超低碳貝氏體鋼的成分及冶煉工藝設(shè)計(jì)

1、超低碳貝氏體鋼的成分及冶煉工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 院（系）： 年級專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二一年六月摘 要ULCB鋼具有良好的性能，在我國的應(yīng)用前景廣闊，因此除了對現(xiàn)有的ULCB鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行完善與優(yōu)化外，還應(yīng)不斷開發(fā)ULCB鋼新品種，擴(kuò)大ULCB鋼的應(yīng)用范圍。本文以Mn-Mo-Nb-B等合金元素為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型超低碳貝氏體鋼的成分及冶煉工藝。本文比較系統(tǒng)的闡述了貝氏體鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制，為鋼的成分設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在合金成分設(shè)計(jì)上大幅減少了鋼中碳的含量，除加入所設(shè)計(jì)的一定量的Mn、Mo、B等元素外，還加入一定量的Nb、V、Ti、Cu等微合金化元素。因此，鋼的強(qiáng)度不再主要依賴碳的含量，

2、而是以貝氏體基體組織中的位錯強(qiáng)化、細(xì)晶化強(qiáng)化及V、Nb、Ti微合金元素的析出強(qiáng)化和-Cu沉淀強(qiáng)化為主，從而使該類鋼強(qiáng)韌性匹配極佳。超低碳貝氏體鋼由于碳含量較低，冶煉主要是要控制碳含量、合金成分。因此設(shè)計(jì)中在復(fù)合轉(zhuǎn)爐煉鋼后，采用LF爐進(jìn)行爐外精煉，然后再進(jìn)行VOD爐真空精煉，進(jìn)一步進(jìn)行吹氧脫碳，合金成分微調(diào)，使其滿足設(shè)計(jì)要求。澆鑄時采用連鑄工藝，為了保證鋼液成分、防止鋼液“二次氧化”，連鑄過程采用全程保護(hù)澆鑄。通過上述設(shè)計(jì)可以預(yù)測該產(chǎn)品具有高的強(qiáng)度、良好的韌性和低溫焊接性能。關(guān)鍵詞 超低碳貝氏體鋼，強(qiáng)韌化機(jī)制，成分設(shè)計(jì)，冶煉工藝設(shè)計(jì)ABSTRACTULCB steel is widely use

3、d because of its good performance in our country. New varieties of ULCB Steel should be developed and expanded for the scope of application besides keep the existing ULCB steel perfected and optimized to its production engineering. In this article, the composition and metallurgical process of a new

4、type of low carbon steel was designed on the base of many alloys such as manganese, molybdenum, niobium and boron.The mechanism of strengthening-toughening of ULCB steel was introduced systematically in this article, which provided theory evidence for the composition of the ULCB steel to be designed

5、. The carbon content in ULCB steel was significantly reduced for the design of the composition, not only a certain amount of Mn, Mo, B and other elements was added, but also some micro-alloying elements including Nb, V, Ti, Cu. Therefore, the strength of steel is no longer dependent mainly on carbon

6、 content, but in bainitic matrix in the dislocation strengthening, strengthening and fine grain of V, Nb, Ti microalloying elements in the precipitates and the -Cu precipitation hardening for the Lord, which making such an excellent match of strength and toughness of steel.Because of low content of

7、carbon in ULCB steel, the content of carbon and the composition of alloys was controlled mostly by smelt. So, After the composite converter steelmaking, Then LF refining furnace and VOD refining, Aim is to oxygen blowing decarburization, fine-tuning of alloy composition. To ensure the steel composit

8、ion and prevent the second oxidation of the molten steel, Casting with full protection. The final product has high strength, good toughness and low temperature welding performance.Keywords： ULCB steel，Toughening mechanism，Composition design，Smelting process design目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 超低碳貝氏體鋼的發(fā)展

9、概述11.2 鋼鐵材料的強(qiáng)化21.2.1 細(xì)晶強(qiáng)化31.2.2 位錯強(qiáng)化31.2.3 晶界強(qiáng)化41.2.4 固溶強(qiáng)化41.2.5 沉淀與彌散強(qiáng)化51.2.6 形變強(qiáng)化51.2.7 相變強(qiáng)化51.3 超低碳貝氏體鋼的冶煉概述61.3.1 鐵水預(yù)處理61.3.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼71.3.3 爐外精煉71.3.4 真空精煉81.4 本課題的研究內(nèi)容82 超低碳貝氏體鋼的成分設(shè)計(jì)102.1 超低碳貝氏體鋼成分設(shè)計(jì)思想102.2 超低碳貝氏體鋼的合金化特點(diǎn)102.2.1 常規(guī)合金元素102.2.2 微合金化元素112.2.3 超低碳貝氏體鋼合金化機(jī)制122.3 鋼的成分設(shè)計(jì)152.3.1 常規(guī)合金元素成分設(shè)計(jì)

10、152.3.2 微合金元素成分設(shè)計(jì)183 超低碳貝氏體鋼的冶煉工藝設(shè)計(jì)203.1 冶煉工藝路線203.2 配料的計(jì)算203.3 合金元素添加順序和燒損213.4 冶煉設(shè)備及參數(shù)223.4.1 鐵水預(yù)處理站主要設(shè)備及參數(shù)223.4.2 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐設(shè)備及參數(shù)223.4.3 LF精煉設(shè)備243.4.4 VOD真空精煉設(shè)備及參數(shù)253.5 冶煉過程263.5.1 鐵水預(yù)處理過程263.5.2 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉過程263.5.3 LF精煉爐冶煉過程273.5.4 VOD真空爐冶煉過程273.6 澆注過程283.7 最終產(chǎn)品要求28結(jié) 論29參 考 文 獻(xiàn)30致 謝321 緒論1.1 超低碳貝氏體鋼的發(fā)

11、展概述超低碳貝氏體鋼是指大幅度地減少鋼中的碳含量(一般0.05wt)，徹底消除碳對貝氏體鋼韌性的損傷，得到極細(xì)的含有高密度位錯的貝氏體基體組織的鋼。此類鋼的特點(diǎn)是鋼的碳含量極低，鋼的強(qiáng)度不再依賴碳的含量，而是主要依靠鋼中所添加的合金元素的晶粒強(qiáng)化，位錯強(qiáng)化，以及V、Nb、Ti等微合金元素的析出強(qiáng)化，從而使鋼表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高韌性，以及優(yōu)良的野外焊接性能和抗氫致開裂能力。國外學(xué)者根據(jù)貝氏體相變理論對貝氏體鋼進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)了不同成分的鋼種和生產(chǎn)工藝，形成了不同系列的貝氏體鋼，大大推動了貝氏體鋼的發(fā)展及其應(yīng)用。20世紀(jì)50年代，英國人Pickering等發(fā)明了Mo-B系空冷貝氏體鋼。Mo與B的

