1、金屬強化的途徑細晶強化加工硬化固溶強化彌散強化細晶強化霍耳-配奇(Hall-Petch)關系式y 0kyd-1/20和ky是兩個和材料有關的常數，d為晶粒直徑形變強化（加工硬化）：金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現象。又稱冷作硬化。形變強化是因為金屬在塑性變形過程中位錯密度不斷增加，使彈性應力場不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強，因而位錯的運動越來越困難。引起金屬加工硬化的機制有：位錯的塞積、位錯的交割（形成不易或不能滑移的割階、或形成復雜的位錯纏結）、位錯的反應（形成不能滑移的固定位錯）、易開動的位錯源不斷消耗等等碳、氮等間隙式溶質原子嵌入金屬基體的晶格間

2、隙中，使晶格產生不對稱畸變造成的強化效應以及填隙式原子在基體中與刃位錯和螺位錯產生彈性交互作用，使金屬獲得強化彌散強化：奧羅萬機制金屬韌化的途徑細化純化球化復化細化：純化：球化：球化退火處理 球化退火的主要目的是由熱處理使鋼鐵材料內部的層狀或網狀碳化物凝聚成為球狀，使改善鋼材之切削性能及加工塑性，特別是高碳的工具鋼更是需要此種退火處理。 45鋼 35鋼復化：釩在鋼中的作用釩在鋼中的作用釩奧氏體中析出鐵素體中析出固溶在奧氏體中加熱時阻止奧氏體晶粒長大阻止變形的奧氏體晶粒長大阻止鐵素體再結晶延緩貝氏體轉變延緩珠光體轉變對鐵素體形成無影響餅形晶粒細小鐵素體晶粒細小鐵素體晶粒等軸鐵素體晶粒析出強化馬氏

3、體組織多邊形鐵素體加馬氏體島混合組織對焊縫金屬和HAZ中的貝氏體形成無影響概述概述釩在微合金鋼中單獨加入時形成VC，屬中間相，其化學式可在VCV4C3之間變化。在一般低氮含量的情況下，VC在-Fe中的溶解度比NbC要高得多，在900以下，V(C,N)可完全溶解于-Fe中，因此釩的主要作用是在轉變過程中的相間析出和在鐵素體中的析出強化。釩的碳化物主要以相間沉淀的形式析出，在相區內析出量不多，并與相保持共格關系。相間析出物呈點帶狀分布，每條點帶近似平行，析出物以相界為析出源，點帶間距隨冷卻速度的增加而減小。釩可使沉淀相體積分數增加，沉淀相的密度增加和間距減小，從而能提高鋼的綜合性能。與其它微合金化

4、元素一樣，釩主要通過形成碳氮化物來影響鋼的組織結構和性能。這些碳氮化物對鋼的微觀結構及對鋼性能的影響基本上取決于碳化物和氮化物的形成溫度與轉變溫度之間的關系。而這些溫度將依賴于冷卻(或加熱)的速度，以及鋼的化學成分，尤其是所加入合金的含量和氮的含量。氮化釩的形成溫度僅稍高于低碳鋼的Ac3溫度，一般來說也能用來控制奧氏體的再結晶，但高碳鋼的情況例外，因為它的轉變溫度較低。當然，在控制正火鋼的晶粒長大方面，氮化釩確實起到了一定的作用。釩微合金化對鋼轉變特性的影響當釩單獨加入時，并不抑制鐵素體的形成；相反，它加速珠光體的形成。然而，當釩和鈮同時存在時，易于形成貝氏體組織，而釩在貝氏體內沉淀析出。正是

5、這種釩與鈮的差別，導致了在熱軋交貨的小型材中多傾向于加釩。這些軋態小型材冷卻快，如果有鈮存在的話，則形成導致脆性的貝氏體組織，而含釩鋼中則不會形成這種脆性組織。釩能促進珠光體的形成，還能細化鐵素體板條，因此釩能用來增加重軌的強度和汽車用鍛件的強度。碳化釩也能在珠光體的鐵素體板條內析出沉淀，從而進一步提高了材料的硬度和強度。釩像大多數溶質合金一樣能抑制貝氏體的形成。因此，如果它是溶解而不是以碳化釩和氮化釩的形式沉淀析出，則可用來增加淬透性。當鋼中釩的質量分數低于0.03%時，固溶態的釩才可以占絕大多數，才能有效地提高淬透性。與錳提高鈮、釩的溶解度一樣，鉬也提高它們在鋼中的溶解度。而添加了元素鉬后

