耐候鋼鋼筋非調(diào)鋼

耐候鋼鋼筋非調(diào)鋼第1頁/共56頁這一期間的重要研究進(jìn)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奧氏體晶粒；微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積公式及微合金元素的溶解與微合金碳氮化物的沉淀規(guī)律；稀溶體中第二相的Osterwald熟化過程及微合金碳氮化物的粗化規(guī)律；微合金化元素對(duì)形變奧氏體再結(jié)晶行為的影響；微合金化鋼的控軋控冷技術(shù)；微合金化鋼中夾雜物對(duì)性能的影響規(guī)律和夾雜物改性控制技術(shù)；微合金化鋼中滲碳體或珠光體對(duì)性能的影響規(guī)律及低珠光體鋼和針狀鐵素體鋼的研制開發(fā)；微合金化鋼的組織--性能關(guān)系式與微合金化鋼設(shè)計(jì)。第2頁/共56頁20世紀(jì)80年代后是微合金化鋼的迅速發(fā)展時(shí)期，這一時(shí)期的主要工作有：復(fù)合微合金化原理；微合金碳氮化物的沉淀析出次序；高等級(jí)石油管線鋼的研發(fā)；微鈦處理奧氏體晶粒尺寸的原理及其普遍應(yīng)用；微合金碳氮化物在鐵素體中的固溶度積公式及其在鐵素體中沉淀析出強(qiáng)化原理；第3頁/共56頁微合金化奧氏體的形變熱處理原理及控制軋制技術(shù)，特別是控制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軋制技術(shù)的廣泛應(yīng)用；微合金化鋼連鑄連軋生產(chǎn)技術(shù)；微合金化原理的系統(tǒng)理論；鋼鐵基體組織的超細(xì)化技術(shù)與超細(xì)晶粒鋼的研發(fā)；無珠光體鋼乃至無間隙原子鋼(IFSteels)的研發(fā)，特別是在汽車用鋼方面的生產(chǎn)應(yīng)用；形變誘導(dǎo)鐵素體相變(DIFT)技術(shù)；短流程緊湊生產(chǎn)(TSCR)微合金鋼技術(shù)；高潔凈度微合金化鋼等。第4頁/共56頁國外進(jìn)展及其發(fā)展趨勢：(1)微合金化技術(shù)的應(yīng)用，以晶粒細(xì)化強(qiáng)化最為重要。晶粒細(xì)化和碳氮化物析出是微合金化鋼強(qiáng)韌化的基礎(chǔ)。鋼的組織和性能的關(guān)系以及以晶粒尺寸為主導(dǎo)的強(qiáng)度表達(dá)式，僅適于常規(guī)軋制的鐵素體－珠光體類型組織。正試圖探討涵蓋微珠光體、針狀鐵素體、超低碳貝氏體等組織類型、以碳氮化物析出等諸參數(shù)為主導(dǎo)的強(qiáng)度表達(dá)式。(2)熱機(jī)械處理(TMCP)的出發(fā)點(diǎn)在奧氏體調(diào)節(jié)，歸宿于γ→α的富化生核。由此把控制軋制歸納為高溫再結(jié)晶控軋和正常化控軋兩類。第一類控軋鋼的微合金化設(shè)計(jì)，主要基于對(duì)再結(jié)晶的延緩力和再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力的影響因素的考察，主要由形變誘導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行的第二類控軋鋼的合金設(shè)計(jì)，構(gòu)成TMCP工藝物理冶金的核心。第5頁/共56頁(3)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)工藝現(xiàn)代化對(duì)鋼的性能的影響集中體現(xiàn)在鋼的精煉、連鑄及軋后的控制冷卻，亦即鋼的潔凈化、鑄坯結(jié)構(gòu)及精細(xì)組織、最終的相變動(dòng)力學(xué)三者建立起了新的微合金化鋼強(qiáng)韌化理論。(4)復(fù)合微合金化得到了廣泛的應(yīng)用。近10年來開發(fā)了高溫塑性連鑄鋼、大線能量焊接無裂紋鋼、深沖冷成形鋼、烘烤硬化鋼、抗硫化氫應(yīng)力腐蝕鋼、無時(shí)效傾向橋梁鋼、低屈強(qiáng)比抗震鋼等一系列鋼材新品種，在鋼的性能高級(jí)化方面獲得了極大的進(jìn)步。(5)已成功開拓了鈮在低碳建筑材料中的應(yīng)用，在中碳鍛鋼和高碳線材中的應(yīng)用，以及在合金鋼和高合金鋼中的應(yīng)用。第6頁/共56頁第5章耐候鋼第7頁/共56頁耐候鋼(weatheringsteel)