12、結(jié)合可以使鋼在相當(dāng)寬的連續(xù)冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。由于生產(chǎn)成本較高，因此該鋼種的發(fā)展受到一定限制。日本東京鋼公司研制了低碳含V貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，該鋼鍛后空冷得到以貝氏體為主及少量鐵素體和珠光體的顯微組織，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到8001000MPa，室溫沖擊韌性為50Jcm2，而40沖擊韌性仍高達(dá)40 Jcm2。日本新日鐵公司在貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的研究開發(fā)中多添加微合金化元素，這類鋼在很寬的冷卻速度范圍內(nèi)都可獲得貝氏體組織，并可獲得更好的低溫性能，適合于強(qiáng)度高、韌性好的汽車行走系部件。美國聯(lián)邦鐵路管理局與Tuskegee大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的低碳貝氏體鋼鋼軌，其極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率分別為1500MPa、1

13、100MPa和13，比相同條件下的珠光體鋼性能要高，且具有良好的斷裂韌性。低碳微合金化控軋控冷貝氏體鋼的成功研制，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了超低碳的控軋控冷貝氏體鋼。波蘭學(xué)者研究了在熱軋、淬火及回火加工條件下超低碳貝氏體鋼的微觀組織與力學(xué)性能，研究表明，可以獲得屈服強(qiáng)度大于650MPa、低溫沖擊性能為200J(213K)的應(yīng)用于造船、海上石油鉆采平臺、壓力容器及高性能結(jié)構(gòu)部件的超低碳貝氏體鋼板。近代工業(yè)發(fā)展對熱軋非調(diào)質(zhì)鋼板的性能要求越來越高，除了具有高強(qiáng)度外，還要具有良好的韌性、焊接性能及低的冷脆性。目前世界上許多國家都利用超低碳的控軋控冷貝氏體鋼生產(chǎn)高寒地區(qū)使用的輸油、輸氣管道用鋼板。國內(nèi)貝氏體鋼的

14、發(fā)展相對于國外較晚，目前清華大學(xué)方鴻生等在研究中發(fā)現(xiàn)，Mn在一定含量時，可使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線上存在明顯的上、下C曲線分離，發(fā)明了Mn-B系空冷貝氏體鋼。他突破了空冷貝氏體鋼必須加入Mo、W的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn-B系列貝氏體鋼。西北工業(yè)大學(xué)康沫狂等通過多年的研究提出了由貝氏體鐵素體(即低碳馬氏體)和殘余奧氏體組成的準(zhǔn)(非典型或無碳化物)貝氏體，并成功研制了系列準(zhǔn)貝氏體鋼，與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，新型準(zhǔn)貝氏體鋼具有更好的強(qiáng)韌性配合，其力學(xué)性能超過了典型貝氏體鋼、調(diào)質(zhì)鋼和超高強(qiáng)度鋼。山東工業(yè)大學(xué)李風(fēng)照等根據(jù)貝氏體相變原理，通過合理控制成分和優(yōu)化冷卻制度，并運(yùn)用細(xì)晶強(qiáng)化

15、、彌散強(qiáng)化等主要強(qiáng)韌化機(jī)制及其迭加效應(yīng)，采用微合金變質(zhì)處理，開發(fā)了隱晶或細(xì)針狀貝氏體的高品質(zhì)貝氏體或高級貝氏體鋼。我國低碳貝氏體鋼的控軋控冷研究和應(yīng)用也相對較晚，武鋼于1999年開始試制板厚1230mm、抗拉強(qiáng)度達(dá)590MPa、685MPa級別的超低碳貝氏體結(jié)構(gòu)板，產(chǎn)品采用鐵水預(yù)脫硫、RH真空處理工藝降低C含量，增添Mo-B-V-Nb等合金元素，且需熱處理。濟(jì)鋼研制開發(fā)了一種新型的貝氏體高強(qiáng)鋼(C-Si-Mn-Cr系)，其特點(diǎn)是鋼中不加入昂貴的Ni、Mo、B等元素，而用少量普通元素V、Mn、Cr合金化，以低廉的合金成本代價就能使鋼板TMCP處理后空冷自硬，從而節(jié)約大量熱處理費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本

16、和生產(chǎn)難度。鞍鋼采用控軋控冷工藝試制HQ590DB 超低碳貝氏體鋼板。其終軋溫度為800850，控制終冷溫度為590630，獲得鐵素體和板條狀貝氏體組織，鋼板抗拉強(qiáng)度達(dá)650690MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)490590 MPa，延伸率為20，并具有良好的成形性能。實(shí)踐證明，采用合金化與控軋控冷工藝技術(shù)是生產(chǎn)強(qiáng)度高、韌性好、可焊性優(yōu)良且成本低的貝氏體鋼板的最好辦法。國內(nèi)對超低碳貝氏體鋼的研發(fā)大部分停留在試驗(yàn)研究階段，只有個別廠家成功生產(chǎn)出性能優(yōu)良、成本低廉的超低碳貝氏體鋼板。總體上講，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)基本上是跟蹤國外的技術(shù)，采用與國外類似的合金化體系，技術(shù)上主要采用微合金化和控軋控冷技術(shù)。超低碳貝氏體鋼目前

17、的研究水平：據(jù)最新報道，日本川崎制鐵公司在2003年采用軋后直接淬火并回火工藝生產(chǎn)了HT780ULCB，成分0.02C0.23Si-2.00Mn 0.035A10.013Ti，同時日本最近開發(fā)出了抗拉強(qiáng)度590 MPa的橋梁和建筑用75 mm特厚超低碳貝氏體鋼。國內(nèi)為了獲得具有高強(qiáng)度與優(yōu)良韌性相結(jié)合的新一代艦舶用鋼，含1以上銅的ULCB鋼的研究正在進(jìn)行，600-700 MPa級含銅工程結(jié)構(gòu)用鋼正在開發(fā)，在2l世紀(jì)，中國ULCB鋼的開發(fā)和應(yīng)用將進(jìn)一步得到擴(kuò)大。1.2 鋼鐵材料的強(qiáng)化鋼鐵材料的強(qiáng)化機(jī)制可分為以下幾種類型：1)細(xì)晶強(qiáng)化；2)固溶強(qiáng)化；3)晶界強(qiáng)化；4)位錯強(qiáng)化；5)沉淀和彌散強(qiáng)化；6

18、)形變強(qiáng)化等。1.2.1 細(xì)晶強(qiáng)化從位錯塞積或其他模型可以推導(dǎo)出多晶金屬的屈服強(qiáng)度y與晶粒直徑d的關(guān)系，表示為式1.1： y=0+kyd1 （式1.1） 稱為霍耳-佩奇（Hall-Petch）關(guān)系式。式中0、ky均為材料常數(shù)。對-Fe來說，ky值與位錯釘扎情況有關(guān)，位錯被釘扎得愈牢， ky值愈大；在嚴(yán)重釘扎情況下，ky可達(dá)2kgf/mm2。據(jù)此進(jìn)行計(jì)算，低碳鋼的晶粒度每提高兩級(即晶粒直徑減少一半)，屈服強(qiáng)度可提高約2.8kgf/mm2。如果低碳鋼的晶粒度從ASTM標(biāo)準(zhǔn)的0級細(xì)化到12級，即其平均直徑由0.359mm降至0.00561mm， 則屈服強(qiáng)度可提高到16kgf/mm2左右。而且隨著晶