6、，可固溶的釩含量明顯增加，可達0.06%左右。釩在鐵素體中的析出釩在鐵素體中的析出V(C,N)可跟隨著/界面的移動在鐵素體內隨機析出，即為一般析出?；蛘咂叫杏?界面，以一定的間距形成片層狀分布的相間析出。一般析出產生于較低溫度區域，通常低于700，而相間析出在較高溫度形成。V(C,N)也可以在珠光體的鐵素體中析出，由于珠光體的轉變溫度較低，這類析出物通常更細小，不僅發生一般析出，也有相間析出。相間析出：相間析出：/相界面由平面和臺階組成，平面相界為相界面由平面和臺階組成，平面相界為110110，是低能量的共，是低能量的共格界面，活動性差；而臺階是高能量的非共格界面。鐵素體此時是靠一格界面，活動

7、性差；而臺階是高能量的非共格界面。鐵素體此時是靠一系列非共格的高能臺階在低能共格界面上高速運動而生長，碳化物只能系列非共格的高能臺階在低能共格界面上高速運動而生長，碳化物只能在活動性差的共格平面相界形核。臺階的高度即兩行相間沉淀特殊碳化在活動性差的共格平面相界形核。臺階的高度即兩行相間沉淀特殊碳化物之間的間距。兩行沉淀間距取決于轉變溫度和溶質濃度。物之間的間距。兩行沉淀間距取決于轉變溫度和溶質濃度。相間沉淀轉變示意圖相間沉淀轉變示意圖V-N鋼中V(C,N)析出相a-0.0051%N；b-0.0082%N；c-0.0257%N；d-0.0095%N，0.04%C隨氮含量增加，V(C,N)量多且彌

8、散度增加。高溫條件下析出反應的化學驅動力小，析出的形核發生在相界上；低溫時，驅動力大，鐵素體基體內部也能發生形核。相間析出的特征之一是溫度越低析出相越細一般析出VN的形成有較大的化學驅動力，只要基體內氮足夠，將使得在鐵素體或奧氏體內都優先析出富氮的V(C,N)。鋼中增加氮含量會使析出顆粒尺寸大幅度減小，高氮鋼中形核密度較高，導致貧釩區較早地接觸，進而降低了析出相長大速率，由此產生高、低氮鋼析出相長大的差別。高氮鋼顆粒長大速率不到低氮鋼的一半。首先形成的富氮析出相消耗了所有的氮時，進而形成富碳的V(C,N) 。V(C,N)析出的三種不同機制：相變溫度決定了析出方式1、即類似于珠光體中滲碳體的帶狀

9、析出2、平行于遷移/界面的相間析出3、碳過飽和鐵素體內的一般析出臺階機制模型基于溶質擴散控制的模型釩微合金化鋼的強韌化機理晶粒細化晶粒細化在釩微合金化鋼中，一般采用再結晶控制軋制(RCR)，使得鋼在奧氏體中充分發生再結晶，從而獲得細的奧氏體晶粒，為最終獲得細晶粒鋼提供保障，這是此類鋼控制軋制的特點。釩在細化晶粒方面的作用比鈮弱，但在鋼中氮含量較大的情況下，也可起到一定的細化作用。在含氮較高的釩微合金鋼中，奧氏體一鐵素體相變比率比C-Mn鋼和低氮釩鋼明顯增加，增氮促進了碳氮化釩在奧氏體鐵素體相界面的析出，有效地阻止了鐵素體晶粒長大，起到了細化鐵素體晶粒尺寸的作用。釩氮對/轉變過程中細化多邊形鐵素