又稱耐大氣腐蝕鋼(atmosphericcorrosionresistantsteel)，屬于低合金高強(qiáng)度鋼(抗拉強(qiáng)度在400MPa以上)，在大氣環(huán)境中具有良好耐腐蝕性能(是普通碳鋼的2～8倍)，還具有優(yōu)良的力學(xué)、焊接等使用性能，廣泛用于鐵路車輛、橋梁、船舶、汽車、鍋爐、建筑等。耐候鋼性能的首要要求是良好的耐大氣腐蝕性，除此之外還應(yīng)有足夠高的強(qiáng)度、塑性和韌性、良好的強(qiáng)韌性結(jié)合，同時(shí)根據(jù)使用條件及加工的差異，對(duì)其成形性、耐磨性、焊接性等都有不同的要求。第8頁/共56頁

美國耐候鋼使用較多的是Cu-P-Ni-Cr系；日本的耐候鋼屬于Mn-Cu-Cr-Ni系，有時(shí)也加入Mo、V、Nb等微量合金元素；法國以銅為主、添加Mo、V元素；瑞典和俄羅斯的耐候鋼則是以Cu-Cr-Ni系為主。我國耐候鋼有兩大主要系列：Cu-P-RE系和Cu-P-Ni-Cr系，典型鋼種如09MnCuPTi、09CuPTiRE、09CuPCrNi、09CuPVRE等。這些鋼以Cu、P為主并加入了稀土元素和V、Ti、Nb等元素。第9頁/共56頁耐候鋼的合金化

鋼鐵材料大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果表明，銅和磷對(duì)耐大氣腐蝕有顯著效果，隨后發(fā)現(xiàn)鋼中Cu、P、Ni、Cr元素適量的組合，可獲得優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能。耐候鋼中的合金元素主要有兩個(gè)作用，一是確保鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能，二是提高鋼的強(qiáng)度和韌性，滿足使用上對(duì)力學(xué)性能的要求。耐候鋼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頁/共56頁銅

銅是耐大氣腐蝕鋼中對(duì)提高耐大氣腐蝕性能最主要、最普遍使用的合金元素，在普通碳素鋼中單獨(dú)添加銅也是最早使用的耐大氣腐蝕鋼。在耐候鋼中，銅含量大致為0.2%～0.5%，通常與磷配合使用，Cu、P均能濃縮在銹層中，使其致密穩(wěn)定，并能抑制鐵銹的擴(kuò)展。鋼中銅對(duì)耐大氣腐蝕作用隨大氣環(huán)境不同而不同。對(duì)于不同的大氣環(huán)境條件，鋼中的銅量也有所不同。我國北方干燥大氣地區(qū)為0.15%～0.20%，南方潮濕大氣及中部工業(yè)大氣地區(qū)為0.30%～0.35%。

銅除了提高鋼的耐大氣腐蝕能力之外，還能略提高鋼的強(qiáng)度(因?yàn)殂~能以ε相在基底上彌散沉淀析出)。由于銅為面心立方結(jié)構(gòu)，既能降低鋼的冷脆轉(zhuǎn)折溫度，又能提高鋼的室溫和低溫韌性。但含銅鋼存在一個(gè)主要質(zhì)量問題，即熱脆。銅對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響類似碳，對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)有利，但影響加工性能和焊接性能。

第11頁/共56頁銅對(duì)高硫和低硫鋼的大氣腐蝕率的影響銅能抵消鋼中硫?qū)δ秃蛐缘挠泻ψ饔谩ｄ撝泻蛴?，銅對(duì)降低腐蝕率的相對(duì)效果就愈明顯。第12頁/共56頁磷