19、粒的細(xì)化,斷裂強(qiáng)度比屈服強(qiáng)度有更大幅度的提高，同時沖擊韌性也得到改善，如同屬體心立方金屬的低碳鋼和鉬，晶粒每細(xì)化一級，韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度可分別降低1020及24。 在所有金屬強(qiáng)化方法中，細(xì)化晶粒是目前唯一可以做到既提高強(qiáng)度，又改善塑性和韌性的方法。所以近年來細(xì)化晶粒工藝受到高度重視和廣泛應(yīng)用。當(dāng)前正在發(fā)展中的快冷微晶合金便是其中一例。有上述優(yōu)異性能的原因可以從兩方面考慮： 晶界所占比例較大，晶界結(jié)構(gòu)近似非晶態(tài)，在常溫下具有比晶粒更高的強(qiáng)度； 細(xì)小晶粒使位錯塞積所產(chǎn)生的正應(yīng)力隨之降低，不容易產(chǎn)生裂紋，從而表現(xiàn)為提高強(qiáng)度而不降低塑性。但細(xì)晶粒金屬的高溫強(qiáng)度下降，這是因?yàn)樵诟邷叵戮Ы鐝?qiáng)度降低了，特別在

20、變形速度很低的情況下（蠕變），這種效應(yīng)更為突出。1.2.2 位錯強(qiáng)化由現(xiàn)代塑性理論和電鏡，x射線衍射等現(xiàn)代微觀測試技術(shù)研究證明：(1)以鋼性塑性滑移計(jì)算滑移開始所需臨界切應(yīng)力比實(shí)際測定的大幾百至幾千倍；(2)晶體中存在位錯，在切應(yīng)力作用下，位錯會發(fā)生遷移。因?yàn)檫w移距離小于一個原子間距，所以位錯移動所需臨界切應(yīng)力小得多。金屬晶體中的位錯是由相變和塑性變形引起的。位錯密度愈高，位錯運(yùn)動愈困難。金屬抵抗塑性變形的能力就愈大。表現(xiàn)在力學(xué)性能上：金屬強(qiáng)度提高，也就是說當(dāng)造成金屬晶體內(nèi)部位錯大量增殖時，金屬就表現(xiàn)出強(qiáng)化效果。理論研究同時也說明：制成無缺陷、幾乎不存在位錯的完整晶體，使金屬晶體強(qiáng)化接近理論強(qiáng)

21、度，則會使金屬強(qiáng)化效果表現(xiàn)得更為突出。因此，根據(jù)位錯理論，金屬可以有兩種強(qiáng)化途徑：(1)對有晶體缺陷的實(shí)際金屬，即存在位錯金屬，可以通過位錯增殖而強(qiáng)化；(2)制成無晶體缺陷的理想金屬，使其晶體中幾乎不存在位錯則金屬強(qiáng)化效果更大。1.2.3 晶界強(qiáng)化晶界分大角度晶界和小角度晶界。晶界兩邊晶粒的位向和亞晶塊的原子排列位向存在位向差，處于一種原子排列不規(guī)則的畸變狀態(tài)。晶界處位錯(原子規(guī)則的錯排位置)密度較大，對金屬滑移(塑性變形)，位錯運(yùn)動起阻礙作用，即晶界處對塑性變形的抗力較之晶粒內(nèi)部為大，使晶粒變形時的滑移帶不能穿越晶界，裂紋穿越也更加困難。據(jù)資料報導(dǎo)在室溫下，當(dāng)金屬晶粒受外力作用而致斷裂時，產(chǎn)

22、生的裂紋幾乎都出現(xiàn)在晶粒內(nèi)部?？梢娛覝叵戮Ы鐝?qiáng)度比晶粒內(nèi)部強(qiáng)度高。上述現(xiàn)象說明晶界起到了阻礙位錯滑移的作用。對金屬塑性變形時的位錯運(yùn)動起阻塞作用。基于這個道理，當(dāng)晶粒越細(xì)，晶界越多，表現(xiàn)阻礙作用也越大，此時金屬材料的屈服強(qiáng)度也越高。 1.2.4 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是利用金屬材料內(nèi)部點(diǎn)缺陷(間隙原子、置換原子)對金屬基體(溶劑金屬)進(jìn)行強(qiáng)化，它分為兩類，即間隙式固溶強(qiáng)化和置換式固溶強(qiáng)化。(1) 間隙式固溶強(qiáng)化有些元素的原子直徑很小，如C、N、H、B、O等，當(dāng)它們作為溶質(zhì)元素溶入溶劑金屬(如Fe)時，便形成間隙式固溶體。實(shí)驗(yàn)證明，溶質(zhì)與溶劑元素原子直徑之比d質(zhì)d溶0.59時，容易形成間隙固溶體，鋼鐵

23、組織中的基本相奧氏體是C在面心立方晶格的Fe中的間隙固溶體。其最大溶解度為2.06(wt)，而鐵素體(F)則是C在體心立方晶格的-Fe中的間隙固溶體。其最大溶解度只有0.02(wt)。當(dāng)C、N原子嵌入-Fe晶格的八面體間隙中，使晶格產(chǎn)生不對稱正方性畸變(c/a1)，造成強(qiáng)化效應(yīng)，鐵基體的屈服強(qiáng)度隨同間隙原子量的增大而變大。C、N等間隙原子在基體中與“位錯”產(chǎn)生彈交互作用，當(dāng)進(jìn)入刃型位錯附近并沿位錯線呈統(tǒng)計(jì)分布，則形成所謂柯氏氣團(tuán)。在螺型位錯應(yīng)力場作用下，C、N原子在位錯線附近有規(guī)則排列就形成所謂shock氣團(tuán)。這些在位錯附近所形成的氣團(tuán)對位錯的移動起阻礙和釘軋作用，所以對金屬基體產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。

24、實(shí)驗(yàn)證明：C、N原子造成的強(qiáng)化增量和溫度無關(guān)。每增加1原子百分?jǐn)?shù)的N可以使基體金屬強(qiáng)化450MN/m2。(2) 置換式固溶強(qiáng)化置換式溶質(zhì)原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的。固溶強(qiáng)化效能比問隙式原子小(約小兩個數(shù)量級)。這種強(qiáng)化效應(yīng)稱為弱硬化。形成置換固溶體時，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度同溶質(zhì)與溶劑的原子尺寸、電化學(xué)性質(zhì)等因素密切相關(guān)。當(dāng)原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其電化性質(zhì)也愈接近，則溶解度便愈大。由于溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的原子。當(dāng)原子直徑存在差別就會破壞溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上原子引力平衡，而使其偏離原平衡位置，從而造成晶格畸變。隨著原子直徑差別增加，造成的畸變的程度愈大，由

