微合金钢(Nb、V、Ti)

Nb-V微合金钢CCT曲线的测定及分析许文喜杨德伦伍万飞霍俊（马鞍山钢铁有限公司营销中心安徽马鞍山243000）摘要：本文借助Thermo-Calc软件计算平衡条件下Nb-V微合金钢平衡相状态图，并通过热膨胀仪测定Nb-V微合金钢连续冷却转变曲线（CCT曲线），研究实验钢冷却速度的变化对室温显微组织及显微硬度的影响规律。

实验结果表明：当冷速小于0.5℃/s时，实验钢转变产物为“先共析铁素体+珠光体”混合组织；冷速增加到0.5℃/s时，有少量的贝氏体产生，贝氏体开始发生转变；当冷却速度达到4℃/s时，开始发生马氏体转变；随着冷速增加至4.5℃/s时，铁素体和珠光体组织转变基本消失，仅发生贝氏体和马氏体组织转变，且随着冷却速度增加，室温组织主要以马氏体为主；随着冷却速度的增加，实验钢的硬度值呈逐渐升高的趋势。

关键词：Nb-V微合金钢析出相冷却速度膨胀法CCT曲线中图分类号：TG142.1文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)01(c)-0029-05随着科技水平的提高，微合金元素在低合金钢中的强韧化机理研究越来越深入，微合金元素的应用也越来越广泛，合金元素对钢的品种开发具有深刻影响。

合金元素V主要以碳、氮的形式存在于基体和晶界中，能抑制晶粒生长和沉淀强化［1］。

合金元素Nb元素可通过固溶抑制或沉淀机制有效抑制高温奥氏体的再结晶，使含铌钢在轧制时采用控轧控冷工艺能够显著增加材料的机械性能。

要想利用合金元素的特性，充分发挥钢中微合金化元素在材料中的作用，就需要合理进行热处理，控制轧制后的冷却工艺。

微合金钢热处理过程中，奥氏体化温度的选择对微合金元素能否发挥其特性，提高钢的性能起到关键作用［2］。

而材料不同的冷却方式和冷却速度对产品最终组织和性能却产生决定性的影响，因此，微合金钢冷却转变规律的研究显得尤为重要［3］。

通过对钢的CCT曲线测绘，可以直观了解到冷却速度对应的组织及硬度关系。

CCT曲线对实际工业生产微合金钢的组织及性能控制具有重要意义。

铌在特殊钢中的应用中信微合金化技术中心专家委员会孟繁茂摘要本文综述了铌在特殊钢中的应用，重点介绍了铌、钒、钛的冶金特性及其应用原理，提出铌在我国特殊钢品种结构调整、性能优化的应用及其重要性。

关键词铌、微合金化、特殊钢Niobium Application In Special SteelsMENG Fanmao(Expert Committee of CITIC Microalloy Technology Center)Abstract This paper discusses Niobium application in sp ecial steels and introduces the metallurgical characteristics of Nb, V, and Ti and related application theories. It also voices the i mportance of Nb in the aspects of product mix adjustment and proper ty optimization of special steels.Key Words Niobium, Microalloying, Special Steels一、迎接WTO的挑战WTO就要来临了，我国即将加入世贸，这是大好形势。

“山雨欲来，风满楼”，各行各业都在准备迎接世界经济洪流进入我国市场的挑战。

特钢行业也不例外。

近期，关于特殊钢生产现状和特殊钢如何发展的专论文章，连篇累牍。

问题的焦点是我国特殊钢怎样赶上世界先进水平；不外乎引进先进的冶金装备、改造旧设备，实行集约化生产等等。

本文诣在介绍铌在特殊钢中应用和产品性能优化成果，开发新品种趋势，为我国的特殊钢的生产发展，从一个侧面提供知识资源，供钢材生产厂，特钢产品制作厂以及最终用户使用，开发新产品参考应用。

二、现代钢特点现代钢生产的三大技术是材质纯净化，晶粒细化，尺寸精确化。

铸钢1、铸钢的分类答：（1）按合金含量分类低合金钢：合金元素总含量≤ 5%的钢。

中合金钢：合金元素总含量在5-10%范围内的钢。

高合金钢：合金元素总含量＞ 10%的钢。

微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢（2）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢： 0.0218% ≤ wc ≤ 0.77%共析钢： wc = 0.77%过共析钢： 0.77%＜wc ≤2.11%（3）按含碳量：低碳钢：C: ≤ 0.25%中碳钢：C：＞ 0.25％≤ 0.6％高碳钢： C：＞0.6％2、铸钢特点优点：强度高，韧性良好，具有可焊性缺点：铸造流动性较差，易形成缩孔、热裂、冷裂及气孔，铸钢件的成品率低。