磷在耐候鋼中的含量在0.04%～0.15%之間，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氣腐蝕性能最有效的元素，即使單獨(dú)使用也有很好的效果，但是往往與其它合金元素，特別是與Cu、Cr等配合使用，用來提高鋼的耐大氣腐蝕性能。磷和銅同時(shí)加入鋼中，使內(nèi)銹層分帶明顯，更有利于提高鋼的耐蝕性。銅和磷的復(fù)合作用更易使銹層中形成非晶態(tài)的Fe3O4，因銅和PO43－離子共同阻止Fe3O4的結(jié)晶成長。鋼中的磷會(huì)惡化鋼的韌性，特別是劇烈降低鋼的低溫沖擊韌性。因此應(yīng)控制磷上限含量為0.12%。如果按ω(P)十ω(C)≤0.25%，仍可獲得良好的可焊性，同時(shí)采用合理的生產(chǎn)工藝，能有效地控制Cu、P元素在晶界偏聚，消除銅脆造成的板卷邊裂及磷元素對(duì)鋼韌性的有害作用。第13頁/共56頁稀土在耐候鋼中的作用可以歸納為以下幾方面：(1)在耐大氣腐蝕鋼中加入RE，使鋼的內(nèi)銹層致密，而且與基體的結(jié)合力變強(qiáng)，不易脫離，可以阻止大氣中O2和H2O的擴(kuò)散，從而降低了腐蝕速度，因此稀土主要是通過使銹層致密來增強(qiáng)與鋼基體的附著力，達(dá)到提高鋼的耐大氣腐蝕性能。(2)RE中的鈰可降低銅的活度，提高銅的溶解度，從而提高了銅在鋼中的利用率，RE加入含磷的鋼中，可使磷的宏觀偏析減少，在晶界和鐵素體界面上的偏聚減少30%，在鋼中的分布更合理。(3)凈化作用。稀土具有很強(qiáng)的脫氧、脫硫的能力以及很強(qiáng)的吸氫能力。與O、S主要生成RE2O2S，與Cu、P、Ti不形成化合物。稀土與氫在250～300℃可生成REH2，鋼中在300℃左右，析出的H2被RE吸收，減少游離氫。第14頁/共56頁(4)夾雜物球化變性作用。稀土能有效地使細(xì)條狀的MnS變?yōu)榍驙罨蚪咏驙畹南⊥亮蚧锘蛄蜓趸?，?dāng)ω([RE])>0.005%時(shí)，硫化物夾雜能得到一定控制；當(dāng)ω([RE])>0.014%時(shí)，可得到近似球形的稀土夾雜。(5)稀土能抑制樹枝晶的發(fā)展，減少硫偏析，減輕硫?qū)αW(xué)性能和耐大氣腐蝕性能的影響。(6)固溶強(qiáng)化和細(xì)化晶粒作用。由于稀土原子半徑比鐵大，所以微量固溶的稀土有固溶強(qiáng)化作用。除此之外，RE對(duì)細(xì)化晶粒也具有一定的作用。(7)改善橫向韌性和冷彎性能。稀土加入后，細(xì)條狀MnS減少，高熔點(diǎn)、呈球狀、與鋼基體接觸緊的RE202S及RES增多，因而阻止破裂能力大；稀土夾雜物不易形變，在軋制過程中形狀與分布改變少，降低各向異性，使鋼的橫向韌性提高，冷彎性能改善。第15頁/共56頁硅、錳、硫硅以固溶形式存在于鋼中。硅可以提高鋼的強(qiáng)度、疲勞極限、耐腐蝕性和耐磨性，對(duì)于低強(qiáng)度級(jí)別(295MPa)的耐大氣腐蝕鋼，硅含量與普碳鋼相同，以減少焊接時(shí)的飛濺。對(duì)于高強(qiáng)度級(jí)別(345MPa)的耐大氣腐蝕鋼，硅的含量應(yīng)略高，但不應(yīng)作為提高強(qiáng)度的主要元素。錳以固溶態(tài)存在于鋼中，起強(qiáng)化作用，可提高鐵素體的強(qiáng)度。低碳鋼中的錳對(duì)提高強(qiáng)度有明顯作用，因此把錳作為09CuPTiRE-A鋼達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度級(jí)別的主要元素。但錳與硫易形成MnS塑性夾雜物，在熱軋時(shí)沿軋制方向拉長，惡化鋼的成形性能。另外，錳過高會(huì)使焊接性能顯著變壞，所以在考慮09CuPTiRE.-A鋼的內(nèi)控成分時(shí)將錳含量控制在0.25%～0.45%之間，并利用微合金化和控軋控冷來滿足不同強(qiáng)度級(jí)別要求，同時(shí)采用鈣質(zhì)處理，對(duì)MnS進(jìn)行變質(zhì)處理消除MnS的危害。硫是耐候鋼中的最主要有害元素，其危害在于影響鋼的成形性、導(dǎo)致帶鋼力學(xué)性能的各向異性以及對(duì)耐候性的有害作用。第16頁/共56頁微合金化元素微合金化元素Ti、Nb、V加人鋼中形成極細(xì)的第二相質(zhì)點(diǎn)，阻礙奧氏體晶粒長大。其細(xì)化晶粒的程度，與軋制、熱處理過程中這些細(xì)質(zhì)點(diǎn)阻礙晶粒長大的效果有關(guān)。隨著第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量增加、粒晶變小，晶粒細(xì)化程度愈大、強(qiáng)度提高，韌性、冷彎性改善。鈦的化合物除了能細(xì)化晶粒、起沉淀硬化作用外，還能降低鋼中氧含量、固定氮，顯著降低鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。鈦等微合金化元素通過細(xì)化晶粒，改善韌性，有效地消除磷對(duì)鋼的低溫沖擊韌性的惡化。鈮在耐候鋼中，同樣阻止晶粒長大，細(xì)化晶粒，提高再結(jié)晶溫度，通過控軋控冷工藝，提高耐候鋼的強(qiáng)度。也可以采用復(fù)合微合金化，如Ti-Nb復(fù)合微合金化，產(chǎn)生更大的強(qiáng)化作用。第17頁/共56頁耐候鋼的微觀組織和性能