25、此而造成的強(qiáng)化效果更大。在Fe中加Mn、Si、Ni、Mo等元素都能造成置換式固溶強(qiáng)化作用。1.2.5 沉淀與彌散強(qiáng)化沉淀與彌散強(qiáng)化就其本質(zhì)來說，它有兩種途徑：一是第二相質(zhì)點(diǎn)沉淀時，沉淀相在基體中造成應(yīng)力場，應(yīng)力場和運(yùn)動位錯之間交互作用使基體強(qiáng)化；二是第二相質(zhì)點(diǎn)和基體處于共格或半格狀態(tài)時，質(zhì)點(diǎn)周圍有一個高能區(qū)，具有很大的彈性畸變，致使強(qiáng)度、硬度急劇增加而強(qiáng)化。總的來說，沉淀和彌散強(qiáng)化效應(yīng)可總結(jié)成三點(diǎn)：(1) 沉淀相的體積比越大，強(qiáng)化效果越顯著，要使第二相有足夠的數(shù)量，必須提高基體的過飽和度；(2) 第二相彌散度越大，強(qiáng)化效果越好。共格第二相比非共格第二相的強(qiáng)化效能大；(3) 第二相質(zhì)點(diǎn)對位錯運(yùn)動

26、的阻力越大，強(qiáng)化效果也越大。1.2.6 形變強(qiáng)化隨著塑性變形量增加，金屬的流變強(qiáng)度也增加，這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化或加工硬化。形變強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方法之一，它能為金屬材料的應(yīng)用提供安全保證，也是某些金屬塑性加工工藝所必須具備的條件。 形變強(qiáng)化的微觀機(jī)理為：產(chǎn)生金屬變形主要是通過原有位錯的運(yùn)動，在運(yùn)動過程中會有許多附加位錯產(chǎn)生，位錯之間要發(fā)生相互作用，使得任一個給定位錯的運(yùn)動都受到其他位錯的阻礙，因此強(qiáng)度提高了。形變強(qiáng)化的材料在再結(jié)晶溫度下會發(fā)生再結(jié)晶退火，再結(jié)晶溫度與冷加工變形量和材料的純度有關(guān)，變形量越大，再結(jié)晶溫度越低。冷加工變形的材料經(jīng)再結(jié)晶以后強(qiáng)度顯著降低，幾乎又回到了冷加工前的狀態(tài)。

27、經(jīng)過冷變形，晶粒被拉長且得到強(qiáng)化的材料還可以再變回到原來的組織結(jié)構(gòu)，在退火過程中之所以會發(fā)生再結(jié)晶是因?yàn)榻?jīng)過強(qiáng)烈塑性變形的金屬和合金，處于一種亞穩(wěn)的高能量態(tài)，這樣的金屬力求轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的形態(tài)。加熱使得金屬原子更易擴(kuò)散，進(jìn)行重新排列，結(jié)果冷加工造成的缺陷消失，變成了變形前的穩(wěn)定狀態(tài)。1.2.7 相變強(qiáng)化鋼的性能取決于鋼的組織結(jié)構(gòu)，而組織結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)是由相變決定的。最簡單的例子是低碳鋼在軋后隨著冷卻條件的變化，有鐵素體+珠光體、鐵素體+貝氏體等幾種結(jié)構(gòu)，鋼的力學(xué)性能也隨之有很大的變化，從而可以生產(chǎn)出不同強(qiáng)度等級的鋼材，用于各種用途，這種情況就歸屬于相變強(qiáng)化。相變強(qiáng)化特征： 鋼的化學(xué)成份決定要有結(jié)構(gòu)變

28、化的原相(母相)，這是前提； 發(fā)生相變有一個形核和長大的過程，例如隨著冷卻條件的變化，相變有擴(kuò)散與非擴(kuò)散之別，在較高溫度下的相變過程由擴(kuò)散控制，低溫下的相變?yōu)榍凶兛刂茩C(jī)制； 應(yīng)變和冷卻是兩個重要的驅(qū)動條件，在外力作用下，如熱加工或冷變形，在冷卻或加熱的情況下，狀態(tài)失去了平衡，由高能量狀態(tài)向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變。超低碳低碳貝氏體鋼的強(qiáng)度及其它性能都是由以上各種強(qiáng)化機(jī)制共同作用的結(jié)果。1.3 超低碳貝氏體鋼的冶煉概述最早出現(xiàn)煉鋼方法是在1740年，隨著技術(shù)的進(jìn)步，先后出現(xiàn)了酸性空氣低吹煉鋼法、酸性平爐煉鋼法、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法、低吹氧轉(zhuǎn)爐煉鋼法、頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法。目前鋼廠主要是采用轉(zhuǎn)爐煉鋼法，而對于超

29、低碳貝氏體鋼的冶煉主要是采用預(yù)處理加頂?shù)讖?fù)合轉(zhuǎn)爐煉鋼法。1.3.1 鐵水預(yù)處理鐵水預(yù)處理主要是指鐵水在進(jìn)入煉鋼爐煉鋼之前，為適應(yīng)對鋼質(zhì)量的要求，對鐵水中的硫磷硅進(jìn)行處理，使脫硫劑脫磷劑脫硅劑中的有效成分與鐵水中的硫磷硅作用，生成穩(wěn)定的化合物而進(jìn)入渣相，達(dá)到鐵水中去硫磷硅的目的。鐵水預(yù)處理工藝一般由以下部分組成：(1) 混鐵車前扒渣中心；(2) 鐵水預(yù)處理中心；(3) 混鐵車后扒渣中心；(4) 排渣清罐口中心；(5) Na2CO3粉塵回收及除塵系統(tǒng)。 鐵水預(yù)處理過程是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，脫硅和脫磷為氧化反應(yīng)，而脫硫?yàn)檫€原反應(yīng)鐵水預(yù)處理一般采用噴吹法進(jìn)行脫硫、脫磷、脫硅處理。由于向鐵水中噴入大

30、量的粉劑，使鐵水溫度下降，所以要通過向鐵水中噴吹氧氣的方式來提高鐵水溫度，粉劑在線混合的噴吹方式為目前最先進(jìn)的噴吹方式，這種噴吹方式可以使各種粉劑在噴吹過程中按需要控制噴吹速度，隨時可以調(diào)整各種粉劑的混合比，可使操作人員更機(jī)動靈活地控制整個噴吹過程，噴槍也由直插槍改進(jìn)為L型斜插搶，并且噴粉、吹氧可共用一根槍，另外，如果使用Na2CO3脫磷時，應(yīng)該設(shè)置一套Na2CO3回收再利用系統(tǒng)。1.3.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進(jìn)行。轉(zhuǎn)爐的外形就像個梨，內(nèi)壁有耐火磚，爐側(cè)有許多小孔（風(fēng)口），壓縮空氣從這些小孔里吹入爐內(nèi)，又叫做側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。開始時，轉(zhuǎn)爐處于水平，向內(nèi)注入1300攝氏度的液態(tài)生鐵，并加入一定量