10、體晶粒尺寸的影響 沉淀強化沉淀強化隨著轉變溫度和冷速的不同，析出相在形態和分布特征上存在相間析出、過飽和鐵素體中彌散析出、鐵素體內沿位錯處析出等幾種析出方式。析出的機理和效果，取決于晶體結構的類型、析出相的尺寸及分布、微合金元素原子在基體中的擴散及析出速率?？偟膩碚f，強化效果與析出質點的平均直徑成反比關系，與析出物質點的體積分數的平方根成正比關系。釩氮微合金化改變了傳統的HSLA鋼強化機理，晶粒細化強化和沉淀強化這兩種強化方式對強度的貢獻超過了70%，充分體現了微合金化在技術經濟方面的優勢。 V-N鋼中各種強化機制對屈服強度的貢獻鈦在鋼中的作用鈦在鋼中的作用概述概述在低合金高強度鋼中加入微量鈦

11、，可以提高鋼的強度，改善鋼的冷成形性能和焊接性能。鈦在鋼中主要以TiC或Ti(C,N)的形式存在。鈦比鈮的固溶溫度稍低，即在相同的固溶溫度下，鈦比鈮溶解量多些。鈦具有阻止形變奧氏體再結晶的作用，可以細化晶粒；此外，鈦有促進粒狀貝氏體形成的作用。鈦形成高溫下非常穩定的TiN，在熱加工前的再加熱過程中抑制奧氏體的晶粒長大。此外，鈦還可以奪走Nb(C,N)相中的氮，若鈦的含量剛好足以固定大多數的氮，鈦的加入可使鈮形成幾乎是純的碳化鈮，而不是無鈦鋼中的氮化鈮。鈦的固溶度非常低，在鋼材鈦含量適宜(0.01%0.02%)時才能同時滿足各方面的要求，更低的鈦含量將不能得到足夠體積分數的TiN來有效阻止晶粒粗

12、化。雖然較高的鈦含量將導致粗大的液態析出TiN的出現而不能起到阻止晶粒長大的作用，但超出w(Ti)w(N)理想化學配比的鈦將以固溶鈦形式或以細小TiC質點形式而顯著阻止再結晶，起到析出強化作用。鈦還可以作為鋼中的硫化物變性元素使用，以改善鋼板的縱橫性能差。鈦的析出規律鈦的析出規律TiN在鋼中的溶解度很低，在傳統厚板坯的凝固過程或高溫奧氏體區即可析出。這些大尺寸顆粒只有在溫度高于1300時開始溶解，并且直到液態都無法完全溶解，未溶解的TiN在高溫奧氏體化時，顯著提高對晶粒粗化的抵抗力，有效抑制奧氏體晶粒長大。液態析出的TiN一般比較粗大，尺寸為微米級。通過控制鋼液澆注溫度、N、Ti濃度積及冷卻速

13、度，使微合金鋼液中彌散析出TiN，有可能得到等軸細晶的鑄態組織。如果要利用TiN作為鋼液形核核心，TiN的析出顆粒必須細小、彌散，其工藝的關鍵首先是鋼液澆注時過熱度要小，例如控制在液相線以上1015范圍內。此外，N、Ti濃度積應控制在該溫度的平衡濃度積以上。另外還需要控制冷卻速度，增加冷卻速度有利于晶粒細化和減小TiN對鋼性能的不利影響。鈦 微 合 金 化 對 強 度 和 韌 性 的 影 響隨Ti含量增加，屈服強度和抗拉強度升高，伸長率降低，加入鈦后，屈強比提高，所有縱橫向冷彎試驗d=a的180冷彎性能良好。 鈦含量對V、Ti微合金化汽車大梁鋼力學性能的影響 Ti與C、N、S均有較強的親和力，

14、一方面與C、N結合形成碳氮化物產生細晶強化作用，另一方面又能與S作用形成塑性比MnS低的多的TiS，從而降低MnS的有害作用，改善鋼的橫向性能。鈦含量較低時增加鈦含量不引起鋼的韌性降低，鈦含量過高，由于在晶界上形成鈦的氮化物和硫化物而引起鋼的脆化。研究表明，在其它成分基本相同的情況下，加鈦鋼較不加鈦鋼強度明顯提高，韌脆轉變溫度也有一定程度的提高。鈦的析出形式及對性能的貢獻鈦在鋼中首先形成TiN，TiN顆粒大小與其析出過程有關。粗大TiN(大于0.5m)是液態或鋼液凝固過程中的析出相，由于粗大且稀疏分布，不能有效地阻止晶粒長大，不起強化作用。鋼液凝固后析出細小的TiN顆粒，這些細小的TiN顆粒很