耐候鋼研究的重點(diǎn)之一就是通過不斷發(fā)展的微合金化和控軋控冷技術(shù)提高其強(qiáng)度等級(jí)。鈮微合金化耐候鋼

09CuPTiRE鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能。然而，在傳統(tǒng)的以固溶強(qiáng)化為主要強(qiáng)化機(jī)制的理論指導(dǎo)下，該鋼的屈服強(qiáng)度僅達(dá)到345MPa級(jí)。利用形變誘導(dǎo)鐵素體相變超細(xì)組織控制技術(shù)，通過對(duì)09CuPTiRE鋼進(jìn)行鈮微合金化并進(jìn)行控制軋制和冷卻，成功開發(fā)了450MPa級(jí)超細(xì)組織耐大氣腐蝕鋼。鈮十分有利于形變誘導(dǎo)鐵素體相變，在相同的軋制和冷卻工藝條件下，09CuPTiRE鋼的晶粒尺寸約10μm，而加入微量鈮后，鋼板的鐵素體晶粒尺寸可細(xì)化至3μm，實(shí)現(xiàn)了組織的超細(xì)化控制。Nb、Ti微合金化耐候鋼

在09CuPCrNi實(shí)際成分控制的基礎(chǔ)上，分別采取Nb+Ti微合金化、超純凈化+(Nb+Ti)微合金化、超純凈化+(Nb+Ti)微合金化+控制N、O化物冶金處理等工藝方法，可使高耐候鋼組織得到顯著細(xì)化，獲得良好的強(qiáng)韌性匹配。在強(qiáng)度指標(biāo)滿足高等級(jí)要求的同時(shí)，也保證了材料良好的韌性、高的耐大氣腐蝕性能以及良好的焊接性能。第18頁/共56頁第6章建筑用鋼筋第19頁/共56頁建筑用結(jié)構(gòu)鋼

對(duì)建筑用熱軋帶肋鋼筋除了最基本的強(qiáng)度、塑性、焊接性能等要求提高之外，還要求良好的低溫性能、抗震性能等。第20頁/共56頁建筑鋼筋的微合金化

HRB335鋼采用原20MnSi牌號(hào)成分生產(chǎn)，不需要微合金化和控軋控冷即可完全滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求。在HRB400鋼的生產(chǎn)中，主要微合金化方案有4種，分別是V、V-N、Nb和Ti微合金化。從微合金化效果、經(jīng)濟(jì)性、工藝可靠性等方面綜合考慮，企業(yè)采用較多的微合金化方案大致順序?yàn)椋篤-N、V、Nb、Ti。對(duì)于高于HRB400強(qiáng)度級(jí)別的鋼筋，則還可能采用復(fù)合微合金化方案。第21頁/共56頁

V-N、V微合金化

轉(zhuǎn)爐冶煉鋼種的氮含量為40～60ppm，采用釩微合金化(加入釩鐵合金)時(shí)，釩與鋼中的氮、碳發(fā)生反應(yīng)，生成V(C,N)，通過細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀析出強(qiáng)化提高HRB400的強(qiáng)度，改善了鋼的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)消耗鋼中的碳，導(dǎo)致固溶碳量和形成珠光體的碳量下降，降低碳的固溶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化效果。采用釩－氮微合金化(加入釩氮合金)時(shí)，鋼中氮量增加，釩的化合物V(C,N)中VN比例增加，VN析出量增大，析出顆粒尺寸更細(xì)小，析出強(qiáng)化作用和細(xì)晶強(qiáng)化作用更顯著，因此強(qiáng)度和塑韌性都顯著改善。加氮后，V(C,N)消耗的碳下降，增加了碳的固溶和相變的強(qiáng)化效果。在提高強(qiáng)度幅度相當(dāng)?shù)那闆r下所需要的釩量，以釩氮合金加入時(shí)比以釩鐵合金加入時(shí)要少得多，可以大幅節(jié)約生產(chǎn)成本。第22頁/共56頁

鋼中增氮顯著提高了屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。釩鋼的屈服強(qiáng)度為440MPa，抗拉強(qiáng)度為590MPa；而釩一氮鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到560MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到725MPa，鋼中增加約100ppm的氮，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高120MPa和135MPa。

氮能增加明顯細(xì)化鋼的鐵素體晶粒。釩鋼的鐵素體平均晶粒尺寸相對(duì)較大，為7.16μm，珠光體含量為34.46%；而釩一氮鋼晶粒尺寸較小，約為5.8μm，珠光體含量為43.39%。

氮提高了釩在鋼中的利用率，增加了釩的沉淀強(qiáng)化效果，從而提高了鋼的強(qiáng)度。釩鋼中V(C,N)的析出量約為0.05%，而釩一氮鋼中V(C,N)的析出量超過0.10%，比釩鋼高出一倍。第23頁/共56頁

氮在鋼中不僅增加細(xì)小析出物的數(shù)量，而且細(xì)化析出相尺寸。釩鋼的平均析出粒子尺寸為107nm，而釩一氮鋼僅為73.7nm。釩－氮鋼中1～10nm的粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)32.2%，而釩鋼僅為21.1%。釩鐵合金化鋼種，鋼中[V]每增加0.01%可提高12.MPa的屈服強(qiáng)度和9.5MPa的抗拉強(qiáng)度，而V-N微合金化鋼中[V]每增加0.01%則增加20MPa的屈服強(qiáng)度和16.3MPa的抗拉強(qiáng)度。