31、的生石灰，然后鼓入空氣并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)爐使它直立起來。這時液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng)，使鐵、硅、錳氧化 (FeO、SiO2、MnO) 生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對流作用，使反應(yīng)遍及整個爐內(nèi)。幾分鐘后，當(dāng)鋼液中只剩下少量的硅與錳時，碳開始氧化，生成一氧化碳（放熱）使鋼液劇烈沸騰。爐口由于溢出的一氧化碳的燃燒而出現(xiàn)巨大的火焰。最后，磷也發(fā)生氧化并進(jìn)一步生成磷酸亞鐵。磷酸亞鐵再跟生石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鈣和硫化鈣，一起成為爐渣。 本設(shè)計(jì)采用頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐煉鋼。所謂頂?shù)讖?fù)合吹煉煉鋼，就是在頂吹的同時從底部吹入少量的氣體，以增加金屬熔池和爐渣的攪拌并控制熔池內(nèi)氣相中CO的分壓，因而克服了頂吹氧流攪拌能力的不

32、足的弱點(diǎn)，使?fàn)t內(nèi)反應(yīng)接近平衡，鐵損失減少。頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐煉鋼是2O世紀(jì)8O年代興起的一項(xiàng)煉鋼新技術(shù)，是現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼新工藝(鐵水預(yù)處理+復(fù)吹轉(zhuǎn)爐+爐外精煉)的一個重要組成部分，是開發(fā)品種、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的一個重要手段。氧氣頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐煉鋼，由于強(qiáng)化了轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼液攪拌能力，促進(jìn)金屬和爐渣問的反應(yīng)平衡，有利于渣的脫氧和金屬的脫碳。提高金屬收得率，因而在世界各國得到了迅速的推廣和應(yīng)用。近年來，復(fù)吹技術(shù)推廣應(yīng)用到中小轉(zhuǎn)爐上，也取得了較好的冶金效果。1.3.3 爐外精煉爐外精煉技術(shù)是將轉(zhuǎn)爐、電爐初煉的鋼水轉(zhuǎn)移到另一個容器（主要是鋼包）中進(jìn)行精煉的過程，也稱“二次冶金”或鋼包精煉。因此

33、，爐外精煉把傳統(tǒng)的煉鋼過程分兩步進(jìn)行：（1）初煉。在氧化性氣氛下進(jìn)行爐料的熔化、脫磷、脫碳和合金化；（2）精煉。在真空、惰性氣氛或可控氣氛下進(jìn)行脫氧、脫硫、去除夾雜、夾雜物變性，微調(diào)成分、控制鋼水溫度等。爐外精煉的主要內(nèi)容有：脫氧、脫硫、去氣、去除夾雜物；調(diào)整鋼液成分及溫度。LF爐(LADLE FURNACE)即鋼包精煉爐，是鋼鐵生產(chǎn)中主要的爐外精煉設(shè)備。它的主要任務(wù)是： 脫硫； 溫度調(diào)節(jié)； 精確的成分微調(diào)； 改善鋼水純凈度； 造渣。LF爐外精煉特點(diǎn)：1. 采用三相電極三(單)支臂、水冷爐蓋，具有電極旋轉(zhuǎn)和平移鋼包車兩種結(jié)構(gòu)，占地少，適于舊車間改造。可選鋼包傾動機(jī)構(gòu)，進(jìn)行扒渣操作。 2. 采用

34、機(jī)械傳動、PLC控制、液壓或氣動電極夾緊，水冷電纜設(shè)備簡單，易于使用維護(hù)，可靠性高。3. 具有包底吹氬(氮)裝置，可以人工(或機(jī)械)包頂加料，吹氧(輔助脫碳、脫磷)。1.3.4 真空精煉VOD是Vacuum(真空),Oxygen(氧),Decarburization(脫碳)三個詞大寫第一個字母的組合,是在VD工藝基礎(chǔ)上增加了吹氧脫碳功能。由于在真空條件下很容易將鋼液中的碳和氮去除到很低的水平，因此該精煉方法主要用于超純、超低碳鋼和合金的二次精煉。VOD冶煉法是低碳鋼冶煉的核心工序，VOD冶煉過程可以分為三個階段：吹氧脫碳期、自由脫碳期和還原期，對冶煉過程有影響的工藝制度主要是：真空制度、吹氧制

35、度、底吹A(chǔ)r制度、溫度制度以及造渣制度，合理的工藝制度和合適初始條件可保證真空處理時間短、鋼水純凈度高，并能有效的防止鋼水噴濺。以下對不同冶煉階段上述工藝制度要點(diǎn)做一個簡述。(1) 吹氧脫碳期，對于吹煉過程來說，在脫碳初期，為防止鋼水激烈噴濺，需適當(dāng)提高氧槍高度，抽真空速率不宜過大，低Ar流量；脫碳中期，最大流量供氧，采取適當(dāng)?shù)腁r流量，真空度控制在6kPa到10kPa；到脫碳末期，脫碳反應(yīng)速度的限制性環(huán)節(jié)由供氧強(qiáng)度變成鋼中C的擴(kuò)散，應(yīng)適當(dāng)降低供氧流量，進(jìn)一步降低真空壓力，控制在1kPa到4kPa， 提高Ar流量，強(qiáng)化攪拌。(2) 自由脫碳期，停氧過后實(shí)行超真空操作，利用鋼液內(nèi)的剩余氧(包括氧

36、化物)來實(shí)現(xiàn)自由脫碳。自由脫碳時期，強(qiáng)化吹氬是關(guān)鍵，通過加大吹氬流量和實(shí)現(xiàn)多口底吹，不斷的將鋼液從熔池底部輸送到熔池頂部的反應(yīng)區(qū)，同時強(qiáng)吹氬促進(jìn)鋼渣間乳化，更多的Cr2O3可以彌散到鋼液中。(3) 還原期，超真空條件下碳的實(shí)際脫氧能力并不象理論計(jì)算的那樣強(qiáng)，加上熔池含有大量的Cr2O3，用碳脫氧根本不夠，因此還要加入還原劑把鉻還原出來，實(shí)現(xiàn)鋼液脫氧以及控制鋼液中殘鋁和最終硅含量，還原劑一般為硅鐵、鋁，同時加入CaO、CaF等造渣材料，保證爐渣堿度和流動性，實(shí)現(xiàn)脫硫。1.4 本課題的研究內(nèi)容超低碳貝氏體鋼由于具有高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)良焊接性能且能很好地解決性能、成本、利潤和能源之間的矛盾，因此各國