15、穩定，能夠有效地阻止奧氏體晶粒長大，從而細化組織。隨鈦含量增加，TiN顆粒粗化，細小TiC的數量增加，析出強化作用導致鋼的強度隨鈦含量增加而顯著升高。鋼中細小TiC析出受轉變溫度影響，轉變溫度越高，析出顆粒失去共格性關系的傾向就越大，并通過擴散長大，減弱析出強化。因此，鈦含量較高時，非共格析出物數量增加，減弱了析出強化效果，鋼的強度增加趨于平緩。 鈦微合金化的強韌化機理鈦微合金化的強韌化機理細晶強化細晶強化由固態下高溫析出的、彌散分布的TiN，對阻止奧氏體晶粒長大最為有效，含一定量鈦的非調質鋼加熱至1250，仍具有較細的奧氏體晶粒。沉淀強化沉淀強化氮可以提高TiN穩定性，細化奧氏體晶粒。大量實

16、驗結果表明，氮對提高TiN顆粒釘扎奧氏體晶界的效果起關鍵性作用。當鋼中氮含量超過(Ti)(N)理想配比時，TiN釘扎晶界的作用最有效。增氮使TiN的穩定性提高，減少了TiN在高溫下的溶解，高溫下未溶的TiN阻礙奧氏體晶粒長大，細化奧氏體晶粒，相變后鐵素體晶粒也細小。鈦微合金化對沖擊韌性的影響鈦微合金化對沖擊韌性的影響鈦與硫的親和力要強于錳與硫的親和力。因而隨鈦含量增加，鋼中的Ti4C2S2，化合物逐漸增多并取代MnS夾雜，即鈦的加入奪取了MnS中的硫而與之形成更為穩定的Ti4C2S2，減少了MnS的析出。Ti4C2S2化合物較硬，在軋制中不易變形，這樣鋼中的長條狀MnS夾雜物便因Ti4C2S2

17、的形成而逐漸被消除，變成可改善材料的韌性和成形性的球狀夾雜物，提高了鋼的橫向沖擊韌性。 鈮鋼高溫奧氏體化未溶的Nb(C, N)溶解的Nb(C, N)析出的Nb(C, N)抑制相晶粒長大降低/轉變溫度抑制形變的的回復和再結晶形變的中形變帶回復的亞結構邊界高溫中析出低溫區中析出晶間沉淀低溫區析出細化相晶粒抑制相晶粒長大沉淀強化強度韌性強度韌性鈮在鋼中的作用鈮在鋼中的作用鈮微合金化鋼的強韌化機理鈮微合金化鋼的強韌化機理鈮在鋼中的存在形態主要有：微量固溶于鐵基體中或形成碳氮化鈮第二相。固溶的鈮鈮在鋼中可以以置換溶質原子存在，對再結晶的抑制作用與其和鐵原子尺寸及電負性差異有關，即所謂的溶質拖曳機制。鈮原

18、子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，其偏聚濃度也相對增高，從而對位錯攀移產生較強的拖曳作用，使再結晶形核受到抑制，因而對再結晶具有強烈的阻止作用，這種作用高于Ti、Mo、V，是與鐵原子尺寸相差較小的Mn、Cr、Ni對再結晶的阻止作用的幾十倍或上百倍各種微合金元素對再結晶溫度的影響微合金鋼中鈮的細化晶粒和沉淀強化作用，是通過元素的碳氮化物沉淀析出起作用的。鈮的碳氮化物鈮在鋼中與碳、氮結合可形成NbCNbC0.87、Nb(CN)、NbN等中間相。鈮的碳氮化物在軋鋼時可以“釘扎”晶界，“釘扎力”大于該溫度下的再結晶驅動力，因而阻止晶粒長大，在1100下即可起到很大的“釘扎”作用。在再結晶過程中，因N

