傳統(tǒng)上，鋼中微合金化元素的作用是細(xì)化晶粒，以此來(lái)提高鋼的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)依靠微合金化元素的析出來(lái)進(jìn)一步提高強(qiáng)度。鋼中常用的微合金化元素有Ti、Nb、V和Al，它們?cè)阡撝械淖饔靡话闶峭ㄟ^(guò)析出強(qiáng)化來(lái)提高鋼的強(qiáng)度，固溶強(qiáng)化作用對(duì)鋼的強(qiáng)度貢獻(xiàn)則要低得多，因此這些元素在工業(yè)生產(chǎn)中的奧氏體化過(guò)程中的固溶度則要給以足夠的考慮。相對(duì)于低碳含量的扁平材，中碳特鋼往往含有高的氮含量，這樣在鋼中就會(huì)不可避免地形成大尺寸的TiN，因?yàn)門(mén)iN的溶度積很小，這些大尺寸的TiN析出物以及鋼在凝固過(guò)程中所產(chǎn)生的一次析出物對(duì)材料的疲勞性能和韌性非常有害，所以要限定微合金化元素的上限含量。
對(duì)于含Cr、Mo的鋼，當(dāng)Nb含量為0.09%、碳含量超過(guò)0.6%時(shí)，即便是在平衡條件下仍然會(huì)有一次析出物產(chǎn)生。在材料進(jìn)行鍛造加工前，通常會(huì)采用較高的加熱和保溫溫度，以便使鋼水在連鑄過(guò)程中所形成的Nb的碳化物和碳氮化物充分固溶。對(duì)于0.5%C和0.06%Nb的鍛鋼，Nb的化合物在1250℃的常規(guī)加熱溫度下不會(huì)完全固溶。當(dāng)鋼中碳含量越低時(shí)，則在同樣的溫度下固溶的Nb含量越高。微合金化元素在鋼中的溶解度不但受碳含量的影響，而且還受氮含量的影響，但對(duì)高碳鋼中微合金化元素的溶解度影響不大。
此外，在鍛鋼中，在平衡條件下，幾乎所有的析出發(fā)生在奧氏體溫度范圍內(nèi)，而低碳含量的HSLA鋼（高強(qiáng)度低合金鋼）的析出則大量發(fā)生在900℃以下的鐵素體溫度區(qū)域，鐵素體中的析出物尺寸細(xì)小，通常小于10nm，這對(duì)于利用其析出強(qiáng)化作用來(lái)提高鋼的強(qiáng)度是有利的。而在奧氏體中形成的析出物則尺寸相對(duì)粗大一些（20-50nm），這對(duì)于控制晶粒尺寸是有利的。
對(duì)于合金元素含量比較高的鋼來(lái)說(shuō)，合金元素的偏析情況需要給予考慮，特別是當(dāng)采用模鑄來(lái)生產(chǎn)原材料時(shí)，因?yàn)殇撳V內(nèi)部凝固速率很低，更容易導(dǎo)致宏觀偏析的產(chǎn)生。利用可移動(dòng)邊界模型對(duì)連鑄坯中Nb的偏析情況進(jìn)行了計(jì)算，凝固過(guò)程中連鑄坯的冷卻速率是0.2K/s，偏析系數(shù)S*=Cmax/Cmin，其中Cmax和Cmin為凝固組織中不同部位固溶的Nb的最大和最小含量，以析出物形式存在的Nb忽略不計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，Nb的偏析程度隨鋼中碳含量的增加而增加，在碳含量為0.2%-0.5%時(shí)達(dá)到最大。根據(jù)文獻(xiàn)提供的經(jīng)驗(yàn)公式，鋼中碳含量還會(huì)改變二次枝晶間距，并在0.15% C時(shí)具有最小的值。除了碳含量，鋼中Nb的偏析系數(shù)S*還受其他合金元素的影響，促進(jìn)鐵素體形成的Si和Mo會(huì)減小S*,而N和Ni則會(huì)增強(qiáng)Nb的偏析趨勢(shì)。 |