37、的研究者們正在致力于開發(fā)不同成分和性能的鋼種。目前超低碳貝氏體鋼的成分設(shè)計(jì)主要分為兩類：一類是Cu-Nb-B系列，一類是Mn- Nb-B系列。本論文是在兩類系列的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)Mn- Cu- Ni- Cr- Mo-B鋼種。并在此基礎(chǔ)上添加Nb、V、Ti微合金化元素，加強(qiáng)鋼的強(qiáng)韌化，使其能夠達(dá)到預(yù)期的高強(qiáng)度、高韌性以及良好的焊接性能的目標(biāo)。在冶煉工藝方面，設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)爐煉鋼的基礎(chǔ)上采用頂?shù)讖?fù)合吹煉技術(shù)，然后在進(jìn)行爐外精煉、真空精煉工藝，降低鋼種的碳含量、微調(diào)鋼的合金成分等。在澆鑄時，為了保證鋼的成分采用全程保護(hù)澆注。 2 超低碳貝氏體鋼的成分設(shè)計(jì)2.1 超低碳貝氏體鋼成分設(shè)計(jì)思想鋼的化學(xué)成分在設(shè)計(jì)時主要

38、通過考慮強(qiáng)度、韌性和焊接性等鋼板所要求的性能而定。超低碳貝氏體鋼因其強(qiáng)度高、韌性好、用途廣而備受矚目和青睞。該類鋼的合金成分設(shè)計(jì)突破了原有的高強(qiáng)度低合金鋼的設(shè)計(jì)思想，大幅減少了鋼中碳的含量(一般這類鋼中的碳含量不大于0.05)，鋼的強(qiáng)度不再主要依賴碳的含量，而是以貝氏體基體組織中的位錯強(qiáng)化、微合金鋼經(jīng)控軋控冷后組織細(xì)化強(qiáng)化及V、Nb、Ti微合金元素的析出強(qiáng)化和-Cu沉淀強(qiáng)化為主，從而使該類鋼強(qiáng)韌性匹配極佳，尤其是在焊接性能上的突破，及其制造和維修成本的降低，使其具有廣闊的應(yīng)用前景。為了獲得高的強(qiáng)度，加入了成本較低的B元素。為了保證B元素的作用，須添加合金元素Ti來固定雜質(zhì)元素O、N，避免B的燒

39、損，并且形成的TiN、TiO對于細(xì)化晶粒是十分有效的。Mn、Mo、Nb是作為強(qiáng)化元素加入的。鑒于冶金技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性和鋼材性能的要求，鋼中還經(jīng)常以Ni、Cr作為Mo的補(bǔ)償元素。2.2 超低碳貝氏體鋼的合金化特點(diǎn)2.2.1 常規(guī)合金元素低碳貝氏體鋼的強(qiáng)度和韌性的提高，以及進(jìn)一步的優(yōu)化是和化學(xué)成分分不開的，分析每種元素在鋼中的作用和含量對性能的影響也就顯得至關(guān)重要了。低碳貝氏體鋼的化學(xué)成份和力學(xué)性能之間的關(guān)系查閱資料有：低碳Si-Mn-Mo系列貝氏體鋼的力學(xué)性能與合金元素含量間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系方程如下式2.12.5所示：b=52.47+32.64(Si)-8.31(Si2)+102.95(CMn)+32.8

40、3(CrMo)(kg/m2) (式2.1)0.2=13.03+30.64(Si) -8.31(Si2)+37.50(Mo)+112.96(CrMo)(kg/m2) (式2.2)=65.21-60.48(CSi)-99.31(CMo)(%) (式2.3)=22.58-1.69(Mn)-9.83(CSi)-36.28(CMo)(%) (式2.4)k=17.67-75.70(C)+19.91(Mo)+19.25(CSi)-13.79(SiMo)(kg*m/cm2) (式2.5)式中合金元素是其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。Si作為添加的主要元素，但是在上式中沒有顯示出Si的作用，同時該式只是針對一個冷卻速度得出的經(jīng)驗(yàn)

41、關(guān)系式，因此上式的使用受到了限制。在充分分析了各合金元素對鋼組織和力學(xué)性能的影響后，考慮到鋼的成本及熱處理工藝上的問題，選擇Mn、Ni、Mo和Cr作為常規(guī)合金化元素加入。其中Mn的作用有二，其一是代替部分Mo推遲了P轉(zhuǎn)變，其二是提高鋼的淬透性，降低相變溫度，使鋼的組織亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，并使中溫轉(zhuǎn)變C曲線右移，保證獲得板條亞結(jié)構(gòu)組織，即粒狀貝氏體。Mo主要是為了推遲F-P轉(zhuǎn)變，保證鋼在空冷條件下獲得B組織。貝氏體轉(zhuǎn)變中，合金元素的作用首先表現(xiàn)在對貝氏體轉(zhuǎn)變上限溫度Bs點(diǎn)的影響。常規(guī)合金元素Mn、Ni、Mo和Cr等元素都降低Bs點(diǎn)，使得貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過冷奧氏體的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個轉(zhuǎn)變的

42、C曲線。合金元素對Bs點(diǎn)溫度的影響為：Bs()=830-270(C)-90(Mn)-37(Ni)-70(Cr)-83(Mo) (式2.6)鋼中碳含量增加不利于相的形核和長大，因?yàn)橄嗟男魏吮仨氃跇O低碳區(qū)，相的長大必須以碳從/相界相一側(cè)前沿擴(kuò)散開去為先決條件。轉(zhuǎn)變溫度越低，碳的作用越明顯。碳化物形成元素增加碳原子的擴(kuò)散激活能，減慢碳的擴(kuò)散，對貝氏體的轉(zhuǎn)變有一定的延緩作用，如鉬等。本文中由于加入擴(kuò)大區(qū)的常規(guī)元素Mn和Cu，Mn使臨界溫度A3降低，減小奧氏體與鐵素體的自由能差，因而減慢奧氏體的轉(zhuǎn)變，同時，它還降低碳的活度，使碳的擴(kuò)散能力減弱，故推遲貝氏體轉(zhuǎn)變；Cu能固溶于奧氏體中，增加過冷奧氏體的穩(wěn)定

43、性，使C曲線右移，但不改變其形狀，所以不能引起貝氏體轉(zhuǎn)變；Ni和C不形成碳化物，是形成和穩(wěn)定A的元素。Ni因提高相變的形核功，提高、兩相自由能差而降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，Ni同時降低鋼中各元素的擴(kuò)散速率，所以Ni延緩A分解轉(zhuǎn)變，提高鋼淬透性的作用很大。加入縮小相區(qū)的常規(guī)元索Cr、Mo，Cr和碳具有較強(qiáng)的親和力，因而能形成碳化物，降低碳的擴(kuò)散速度，阻礙了碳原子的擴(kuò)散，使貝氏體轉(zhuǎn)變推遲，Cr使貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域向低溫區(qū)域移動，甚至能與珠光體區(qū)域完全分開；Mo與碳具有很強(qiáng)的親和力，因而能形成碳化物，Mo能減緩碳化物在奧氏體中的溶解速度，阻礙碳原予的擴(kuò)散，使貝氏體轉(zhuǎn)變推遲，Mo還能強(qiáng)烈抑制珠光體轉(zhuǎn)變，而對貝氏轉(zhuǎn)