20MnSi鋼的熱軋組織晶粒度一般在7～8級(jí)左右，組織為鐵素體+珠光體+少量的魏氏組織。V-Fe微合金化HRB400的晶粒度達(dá)到8～9級(jí)，組織為鐵素體+珠光體+極少量的魏氏組織。V-N微合金化HRB400的晶粒度達(dá)到8～10級(jí)，大部分規(guī)格的鋼筋晶粒度在8.5～9.5級(jí)，小于φ10mm的小規(guī)格鋼筋的晶粒度達(dá)到10級(jí)，組織為鐵素體+珠光體+少量的魏氏組織。第24頁/共56頁鈮微合金化

鈮對(duì)鋼筋的強(qiáng)化通過3個(gè)階段的作用實(shí)現(xiàn)。在鋼水凝固期，先期析出的NbC、Nb(CN)微小彌散質(zhì)點(diǎn)，有利于形成較細(xì)小的等軸鑄造組織，并在加熱過程中抑制奧氏體晶粒長大；在奧氏體區(qū)熱形變過程中，Nb(CN)通過釘扎機(jī)制細(xì)化奧氏體晶粒，并進(jìn)而細(xì)化鐵素體晶粒；在相變鐵素體中析出的Nb(CN)，極為細(xì)小(約1～2nm)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化。鈮微合金化生產(chǎn)HRB400鋼筋中鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.026%～0.034%，鈮合金的收得率達(dá)到92%，鋼坯均熱溫度1180～1230℃、開軋溫度1110～1180℃、終軋溫度980～1050℃，軋后采用空冷冷卻方式。鋼筋顯微組織為鐵素體+珠光體+貝氏體；晶粒度級(jí)別：φ20mm鋼筋為9.0--9.5級(jí)，φ25mm鋼筋為11級(jí)；σs：415～465MPa、σb=570～670MPa；塑性、焊接性能良好。第25頁/共56頁復(fù)合微合金化

對(duì)于比HRB400強(qiáng)度等級(jí)高的建筑鋼筋，如HRB500、BS460等，可以采用復(fù)合微合金化的方法提高強(qiáng)度。在生產(chǎn)此類鋼時(shí)，增加微合金含量，進(jìn)一步加強(qiáng)析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化效果。高強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋組織主要是鐵素體+珠光體，有時(shí)在軋后空冷下，也形成部分粒狀貝氏體，發(fā)揮粒狀貝氏體組織的強(qiáng)化作用。由于粒狀貝氏體具有良好的強(qiáng)韌性，在提高鋼筋強(qiáng)度的同時(shí)，少量的粒狀貝氏體對(duì)塑韌性沒有明顯的影響，也能保證鋼筋焊接后的力學(xué)性能。在生產(chǎn)高強(qiáng)度等級(jí)建筑鋼筋時(shí)，采用V-N及V-Nb的微合金化方案比較多。第26頁/共56頁建筑鋼筋的生產(chǎn)

對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)建筑鋼筋，提高強(qiáng)度的關(guān)鍵因素是合理的微合金化及軋制工藝。軋制工藝參數(shù)中，均熱溫度對(duì)微合金化元素的溶解及奧氏體原始尺寸有影響，軋制溫度影響奧氏體的再結(jié)晶和晶粒長大、析出物的尺寸、分布，終軋溫度對(duì)晶粒細(xì)化也有影響。但在實(shí)際生產(chǎn)中，在連續(xù)軋制過程中，鋼溫下降有限，甚至可能是升溫軋制。因此應(yīng)平衡考慮軋制溫度。軋后冷卻速度對(duì)鋼筋組織和性能的影響顯著，隨著冷卻速度升高，強(qiáng)度上升。一般情況下，鋼筋熱軋后的冷卻采用空冷或者風(fēng)冷方式，不宜采用大強(qiáng)度的穿水冷卻等方式進(jìn)行軋后冷卻。第27頁/共56頁第7章微合金化非調(diào)質(zhì)鋼

第28頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼（non-quenchedandtemperedsteel)

指在制造和應(yīng)用過程中，通過采用微合金化、控制軋制(鍛造)和控制冷卻等強(qiáng)韌化方法，取消調(diào)質(zhì)熱處理，能夠達(dá)到或接近調(diào)質(zhì)鋼性能的優(yōu)質(zhì)或特殊質(zhì)量鋼。非調(diào)質(zhì)鋼的種類：鐵素體+珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼（鐵素體+貝氏體）型非調(diào)質(zhì)鋼貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼（貝氏體+馬氏體）型非調(diào)質(zhì)鋼馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼非調(diào)質(zhì)鋼主要特點(diǎn)在于：節(jié)能、省略熱處理、生產(chǎn)周期短、硬度分布均勻、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度與同等級(jí)的調(diào)質(zhì)鋼相當(dāng)、沒有調(diào)質(zhì)處理過程中的彎曲形變和淬裂廢品等第29頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼的微合金化合金元素的基本作用

