钢素体

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钢素体-珠光体钢的合金化及热处理组织与性能

一、合金元素加入对钢的强度影响

1、溶入铁素体中的固溶强化；2、细化铁素体晶粒的细晶强化；3、铁素体内析出高密度弥散的碳、氮化合物的弥散强化；4、改变铁素体与珠光体组织相结含量。

二、具体情况（强化）

低碳钢的屈服强度：σs=88+37(%/Mn)+83(%Si)+2918(%游离N）+15.1d-1/2（牛顿/毫米2）

推导这公式的数据主要来源自冷却产生铁素体—珠光体组织；晶粒的平均直线截距尺寸为d；含碳量0.25~0.25%的碳锰钢。值得注意的是，在这些条件下屈服强度与渗碳体的分布无关。碳通过晶粒细化降低铁素体形成的相变温度和增加珠光体含量，对铁素体形成间接地施加影响。

1、固溶强化：（1）如上式所示，铁素体与珠光体组织中存在的Mn、Si、N含量对固溶强化有相当大的贡献。1%的锰可使铁素体的强度提高302kg/ mm2，而1%的硅可使铁素体强度提高8.5kg/ mm2（但锰、硅含量限制在2.2%的锰和0.8%的硅）。每添加1%的氮，可提高69 .4kg/ mm2的整体强度。主要考虑对其它性能的影响，如塑性、韧性、可焊性和冷弯性。单靠锰和硅来提高强度（固溶强化）必然会损失一部分的塑性和韧性。

除硅、锰、氮外，有些低合金钢中加入铬、镍，它们也固溶与铁

2 素体中。铬在钢中只有少部分溶于渗碳体当中（最多溶15%），而随碳和铬量的降低而减少。铬大部分溶于铁素体中，而镍几乎全部溶入铁素体中。但铬、镍对于固溶强化来说是很弱的。铬、镍的主要作用在于增大低合金钢的奥氏体的过冷能力，从而细化晶粒得到强韧化效果。而低合金高强度钢加入铬、镍还有其特殊作用，那就是对耐大气腐蚀能力的增加作用；另外，镍还有效的与低含量的铬的配合，能有效地提高冲击韧性值和降低脆性转化温度。

2、细化晶粒的作用

（1）铝脱氧；（2）控制轧制；（3）热处理；（4）合金化

首先看合金化：

加入强碳化物形成元素钛、铌、钒等均能达到细化晶粒之目的。钛、铌的碳化物几乎在1200℃时才大量溶解于奥氏体中；碳化钒则在1050℃时才大量溶解于奥氏体中。因此加热的不同阶段能起到阻碍奥氏体晶粒长大的作用，同时钢中的锰、铬、铌、钼只要在加热时溶于奥氏体中，就能增大过冷奥氏体的过冷能力。冷却过程中转变时，从而会产生细的铁素体晶粒和细的珠光体集团，这两方面的相互作用补充钢的晶粒细化。不过，在钢中有上述细化元素时，如果不恰当地热轧和热处理工艺，也可能造成粗大和粗细不均的铁素体晶粒（混晶），这对钢的塑性、韧性产生不良的影响，因此工艺必须配合恰当。

3、弥散强化

合金碳化物及碳氮化合物是最广泛用来强化铁素体—珠光体组织的弥散相。普通低合金钢中加入微量的强碳化物形成元素钒、钛、

3 铌，由于它们在钢中有优先形成碳化物的本性以及它们在铁素体的溶解度的剧烈变化，所以冷却时在形成铁素体的阶段，会在铁素体和奥氏体的相界面上析出各自的碳化物或碳氮化合物颗粒，并且由于铁素体相界面不断地向奥氏体内推进，沉淀的碳（氮）化合物颗粒就会排成带状，这个过程称之为“相间沉淀”。这种带状排列的微细颗粒（10~20微米）使得铁素体的抗塑性变形能力增加，使钢的强度进一步提高。这种相间沉淀乃是普低钢弥散强化的本质，而获得相间沉淀产生的弥散强化所需要的合金元素钛、钒、铌含量非常微少，通常称之为“微合金化”（碳—锰、碳—锰—铌、碳—锰—钒、碳—锰—钒—铌、碳—锰—钒—钛）。这种弥散强化的作用可能带来塑性和韧性的损失，但由于钒、钛、铌等强碳化物形成元素所特有的细化晶粒的作用，补偿了这些损失。这是微合金化的显著特性。

弥散强化机理的各种分析概括在下图中：

4 在质点的临界尺寸范围内，有用尽可能大的质点体积百分数就能够得到最大的强度增量。碳化物的体积百分数受合金元素和碳的溶解度之积限制。

上图说明，采用低碳含量的工艺因素有利于获得最大的弥散强化增量。不仅为了弥补韧性方面的损失，也为了有可能采用更高的固溶处理温度，细化晶粒的控制轧制对于大力发展碳化物弥散强化都是十分重要的。