44、變速度影響不大。2.2.2 微合金化元素由于低碳貝氏體鋼C含量較低(一般小于0.05)，因此一般采用微合金化結(jié)合控制軋制和控制冷卻技術(shù)來獲得極細(xì)的組織以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。已有工作表明，V、Nb、Ti、Cu、B等作為微合金元素得到了普遍研究與應(yīng)用，其主要作用有以下幾方面：(1)析出強(qiáng)化；(2)影響熱軋時再結(jié)晶；(3)正火時細(xì)化晶粒；(4)高溫奧氏體化時阻礙晶粒長大以及影響冷卻時相變溫度等。主要微合金元素Nb，Ti，V均是通過細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化提高強(qiáng)度，但每種元素的作用機(jī)理及強(qiáng)化程度不同。Nb具有最強(qiáng)的晶粒細(xì)化效果，而V具有最強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果，Ti介于上述兩者之間。Nb的晶粒細(xì)化效果與其碳氮化鈮的析出延遲

45、奧氏體再結(jié)晶密切相關(guān)。用0.03左右的Nb可將完全再結(jié)晶所需的最低溫度提高到950左右，從而可顯著降低控軋對軋機(jī)負(fù)荷的要求。Ti在連鑄冷卻條件下生成彌散的TiN顆粒，由于它的熔點(diǎn)很高，在焊接熱影響區(qū)能顯著抑制晶粒長大，加微量Ti(0.02)能顯著改善熱影響區(qū)的韌性。微合金元素的復(fù)合加入的整體效應(yīng)被證明比單個元素效應(yīng)的簡單加和大得多，加入各種微合金元素時要考慮元素之間的相互作用。賀信萊等人系統(tǒng)地研究了微量Nb在新一代超低碳貝氏體鋼中的作用。(1) Nb明顯擴(kuò)大了鋼種控軋時的非再結(jié)晶區(qū)溫度范圍，保證了奧氏體基體中的畸變積累，促使貝氏體轉(zhuǎn)變的形核數(shù)大幅度增加，細(xì)化組織，提高了鋼的綜合性能。(2) 微

46、量Nb、B、Cu等元素的綜合加入，大大加速了高溫變形后的應(yīng)變誘導(dǎo)析出，析出物能明顯穩(wěn)定變形奧氏體中的位錯結(jié)構(gòu)，并阻止新相組織長大。這些被析出物穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)在貝氏體相變過程中能基本整體被繼承，從而大幅度提高了貝氏體中位錯密度，保證了超低碳鋼的高強(qiáng)韌性。(3) 在新發(fā)展的弛豫一析出控制相變(RPC)技術(shù)中，微量Nb是形成有一定取向差的穩(wěn)定的多邊形胞狀亞結(jié)構(gòu)的必要條件，同時大顆粒的Nb析出物是貝氏體相變前形成晶內(nèi)針狀鐵素體(或粒狀貝氏體條帶)的有利位置。(4) 焊接過程中，Nb、B原子的偏聚及析出可以阻止加熱時奧氏體晶粒的粗化，并保證焊接后得到精細(xì)的熱影響區(qū)組織。(5) Nb、Cu、B等元素有強(qiáng)烈

47、的相互作用，它們的聯(lián)合加入可以大幅度地改變鋼的相變溫度，保證貝氏體相變在更低溫度下進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)超細(xì)組織的形成。2.2.3 超低碳貝氏體鋼合金化機(jī)制低碳貝氏體鋼合金化有利于綜合發(fā)揮各種強(qiáng)化機(jī)制的作用。在確保鋼材有足夠塑性、韌性的情況下，使其獲得最佳的強(qiáng)化效果。就本質(zhì)而言，通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，使鋼中位錯運(yùn)動阻力增加。當(dāng)然在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)使鋼材在更大應(yīng)力作用下，仍然可以產(chǎn)生一定的位錯運(yùn)動，以保持足夠的塑性和韌性。位錯運(yùn)動的阻力，來自各種障礙物，有零維的點(diǎn)狀微觀結(jié)構(gòu)缺陷(空位、溶質(zhì)原子等)；一維的線狀微觀結(jié)構(gòu)缺陷(位錯等)；二維的面狀微觀結(jié)構(gòu)缺陷(晶界、相界等)；三維的占據(jù)立體空間的微觀

48、結(jié)構(gòu)缺陷(第二相顆粒等)。這些微觀結(jié)構(gòu)缺陷，可從鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)中反映。大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的顯微組織是由幾種顯微結(jié)構(gòu)單元所組成。本文認(rèn)為鋼的屈服強(qiáng)度(s)應(yīng)是在晶體點(diǎn)陣粘滯抗力(或摩擦力)的基礎(chǔ)上，再疊加上其他顯微結(jié)構(gòu)單元的作用，即s=f0+f=f0+fb+f+fac+fam+fm+fs+fd (式2.7) 其中f0是晶體點(diǎn)陣粘滯抗力，即基體強(qiáng)度，它決定于晶體的完整性和有序化程度；fac是結(jié)構(gòu)強(qiáng)化增量。系借助于擇優(yōu)取向或晶體的各向異性進(jìn)行強(qiáng)化；fam是纖維強(qiáng)化增量。例如鋼中的固有夾雜物、成分偏析以及相和相組織加工延伸成為帶狀組織或纖維狀組織，造成了顯微組織的各向異性，從而可以提高材料強(qiáng)度；fm是相變

49、強(qiáng)化增量。如使鋼發(fā)生相變，形成亞穩(wěn)定組織，常見的如馬氏體相變，貝氏體相變和固溶化等強(qiáng)化。fs是固溶強(qiáng)化增量，受溶質(zhì)原子的性質(zhì)、空位和形成Cottrell氣團(tuán)釘扎位錯的作用制約； fsKS(CS)n (式2.8) 圖2-1 固容強(qiáng)化對屈服強(qiáng)度增量的影響式中Cs,為溶質(zhì)組元含量的變化值；Ks為與溶質(zhì)組元有關(guān)的常數(shù)；n為同溶化指數(shù)。對置換同溶體可取0.51.0，對間隙同溶體可取0.52.0。根據(jù)合金元素的特性，對體心立方點(diǎn)陣Fe，按固溶強(qiáng)化值的大小排列：C、N、P、Be、Si、Cu、Mn、Mo。在熱軋低碳鋼中，在同溶量不大的情況下，元素的固溶強(qiáng)化對屈服強(qiáng)度增量的影響如圖2-1。表明間隙式同溶元素的強(qiáng)