錳、鉻、鉬等合金元素，它們的作用除與在普通合金鋼中相同的作用之外，還通過降低相變溫度來細(xì)化晶粒，并細(xì)化相變過程中或相變后析出的微合金碳氮化物；這些元素都具有固溶強(qiáng)化作用，提高非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度。硅能促進(jìn)鐵素體形成，并有一定的細(xì)化晶粒的作用，能改善鐵素體一珠光體的韌性；錳、鉻、鉬等能降低相變溫度、細(xì)化鐵素體晶粒、減小珠光體片間距，并細(xì)化相變過程中或相變后析出的微合金碳氮化合物，使韌性有所增加。錳、鉬能有效地推遲高溫珠光體轉(zhuǎn)變，促進(jìn)貝氏體形成；對(duì)于碳含量較低、錳和硅含量較高的鐵素體一珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼，可以通過加入少量鉬獲得針狀鐵素體(一種鐵素體呈板條狀的類貝氏體)的方法改善韌性。第30頁/共56頁微合金元素釩、鈦、鈮在非調(diào)質(zhì)鋼中的作用：

奧氏體中未溶解的微合金碳氮化物質(zhì)點(diǎn)釘扎晶界，阻止奧氏體晶粒長大；通過應(yīng)變誘導(dǎo)析出的微合金碳氮化物沉淀在晶界和位錯(cuò)上，起釘扎作用，阻止再結(jié)晶和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，抑制或阻止回復(fù)、再結(jié)晶過程的進(jìn)行；微合金元素的碳氮化物起沉淀強(qiáng)化作用；釩、鈦、鈮等強(qiáng)碳化物形成元素能固定鋼中的一部分碳而導(dǎo)致碳含量的變化，鋼的組織、形態(tài)及分布也將受到影響；固溶于鋼中的微合金化元素提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低轉(zhuǎn)變的溫度，改變鋼的顯微組織，從而對(duì)鋼的性能產(chǎn)生顯著影響。在細(xì)化晶粒上，復(fù)合微合金化比單獨(dú)添加微合金化元素的效果更顯著。第31頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼中的釩

VC在奧氏體區(qū)不能析出，呈完全溶解態(tài)。釩微合金化鋼不能實(shí)行非再結(jié)晶控軋，釩可形成VN，細(xì)化奧氏體γ→α相變后的鐵素體、珠光體組織。在低碳鋼中，形成釩的氮化物的最佳溫度為900℃，作為再結(jié)晶控軋空間很小。當(dāng)V/N比達(dá)到理想化學(xué)配比(V/N=3.64)時(shí)，釩能最大程度地析出，增強(qiáng)沉淀強(qiáng)化效果。偏離此配比越大，固溶含量越高。

VN大量沉淀會(huì)使韌性損失，采用Nb-V-Ti復(fù)合微合金化較合適。第32頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼中的鈦

鈦是很強(qiáng)的氮化物、碳化物形成元素，鈦的氮化物在接近凝固前或凝固過程中形成。鈦、氮含量越低，形成TiN的溫度越低，顆粒尺寸越小，而且均勻彌散分布，可以成為液態(tài)結(jié)晶核細(xì)化原始晶粒，還可以阻止再加熱時(shí)晶粒長大。鈦含量足夠多時(shí)，還可在奧氏體區(qū)內(nèi)形成TiC，對(duì)形變奧氏體再結(jié)晶起“釘扎”作用。第33頁/共56頁非調(diào)質(zhì)鋼中的鈮

鈮的碳氮化物在軋鋼時(shí)可以“釘扎”晶界，阻止晶粒長大。固溶鈮由于其原子半徑比鐵大得多，在晶界富集濃度可達(dá)到1.0%以上(原子比)，而晶內(nèi)較低，使鈮具有強(qiáng)烈的“拖拽”晶界移動(dòng)的能力。這兩種作用讓鈮具有阻止晶粒長大的最佳效果，使鋼在1100～900℃之間的熱加工的道次之間，不發(fā)生再結(jié)晶，可以累加形變量，奧氏體晶粒達(dá)到高形變延伸而成薄“鐵餅”狀，在γ→α轉(zhuǎn)變時(shí)為α形核提供大量晶界面。相變后的鐵素體細(xì)化程度決定于γ晶粒的非再結(jié)晶形變度，Nb(C,N)的“釘扎”作用和鈮原子的“拖拽”作用，使控軋控冷效果最佳。