用途：制造承受重载荷、受冲击和振动的机件3、合金元素在铸钢中存在的形式答:1）形成铁基固溶体2）形成合金渗碳体3）形成金属间化合物4）形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相4、决定组元在置换固溶体中溶解度因素是什么？举例说明无限固溶和有限固溶。

答：元素的点阵结构、原子半径、电子结构相似-无限固溶，点阵结构、原子半径相近，但电子结构相差较大-有限固溶例如：Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。

其中Ni、Co和Mn 形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。

Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。

如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。

5、无限扩大γ相区元素答：这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。

如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的α相从相图上消失，γ相保持到室温，故而由γ相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。

6、无限扩大α相区答：当合金元素达到某一含量时，A3与A4重合，其结果使δ相与α相区连成一片。

当合金元素超过一定含量时，合金不再有α-γ相变，与α-Fe形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。

铌在钢的控轧控冷工艺中微合金化的作用[摘要]本文主要介绍铌的强化原理、铌在钢中微合金化中应用，通过控轧控冷工艺改善铌在钢中的分布来提高铌的性能，以及当今世界铌钢的情况及生产铌钢应用的新工艺。

[关键词]控轧控冷；铌钢；强化；工艺；1.前言目前我国热轧钢筋的消费量已达5000余万吨，相对于发达国家钢筋以400N／mm2以上强度级别应用为主的局面，我国仍以335N ／mm2级别的热轧钢筋为主。

近年来，随着建筑结构施工规范GB50010的修订执行HRB400热轧钢筋将逐步成为我国钢筋混凝土结构用主导钢铁材料，该级别钢筋使用比例是逐年上升的趋势。

建设部2022年4月正式新的《混凝土结构设计规范》后，建筑用钢的产品升级换代不断加快，HRB400热轧钢筋的主导钢种20MnSiV的必需原料V-Fe，VN合金价格大幅上涨，导致生产成本显著升高，急需开发新的生产工艺和替代钢种。

世界范围内的钢筋标准中，ISO标准、西欧等国钢筋标准是以轧后余热处理工艺为基础的，而在我国，轧后余热处理钢筋的生产使用受到各种限制，因此高强度级别钢筋生产基本以微合金化为主，在所有的微合金化方式中，以V微合金化最适合长型材生产工艺要求。

微合金化元素的应用较多地集中在Nb、V、Ti三大主要微合金元素，其中对Nb元素的研究应用较多地集中在扁平材上。

与V元素相比Nb析出物的溶入温度较高，因此要求相对高的工艺加热温度，同时Nb 微合金化技术的应用在于Nb的碳氮化物对再结晶的阻滞作用，以此来实现非再结晶轧制，而长型材生产本身具有的高温快轧的特点在现有生产线上较难实现非再结晶轧制。

虽然Nb的碳氮化物的析出强化作用较V的沉淀强化弱，但是利用Nh的沉淀强化和组织强化作用，也可作为HRB400热轧钢筋生产的微合金化方式。

上世纪末，国内开始超细晶碳素钢筋的研究工作。

通过在临界奥氏体区终轧诱发铁素体相变和铁素体动态再结晶，将晶粒细化至微米尺度，实现用普碳钢生产HRB400钢筋，材料成本低，具有经济效益显著和广阔的发展前景。

Q345是不是16Mn？ Q345钢的主要组成元素比例与16Mn钢基本相同，区别是增加了V、Ti、Nb微量合金元素。

少量的V、Ti、Nb合金元素能细化晶粒，提高钢的韧性，钢的综合机械性能得到较大提高。

也正因为如此，钢板的厚度才可以做得更大一些。

因此，Q345钢的综合机械性能应当优于16Mn钢，特别是它的低温性能更是16Mn钢所不具备的。

Q345钢的许用应力略高于16Mn钢。

GB/T221—2000标准是参照国外钢铁产品牌号表示方法和国内钢铁产品牌号表示方法变化( 如Q345代替16Mn)等情况修订后，于2000年4月1日发布，并于2000年11 Q345与Q235的密度比较，碳素钢的密度是在7.8－7.85之间。

如果要精密比较的话，Q235的密度比Q345大，因为Q345的含碳量比Q235高。

但是这个差别到底有多少，确实没有找到资料，只能给出个定性答案。

据手头一本最新教材，计算低碳钢的重量时，密度按7.85g/cm^3计，不锈钢密度按7.75g/cm^3计。

参考资料：雒庆桐主编《电焊工入门》机械工业出版社Q345是低合金结构钢，与旧标准1591-88牌号对照12MnV、16Mn 16MnRE、18Nb、14MnNb ,至于性能和应用，太多了：Q345--综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁。