50、化作用很大，置換同溶元素，特別是原子半徑與Fe相似的元素同溶強(qiáng)化作用較小。微量的Cr和Ni，由于對相變熱力學(xué)和動力學(xué)的影響，它們的溶入還會使低碳熱軋態(tài)鋼的屈服強(qiáng)度有微小降低。fd是位錯密度強(qiáng)化增量。它受位錯密度、可動位錯與滑移面上位錯以及位錯與鄰近位錯應(yīng)力場等交互作用制約。 fd =Gb1/2 (式2.9)式中是與晶體點(diǎn)陣有關(guān)的系數(shù)；G為基體金屬切變模量；b為布氏矢量：p為位錯密度。除了冷塑性變形加T可以增值位錯之外，淬火應(yīng)變和低溫相變引起的應(yīng)變也能增值位錯。此外，析出相顆粒與基體間的熱膨脹差異，以及析出相引起體積的變化，也都可能局部增高位錯密度。 圖2-2 晶粒尺寸對強(qiáng)度增量的影響 fb是晶

51、界和相界強(qiáng)化增量。受晶界和相界性質(zhì)及數(shù)量制約：fbKdg-1/2 (式2.10)式中K為與材料有關(guān)的常數(shù)；dg為晶粒直徑。亞晶界的強(qiáng)化作用也可以用上式處理。在低碳合金鋼(0.1C，1.0Mn)中，晶粒尺寸對強(qiáng)度增量的影響如圖2-2所示，即符合上式規(guī)律。應(yīng)該指出晶粒細(xì)化對韌性也是有貢獻(xiàn)的。鋼的韌一脆轉(zhuǎn)化溫度與dg-1/2呈線性反比關(guān)系。f是沉淀強(qiáng)化增量，受第二相顆粒本性，大小，數(shù)量，分布及與基體作用性質(zhì)制約。對于堅(jiān)硬的不可剪切顆粒，可按0rwan強(qiáng)化機(jī)制處理：f=3GD/2r (式2.11)式中D為顆粒之間的距離；r為兩顆粒之間位錯線的彎曲半徑：G為基體金屬切變模量。對于可變形的顆粒： f=（3

52、GDG /2r）1/2 (式2.12)式中G為沉淀相的切變彈性模量。 在低碳低合金鋼中，重要的沉淀強(qiáng)化元素主要是Nb、V、Ti、Al、Cu。對于Nb、V、Ti在鋼中形成碳化物或氮化物及碳氮化合物；對于鋁形成氮化鋁；對于Cu則形成游離銅。含鈮低碳鋼中碳化鈮的尺寸對屈服強(qiáng)度增量的影響如圖2-3所示。即含鈮量越高，碳化物尺寸越小，對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越大。 圖2-3 Nb4C3的尺寸對低碳鋼屈服強(qiáng)度的影響對于微合金化高強(qiáng)韌鋼材，加入的合金元素包括為固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化機(jī)制作出貢獻(xiàn)的常用元素Si、Mn和為沉淀強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化機(jī)制作出貢獻(xiàn)的Al、V、Ti、Nb，以及為相變強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化作出貢獻(xiàn)的

53、W、Mo。雖然，鋼的強(qiáng)化可以簡化為用各項(xiàng)強(qiáng)化增量迭加來表達(dá)。但是，在鋼中同時加入多種微量元素，它們共同在各項(xiàng)強(qiáng)化機(jī)制中對強(qiáng)化量的影響，不是每個元素單獨(dú)加入時影響量的簡單數(shù)學(xué)疊加，而是呈指數(shù)關(guān)系增加，以達(dá)到多元微量代替單元多量的效果，甚至獲得單元或少元合金難以達(dá)到的效果。應(yīng)該指出，固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化會引起塑性和韌性的降低，而晶界強(qiáng)化和相界強(qiáng)化不會引起鋼的脆化。因此，設(shè)計(jì)低碳合金鋼時，應(yīng)充分考慮這些問題，通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分、加工工藝及組織結(jié)構(gòu)，獲取所需的力學(xué)性能。2.3 鋼的成分設(shè)計(jì)2.3.1 常規(guī)合金元素成分設(shè)計(jì)超低碳貝氏體鋼的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證鋼有高的強(qiáng)度、良好的韌性以及焊接性能，使金屬基體為貝

54、氏體。超低碳貝氏體鋼添加的常規(guī)合金元素有C、Mn、Ni、Cr、Mo。各元素的作用及成分設(shè)計(jì)如下：（1）碳 碳是固溶強(qiáng)化，提高淬透性，影響顯微組織，決定材料硬度和韌性最為重要的元素。一般認(rèn)為，其在一定程度上能提高鋼的強(qiáng)度，但高的含碳量既傷害焊接性能又降低沖擊韌性；而對Bs點(diǎn)的影響為隨其含量的增加Bs點(diǎn)不斷下降。 C在鋼中具有非常強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，當(dāng)鋼中的含碳量從0.14提高到0.29，0.2平均增加300MPa，b平均增加250MPa(強(qiáng)化系數(shù)為2000MPa)。一般認(rèn)為C的固溶強(qiáng)化系數(shù)為4410MP，即增加1的C，鋼的屈服強(qiáng)度增4410MPa。但在實(shí)際鋼種中，由于C不能完全固溶于鐵素體中(部

55、分溶于殘余奧氏體中)，其強(qiáng)化系數(shù)往往低于此值。在貝氏體鋼中采用低碳的原因主要是：在傳統(tǒng)的貝氏體鋼中，上貝氏體組織脆是因?yàn)樵谟鹈珷铊F素體之間形成了滲碳體(碳化物)，如果把碳含量降低，滲碳體量越來越少。當(dāng)碳含量降低到0.05以下時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中不存在滲碳體。而當(dāng)碳含量較高時就會出現(xiàn)滲碳體組織。可見如果控制低碳貝氏體鋼中的碳含量就可得到無滲碳體的貝氏體鐵素體，從而提高韌性，圖2-4給出碳含量的變化對低溫沖擊韌性的影響以及對強(qiáng)度的影響，可見在低碳范圍，隨著碳含量降低，低溫沖擊韌性顯著提高。另外一方面，低碳含量還將優(yōu)化鋼材的焊接性能。從圖2-5上可以看出，當(dāng)碳含量降低到I區(qū)時，鋼材焊接沒有問題，國內(nèi)發(fā)展的大量超低碳鋼都處于此區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，碳當(dāng)量高低對焊接將不會造成困難。碳含量與碳當(dāng)量值恰好在區(qū)域內(nèi)，則冷裂敏感性取決于焊接工藝細(xì)節(jié)；如果處在區(qū)域內(nèi)，則任何焊接方式下都存在冷裂敏感性；若處在區(qū)域I內(nèi)，則不存在冷裂敏感性。因由以上兩方面可見，低碳含量設(shè)計(jì)將是低碳貝氏體鋼要采取的合金成分設(shè)計(jì)方向。故本設(shè)計(jì)的碳含量為0.03%-0.05%之間。 2-4 碳含量對沖擊韌性的影響 2-5 碳含量-碳當(dāng)量與焊接性能的關(guān)系（2） 錳 錳對鋼的硬度和沖擊韌度影響程度最大。隨錳含量的提高，鋼的硬度直線上升