Nb(C,N)顆粒尺寸越細(xì)，強(qiáng)度增量越大。固溶鈮是析出Nb(C,N)的組分，由終軋溫度控制，鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的鈮鋼，在終軋溫度1000℃以上時(shí)，均有一部分鈮固溶，可供相變或相變后析出產(chǎn)生進(jìn)一步強(qiáng)化。超低碳的鈮鋼在終軋溫度下有大量固溶抑制γ→α相變，抑制二次(先共析)鐵素體析出，可以發(fā)生γ→B轉(zhuǎn)變。第34頁/共56頁硼在非調(diào)質(zhì)鋼中的作用

主要是增大貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的范圍，在軋制緩冷的條件下，這類非調(diào)質(zhì)鋼常常表現(xiàn)出非常好的強(qiáng)韌性。非調(diào)質(zhì)鋼中的鋁

鋁的氮化物和V、Ti、Nb的氮化物有相似的影響，但析出條件和產(chǎn)生的效果與其它元素相比存在一定差異。

AIN具有沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，但由于A1N在低溫下的過飽和鐵素體中形核較困難，因此其沉淀強(qiáng)化作用沒有細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)顯著。非調(diào)鋼中的稀土

稀土元素在鋼中的作用除凈化鋼水(如降低硫含量)、改變鋼中殘留夾雜物(如硫化錳)形態(tài)、脫氫等作用；稀土在鋼中晶界的偏聚能抑制硫、磷等低熔點(diǎn)夾雜在晶界的偏析，并能與這些夾雜形成高熔點(diǎn)的化合物，消除低熔點(diǎn)夾雜的有害影響，凈化和強(qiáng)化晶界，阻礙晶間裂紋的形成和擴(kuò)展；鋼中細(xì)小彌散的稀土氧化物（如CeO2或者Ce203)，可以作為結(jié)晶核心而細(xì)化鑄態(tài)晶粒，還可以提高晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度等。第35頁/共56頁鐵素體－珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼

應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件的熱鍛F+P型非調(diào)質(zhì)鋼，因強(qiáng)度高、價(jià)格便宜，得到了最廣泛的應(yīng)用，常用來代替部分40、40Cr、40MnB、45、50等結(jié)構(gòu)鋼，使用最多的汽車零件是曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪載等。德國汽車行業(yè)中曲軸、連桿、前軸、半軸等鍛件70%以上采用非調(diào)質(zhì)鋼制造；日本目前汽車制造業(yè)中75%的連桿、90%的曲軸采用了非調(diào)質(zhì)鋼；瑞典Volvo汽車制造廠每年約耗25000多噸非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車零件。早期的非調(diào)質(zhì)鋼大多用釩(僅巴西用鈮)微合金化，制品從鍛造溫度直接在空氣中冷卻，通過析出碳化釩來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。鋼的組織為鐵素體－珠光體，抗拉強(qiáng)度大于770MPa，屈服強(qiáng)度大于540MPa，而室溫夏比V缺口韌性為7～14J，脆性轉(zhuǎn)變溫度在室溫以上。第36頁/共56頁鐵素體－珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼提高強(qiáng)度和韌性的主要技術(shù)手段晶粒細(xì)化法

對(duì)于熱鍛狀態(tài)下使用的鐵素體－珠光體型鋼，晶粒細(xì)化的最有效方法是在加熱時(shí)防止奧氏體晶粒粗化。為此，在進(jìn)行熱鍛或者熱軋之前的加熱時(shí)，為防止晶粒粗化，在鋼中添加鋁和鈦等元素，通過析出AlN和TiN來釘扎γ晶界是非常有效的措施。經(jīng)微鈦處理的各種強(qiáng)度水平的非調(diào)質(zhì)鋼，沖擊韌性的韌脆轉(zhuǎn)變溫度平均下降40℃以上。另外還發(fā)現(xiàn)連鑄非調(diào)質(zhì)鋼采取微鈦處理，能更加有效地提高韌性。這是因?yàn)檫B鑄坯中析出的TiN顆粒更細(xì)小，阻礙奧氏體晶粒長大的效果更顯著。溫鍛非調(diào)質(zhì)鋼(化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：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溫度終鍛加工后具有微細(xì)的鐵素體－珠光體組織，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)800MPa，沖擊值達(dá)90J／cm2，伸長率在20%以上，強(qiáng)度、韌性和塑性比常規(guī)工藝生產(chǎn)時(shí)顯著提高。第37頁/共56頁促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體(IGF)形成的技術(shù)

非調(diào)質(zhì)鋼鍛件在冷卻過程中發(fā)生相變時(shí)，如果沿珠光體晶粒形成網(wǎng)狀鐵素體就會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鋼的韌性。晶內(nèi)鐵素體形成的主要原理是：首先控制氧化物夾雜，然后控制硫化物夾雜及碳氮化物的析出，以促進(jìn)IGF在奧氏體晶內(nèi)的形核和長大，從而增加鐵素體的體積分?jǐn)?shù)，并明顯細(xì)化鐵素體晶粒。通過控制冶金工藝，在奧氏體晶內(nèi)提供大量鐵素體形核位置，在相變時(shí)鐵素體不僅在晶界上形核，也能在奧氏體晶內(nèi)形成，分割?yuàn)W氏體晶粒，形成細(xì)小且均勻的等軸鐵素體。鋼中彌散分布的細(xì)小MnS顆粒是良好的IGF形核位置，同時(shí)在MnS周圍形成的貧錳區(qū)因淬透性降低也能起到促進(jìn)鐵素體形成的作用，能顯著改善韌性。第38頁/共56頁