１６ＭnＲ更要求Ｓ，Ｐ含量，这其实和炼钢有很大关系，专用钢板和普碳钢板在炼钢时有区别，一般普碳钢坯都是转炉炼钢，钢坯纯净度各方面都不如电炉炼钢，优钢、不锈钢、专用钢板现大部分是电炉炼钢加炉外精炼。

轧钢方面纵横向性能不同，专用钢板纵横向轧制，且横向轧制要求高。

至于说到成分和力学性能那都和炼钢和轧钢有关。

16MnR的材料标准为GB6654-1996，是压力容器用钢板，对材料的S、P含量及材料的韧性要求较高。

16Mn材料现在的牌号是Q345-B，材料标准为GB/T1591-1994，是低合金高强度结构钢，材料的S、P含量较高。

Ti 是最活泼的微合金元素，与O、S、C、N 都有很强的亲和力。

Ti 可以在较高温度析出，1 250℃高温时仍能够析出Ti 的碳氮化物颗粒，而在较低温度时其析出较少，故Ti 一般用于高温析出来阻止奥氏体晶粒的长大，常与V、Nb 等复合添加。

Ti 较难溶于钢中，大部分是以第二相粒子的形式存在，Ti 的细小弥散的碳氮化物析出相能够有效地阻止奥氏体晶粒的长大，具有中等的细化晶粒作用，而沉淀析出强化作用较大.TiN 的固溶度比Nb 和V 都要低很多，因此生产冶炼的钢中N 的含量会很大程度上影响钢中可固溶的Ti 的含量，从而对后续的TiC 的析出产生影响；图1.5（B）为一般冶炼条件下的N 含量数值下（含N0.007wt%）温度对微合金元素的影响。

由图可以看出，即使在1300℃以上的高温仍几乎不溶，因此在传统轧制流程的加热过程中，TiN 仍以析出物形式存在，并可以起到钉扎奥氏体晶界而阻碍奥氏体晶粒长大的作用。

而NbN 和和VN 在1200℃以上固溶量可以达到0.085wt%以上，在1150℃时固溶量大概在0.055%左右，考虑一般常用钢中的Nb和V的添加量并不会太高，因此可以认为在该温度条件下NbN 和VN 基本上全部固溶。

当然，降低加热温度可以保持一定量的未溶NbN和VN以抑制加热过程中奥氏体晶粒的长大,但是加热温度过低同时会影响钢中NbC 和VC 的溶解，对于后续的析出强化过程不利。

所以在利用微合金元素的氮化物颗粒以抑制奥氏体晶粒长大方面，Ti 比Nb 和V 更具有优势。

但是这并不是说为了得到更多的TiN 以阻止加热过程中奥氏体晶粒的长大，N 的含量越高越好，N 含量增多会使TiN的高温析出物增多，但是同样会使TiN 的颗粒增大，这对于抑制奥氏体晶粒长大不利。

Zener 由晶粒长大的驱动力和第二项粒子对晶粒长大的钉扎作用的平衡关系得到了反映第二相粒子阻止高温奥氏体长大的关系式：由上式可以看出，TiN 颗粒析出体积分数增加并伴随着其尺寸增大的同时，对阻碍加热过程中奥氏体晶粒长大并不会有很好的效果。

Q345和16Mn材料的区别
Q345钢的主要组成元素比例与16Mn钢基本相同，区别是增加了V、Ti、Nb微量合金元素。

少量的V、Ti、Nb合金元素能细化晶粒，提高钢的韧性，钢的综合机械性能得到较大提高。

也正因为如此，钢板的厚度才可以做得更大一些。

因此，Q345钢的综合机械性能应当优于16Mn钢，特别是它的低温性能更是16Mn钢所不具备的。

Q345钢的许用应力略高于16Mn钢。

Q345钢是老牌号的12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代，而并非仅替代16Mn钢一种材料。

在化学成分上，16Mn与Q345也不尽相同。

更重要的是两种钢材按屈服强度的不同而进行的厚度分组尺寸存在较大差异，而这必将引起某些厚度的材料的许用应力的变化。

因此，简单地将16Mn钢的许用应力套用在Q345钢上是不合适的,而应根据新的钢材厚度分组尺寸重新确定许用应力。

各种字母代表的材质合金成分、合金元素对钢各种字母代表的材质合金成分、合金元素对钢力学性能的影响000C碳Si硅Cr铬Mn锰Mo钼V钒W钨Ni镍P磷S硫0.380... 合金钢是在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。

