢的立方体基体有一定的共格性，这可能对钢的性能有益。
钢中加入合金元素的作用
在钢中加入合金元素可以带来以下几个方面的作用：
1. 提高强度和硬度：合金元素可以通过固溶强化、析出强化等方式提高钢的强度和硬度。
例如，加入碳、锰、铬等元素可以提高钢的硬度和强度。
2. 改善韧性和塑性：适量的合金元素可以改善钢的韧性和塑性，使其在受到外力作用时不易断裂或产生裂纹。
例如，加入镍、钼等元素可以提高钢的韧性。
3. 提高耐腐蚀性：一些合金元素可以提高钢的耐腐蚀性，使其在恶劣环境下具有更好的抗腐蚀性能。
例如，加入铬、镍、钼等元素可以形成不锈钢，提高钢的耐腐蚀性。
4. 改善焊接性能：某些合金元素可以改善钢的焊接性能，使其在焊接过程中不易产生裂纹、气孔等缺陷。
例如，加入钛、钒等元素可以改善钢的焊接性能。
5. 优化热处理性能：合金元素可以影响钢的相变点和晶粒长大行为，从而优化钢的热处理性能。
通过合理选择合金元素，可以使钢在热处理过程中达到预期的组织和性能。
6. 获得特殊性能：不同的合金元素可以赋予钢特殊的性能，如耐磨性、高温强度、磁性等。
例如，加入钨、钴等元素可以提高钢的耐磨性。
总之，在钢中加入合金元素可以显著改善钢的性能，使其适应各种工程应用的需求。
通过合理选择和控制合金元素的种类、含量以及热处理工艺，可以获得具有优异综合性能的合金钢材料。
合金元素对钢的影响和作用合金是由两种或以上的金属元素混合而成的物质。
在钢的生产中加入合金元素可以改变钢的性质和性能，增强钢的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性。
下面将介绍一些常见的合金元素对钢的影响和作用。
1.碳（C）：是钢中最常见的合金元素。
加入适量的碳可以提高钢的硬度和强度，但会降低钢的韧性。
碳还可以加快钢的回火硬化速度，改善钢的切削性能。
2.铬（Cr）：主要用于不锈钢中。
铬可以提高钢的耐腐蚀性能，形成一层致密的氧化铬膜，起到隔绝氧气和水的作用。
当铬含量超过12%时，钢就具有不锈钢的性能。
3.镍（Ni）：加入镍可以提高钢的韧性和强度，并提高钢的耐腐蚀性。
镍还能使钢具有良好的低温韧性，常用于制造低温容器和管道。
4.钼（Mo）：可以提高钢的硬度和强度，抗拉强度和屈服强度增加。
钼还可以提高钢的耐热性，提高钢在高温环境下的稳定性。
5.锰（Mn）：加入锰可以提高钢的硬度和韧性，并使钢能够更好地耐磨。
6.钛（Ti）：可以形成钛碳化物，提高钢的硬度和强度。
钛还可以改善钢的焊接性能和耐腐蚀性。
7.钒（V）：能提高钢的硬度和屈服强度，抑制晶界的生长，提高钢的耐热性和耐磨性。
8.铌（Nb）：加入铌可以提高钢的强度和韧性，改善焊接性能和耐热性。
9.磷（P）和硫（S）：通常被视为有害元素，因为它们会降低钢的韧性和强度。
但是，在一些特殊情况下，可以适量添加磷和硫来提高钢的切削性能。
合金元素的选择和使用需要根据钢的具体用途和要求进行，不同的合金元素有不同的作用和影响。
对于特殊要求的钢材，还可以采用复合合金化的方法，同时加入多种合金元素来达到更好的性能。
合金化是钢材工业中常用的一种改善和增强钢材性能的重要方法。