要獲得IGF，終脫氧前鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要控制在(30～40ppm)，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.06%左右，形成MnS夾雜，促進(jìn)IGF的析出。同時(shí)鋼中要有一定的釩(質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.12%)和氮(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.02%)，VC、VN是IGF的形核核心。強(qiáng)脫氧元素(鋁)的氧化物A12O3，決定弱脫氧元素的氧化物MnO、FeO等，通過脫氧程度最佳化，可使大多數(shù)細(xì)小的MnS顆粒彌散分布，VN以MnS夾雜顆粒為形核核心，促進(jìn)IGF的形成。當(dāng)鋼中Al(sol)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.01%～0.03%時(shí)，形成的MnS顆粒直徑最細(xì)小，數(shù)量最多。因此在冶煉過程中要調(diào)整鋼中Al(sol)含量在此范圍內(nèi)，以獲得最理想的形核核心。第39頁/共56頁MnS+V(C,N)與晶內(nèi)鐵素體第40頁/共56頁油井管用V-Ti-N非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分：Fe–0.35C–0.28Si–1.56Mn–0.14Cr–0.13Cu–0.11V–0.017Ti–0.011N.熱加工工藝示意圖600℃900℃第41頁/共56頁第42頁/共56頁管坯穿管后冷卻到600℃900℃再加熱最終產(chǎn)品最終產(chǎn)品整個(gè)工藝過程中MC碳化物的溶解-析出行為第43頁/共56頁貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼

貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼一般碳含量低、韌性好、強(qiáng)度高，尤其是在韌性上顯著高于其它碳氮化物強(qiáng)化的微合金非調(diào)質(zhì)鋼，而在強(qiáng)度上遠(yuǎn)高于鐵素體一珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼，能很好地用于各類較大強(qiáng)度載荷及高耐疲勞的結(jié)構(gòu)件上，如軸、連桿、油井抽油桿等。在中碳鋼基礎(chǔ)上降碳、添加擴(kuò)大貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域的元素(如B、Mo、Cr、Mn等)、用微合金化元素細(xì)化晶粒，再通過控冷得到的貝氏體組織非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度可達(dá)1200MPa，低碳貝氏體鋼的強(qiáng)韌性超過IGF鋼。第44頁/共56頁影響貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度的主要因素：

(1)貝氏體鐵素體尺寸。條束就相當(dāng)于控制強(qiáng)度的“有效晶粒”，條束尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響也遵循Hall-Petch關(guān)系。對(duì)于條束狀貝氏體，條束對(duì)斷裂的阻礙作用是主要的，奧氏體晶粒對(duì)強(qiáng)化也起作用，但處于次要地位。

(2)微合金化合物的沉淀析出。對(duì)于粒狀貝氏體，其鐵素體基體上分布的M/A島等第二相組織的分布、尺寸和數(shù)量，對(duì)鐵素體基體的強(qiáng)度也有同樣的影響。

(3)貝氏體鐵素體內(nèi)的位錯(cuò)和亞晶。鐵素體內(nèi)的位錯(cuò)可能與協(xié)作切變相變和碳化物沉淀有關(guān)，位錯(cuò)密度很高時(shí)會(huì)形成亞晶界。位錯(cuò)密度越高及亞晶尺寸越小，貝氏體的強(qiáng)度也越高。

(4)固溶強(qiáng)化。其中間隙固溶強(qiáng)化以碳原子在鐵素體中的固溶強(qiáng)化為主，因氮原子與微合金化元素的結(jié)合力較強(qiáng)，一般很少以固溶形式存在。碳原子固溶數(shù)目也很有限，其強(qiáng)化作用實(shí)質(zhì)上是氣團(tuán)與位錯(cuò)交互作用的結(jié)果。Mn、Si、Cr等的置換固溶也起到強(qiáng)化作用。第45頁/共56頁低碳含釩、鈦等貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼

第46頁/共56頁含硼低碳貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼第47頁/共56頁低碳復(fù)合微合金化高強(qiáng)韌貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼

第48頁/共56頁FT15鋼的CCT曲線第49頁/共56頁貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼20CrMnMoV的光學(xué)顯微組織(a)未回火,(b)350℃回火,(c)450℃回火，(d)600℃回火.第50頁/共56頁強(qiáng)度隨回火溫度變化的曲線殘余奧氏體含量隨回火溫度變化曲線第51頁/共56頁貝氏體鐵素體板條,原奧氏體晶界上