合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、等。

其中锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。

钢的性能取决于钢的相组成，相的成分和结构，各种相在钢中所占的体积组分和彼此相对的分布状态。

目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。

铬是合金结构钢主加元素之一，在化学性能方面它不仅能提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。

当其含量达到13％时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。

铬能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但它使钢的塑性和韧性降低。

锰可提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。

镍钢铁性能有良好的作用。

它能提高淬透性，使钢具有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。

镍能提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。

镍基合金具有更高的热强性能。

镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢.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。

安徽工业大学材料学院金属材料学复习题一、必考题1、金属材料学的研究思路是什么？试举例说明。

答：使用条件→性能要求→组织结构→化学成分↑生产工艺举例略二、名词解释1、合金元素：添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的含量在一定范围内的化学元素。

（常用M来表示）2、微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在%左右（如B %，V %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这些化学元素称为微合金元素。

3、奥氏体形成元素：使A3温度下降，A4温度上升，扩大γ相区的合金元素4、铁素体形成元素：使A3温度上升，A4温度下降，缩小γ相区的合金元素。

5、原位析出：回火时碳化物形成元素在渗碳体中富集，当浓度超过溶解度后，合金渗碳体在原位转变为特殊碳化物。

6、离位析出：回火时直接从过饱和α相中析出特殊碳化物，同时伴随有渗碳体的溶解。

7、二次硬化：在含有Mo、W、V等较强碳化物形成元素含量较高的高合金钢淬火后回火，硬度不是随回火温度的升高而单调降低，而是在500－600℃回火时的硬度反而高于在较低温度下回火硬度的现象。

8、二次淬火：在强碳化物形成元素含量较高的合金钢中淬火后残余奥氏体十分稳定，甚至加热到 500-600℃回火时仍不转变，而是在回火冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高的现象。

9、液析碳化物：钢液在凝固时产生严重枝晶偏析，使局部地区达到共晶成分。

当共晶液量很少时，产生离异共晶，粗大的共晶碳化物从共晶组织中离异出来，经轧制后被拉成条带状。

由于是由液态共晶反应形成的，故称液析碳化物。

10、网状碳化物：过共析钢在热轧（锻）后缓慢冷却过程中，二次碳化物沿奥氏体晶界析出呈网状分布，称为网状碳化物。

11、水韧处理：将高锰钢加热到高温奥氏体区，使碳化物充分溶入奥氏体中，并在此温度迅速水冷，得到韧性好的单相奥氏体组织的工艺方式。

12、晶间腐蚀：金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。

第一章 合金化原理主要内容：概念：⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。

⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。

⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。

①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。

③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。

1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）⑴Mn ：W Mn ％<0.8％ ①固溶强化 ②形成高熔点MnS 夹杂物（塑性夹杂物），减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）；⑵Si ：W Si ％<0.5％ ①固溶强化 ②形成SiO2脆性夹杂物；⑶Mn 和Si 是有益杂质，但夹杂物MnS 、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2.硫（S ）和磷（P ）⑴S ：在固态铁中的溶解度极小， S 和Fe 能形成FeS ，并易于形成低熔点共晶。

发生热脆 (裂)。

⑵P ：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

⑶S 和P 是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮（N ）、氢（H ）、氧（O ）⑴N ：在α-铁中可溶解，含过饱和N 的钢析出氮化物—机械时效或应变时效（经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变）。

N 可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

⑵H ：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

⑶O ：在钢中形成硅酸盐（2MnO•SiO2、MnO•SiO2）或复合氧化物（MgO•Al2O3、碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途 1.1 碳钢概论 主要内容 1.2 钢的合金化原理： ①Me 在钢中的存在形式 ②Me 与铁和碳的相互作用 ③Me 对Fe-Fe3C 相图的影响 ④Me 对钢的热处理的影响 ⑤Me 对钢的性能的影响 1.3合金钢的分类MnO•Al2O3）。

Chapter 1 钢铁中的合金元素几个基本概念合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。

杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。

碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。

低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。

高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。

1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质（1）1.锰（Mn ）和硅（Si ）：炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。

Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。

可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。

MnS 在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。

Si：在钢中的含量通常小于0.5%。

可固溶，也可形成SiO2夹杂物。

Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2．硫（S）和磷（P）S：在固态铁中的溶解度极小，S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。

发生热脆(裂)。

P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮（N）、氢（H）、氧（O）N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效。

N 可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

O：在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。

N、H、O是有害杂质。

二、碳钢的分类（1）1．按钢中的碳含量（1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：0.0218%≤wc≤0.77% 共析钢：wc =0.77% 过共析钢：0.77%＜wc≤2.11% （2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：wc ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢：wc＞0.6%2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢：wS≤0.05%，wP≤0.045%（2）优质碳素钢：wS≤0.035%，wP≤0.035% （3）高级优质碳素钢：wS≤0.02%，wP≤0.03% （4）特级优质碳素钢：wS≤0.015%，wP≤0.025%。