弥散强化增量的计算可用来估计最高强化水平。铁素体—珠光体组织中的渗碳体，不像弥散相那样产生强化效果。超过形成碳化物或碳氮化物所需的理论配比当量的碳量，只能作为晶粒细化剂间接地对强度做出贡献。

4、铁素体与珠光体相对含量的影响

当钢中的含碳量小于0.1%时，组织中的珠光体含量约10%~15%，此时珠光体含量对钢的强度，特别是屈服强度影响很小，但超过此含量，随着珠光本含量每增加10%时，则强度极限会增加3kg/mm2。珠光体相对量的增加会对钢的韧性和脆性转化温度有不利的影响，为此对普通低合金钢来讲，不应当靠增加珠光体的含量（如增加含碳量）来达到强化的目的。通常是由于合金化得以降低钢的含碳量，甚至会发展到超低碳钢、无珠光体钢以满足焊接、深冲及耐低温、耐腐蚀等特殊用途。

三、热加工过程中显微组织和性能的控制

5 1、再加热条件的影响

奥氏体晶粒组织和相变条件决定了铁素体晶粒组织。对于正火的低碳合金钢，原始奥氏体晶粒尺寸主要由再加热温度、晶界钉扎弥散质点状况所决定。可采用高速加热和循环热处理方法使晶粒细化。在加工过程中奥氏体化时间及温度必须使板坯或方坯完全烧透，合金碳化物完全溶解，以及在整个加工操作过程中钢材保持在某一适当的加工温度（后一种因素在薄板、宽带材的生活中是重要的）。除了特殊的电加热之外，工业炉设计的特点是难以对板坯逐个地安排加热时间和变更温度。高的炉温有利于缩短加热周期，降低轧制负荷并使初轧阶段的咬入。但是已经发现，应用低的再加热温度对于棒材和钢板的轧制都是有利的。屈服强度的损失是弥散强化作用降低与晶粒细化增量二者相抵净的结果。原始奥氏体晶粒一定程度的细化对仅允许板坯有限压下量的厚钢板有利。降低整个板坯温度有助于达到低的终轧温度。

3、轧制过程中的晶粒细化

为了提供高密度的铁素体的成核位置，必须使奥氏晶界面积与单位体积的尽可能大。这可通过多次变形和控制晶粒长大再结晶，减小晶粒尺寸来达到。晶粒长大速率与温度密切相关，因此，或者变形必须在低温下发生，或者将静态再结晶推迟。当固溶体中存在Nb时就推迟了动态再结晶，所以Nb对晶粒细化特别有效。当Nb作为加工过程中发生细小析出物弥散存在时也抵制了静态再结晶。因此，通过控制轧制操作的目的是使大部分总压下量移到奥氏体稳定区域的温

6 度区，以形成一种细小的均匀的等轴奥氏体晶粒。如果动态再结晶受抵制，那么通过晶体的延伸就可使晶界面积进一步增加。这通常在低温轧制含铌钢板时发生。

一般在终轧温度高于900℃的带材轧制过程中，在最后一轧道之后通过急冷可使奥氏体长大减缓。图2表明了在合金添加物不阻止晶粒长大的地方，轧制和冷却之间耽搁的时间的重要性。这里列出了晶粒尺寸与将轧制后的低碳钢钢带急冷到铁素体相变温度所耽搁的时间之间的关系，以及铁素体晶粒细化的损失对屈服强度的影响。

奥氏体的变形加速了铁素体的相变，提高了铁素体开始形成的温度。

必须注意，对于主要要求初始强度低的冷成形钢板，使用碳更低的钢。对一过类产品可以慎重地确定高的终轧温度和卷板温度，以形成粗大的晶粒。

4、弥散强化及低温轧制的影响

7 如图1所示，弥散强化效应受应变诱发析出的碳化物的损害，并受相变时所发生的质点细化程度所支配。碳化钒在奥氏体中的高溶解度，使它特别适合于必须采用高终轧温度时的强化。临界冷却速率在控轧控冷的钢材组织析出系统中是十分重要的参数。临界冷却速率规定为：高于此速率时析出受抑制，低于此速率时质点就发生显著粗化。在微量合金化钢的带材轧制过程中，因为临界冷却速度控制着晶粒尺寸和析出物的形成，因而导致了强度和卷板温度间强烈的依赖关系。研究表明，在一定的铁素体晶粒尺寸和析出强化条件下所得的如下图所示，在低碳细晶粒钢中，渗碳体主要在晶界上形成，其形貌也受相变温度控制。

四、总述

发展铁素体—珠光体组织的低碳钢，要获得最高强度和韧性，需要充分利用靠精心的控制轧制而得到的铁素体晶粒细化和析出强化。利用这些方法可预计某些产品屈服强度。除了细化晶粒和析出强化所需的碳以外，不再需要更多的碳，要控制多余的碳量以防止形成有害

8 的渗碳体质点结构。这种控制的程度以及夹杂物含量对韧性和延性的影响，将决定特殊用途的低碳多边形铁素体所要求的最佳含碳量的实际水平。