19、bC、NbN、Nb(CN)對位錯的釘扎和阻止亞晶界的遷移使再結晶時間大大延長，且隨析出量的增加而增大。在臨界溫度之上，鈮元素對再結晶的影響表現為溶質拖曳機制；而在此溫度之下，則表現為析出釘扎機制。鈮的合金碳氮化物Nb-V-N復合添加時，可形成(NbV)(C1-x,N1-y)。鈮比釩的完全固溶溫度高得多，故在均熱溫度不是很高時鈮不宜單獨加入。若鈮和釩復合添加時，既能提高鋼的強度又能改善鋼的韌性，這是因為釩固溶溫度低，可以起沉淀強化作用，而鈮在較低的均熱溫度下大部分不溶解，可以起細化晶粒的作用。換言之，在相同的再加熱溫度下，就可以使更多的鈮固溶，并在較高的軋制溫度下有效推遲再結晶的發生，這就是所謂

20、的“高溫軋制工藝”。較高的溶解度和較高的加工溫度兩者均使終軋溫度下有更多數量的固溶鈮，這些固溶鈮隨后可以通過在鐵素體中的析出而產生進一步的強化。沉淀強化效果添加微量合金元素，就可獲得成百兆帕的強度。鈮的碳氮化物析出相作為障礙物與可動位錯的交互作用是造成析出強化的本質。根據析出相的強度及其與基體相的共格程度不同，位錯采取切過機制和Orowan繞過機制運動。鈮的碳氮化物具有高硬度和低塑性，為強障礙物，無論析出相與基體共格與否，位錯均難以切過析出相。在含鈮鋼中析出的碳氮化物基本上都以Orowan機制對鋼材起強化作用。析出相的性質、形狀、尺寸、分布及其與基體相的共格程度決定了析出強化對材料強度的貢獻。

21、當析出相為均勻彌散分布的細小球狀顆粒時，能夠改善鋼的塑性。鈮微合金化對組織和性能的影響鈮微合金化對組織和性能的影響鈮可形成細小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長大；在軋制過程中可提高再結晶溫度，抑制奧氏體的再結晶，保持形變效果從而細化鐵素體晶粒；鈮在鐵素體中沉淀析出，提高鋼的強度以及在焊接過程中阻止熱影響區晶粒的粗化等。Nb、V、Ti微合金化效果和問題 項目微合金化元素NbVTi強韌化效果晶粒細化析出強化固氮效果控軋操作性控冷有效性 普遍問題強度難控性合金化難度澆注難度鑄坯裂紋 綜合性能注：-影響顯著；-有效；-不明顯。加熱過程中各類微合金化鋼奧氏體晶粒的長大傾向微合金元素Nb、V、Ti析出

22、強化產生的屈服強度增量合金碳氮化物高溫主要析出物是TiN，隨著溫度降低析出物以Nb(C,N)為主，因此，奧氏體中主要析出物是復合(Ti，Nb)N，其中TiNb的含量取決于鋼的成分和析出溫度。鋼中析出粒子通常是包心的，具有高溫穩定性的富鈦和富氮的化合物在粒子內部，而鈮釩等析出相富集在粒子外部，這表明那些首先形成的氮化物可以作為隨后的低溫析出相的核心。如NbN沉積在TiN核心上，又由于NbN有較高的熱力學穩定性，因此(Nb，V)N中富集了鈮和氮。這種包心效應可能是由于鈦在碳氮化物中的擴散非常慢或存在混溶區所致硼在鋼中的作用硼在鋼中的作用 硼的主要作用是提高鋼的淬透性，因為加入極少量的硼(0.000

23、5%0.0030%)就能提高鋼的淬透性。硼作為表面活性元素，吸附在奧氏體晶界上，延緩轉變的作用，其在奧氏體晶界的偏聚阻礙鐵素體的形核而有利于貝氏體的形成，故對鐵素體生成的延緩要比對貝氏體延緩大得多，因而提高了淬透性。硼量低于0.0005%時對提高淬透性的作用甚小，高于0.003%則會使鋼中產生的硼相(Fe3(CB)、Fe3(BC)6、Fe2B)沿奧氏體晶界析出，產生熱脆現象。硼在鋼中的溶解度雖然極低，作用機制卻十分復雜。硼和氮、氧都有很強的親和力，與各種缺陷(如位錯和空位等)有強烈的相互作用，并能和S、C化合，且易于和鋼中的其它元素形成各種類型的夾雜物。1）降低回火脆性，對某些結構鋼可消滅回火脆性（如24CrMoV5），所以可提高強度而塑性并不降低，鉬可提高鋼的沖擊韌性。又一說是合金元素