基本介紹
- 中文名：微合金化鋼
- 外文名：micro alloyed steel
- 加入元素：一種或幾種碳氮化物形成元素
- 強化機制：細化晶粒和沉澱硬化
- 優勢：改善低溫韌性等
- 學科：材料科學
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介紹
微合金化技術是20世紀70年代在國際冶金界出現的新型冶金學科。微合金化鋼是採用現代冶金生產流程生產的高技術鋼鐵產品。它是在普通的C-Mn鋼或低合金鋼中添加微量（質量分數通常小於0．1%）的強碳氮化物形成元素（如鈮、釩、鈦等）進行合金化，通過高純潔度的冶煉工藝（脫氣、脫硫及夾雜物形態控制）煉鋼，在加工過程中施以控制軋制/控制冷卻等新工藝，通過控制細化鋼的晶粒和碳氮化物沉澱強化的物理冶金過程，在熱軋狀態下獲得高強度、高韌性、高可焊接性、良好的成形性能等最佳力學性能配合的工程結構材料——微合金化鋼。
合金化與“冶煉”反應及結晶過程中元素參與形成或影響夾雜或生成有害的共晶相等產物和作用機理是不同的。從存在形態、結構與組織、性能三方面來描述，合金化的物理本質是：通過元素的固溶及其固態反應。影響微結構乃至結構、組織和組分，從而使金屬獲得要求的性能。
“微合金化”是指這些元素在鋼中的含量較低．通常低於0.1%（質量分數）。與鋼中不需要的殘餘元素不同，微合金化元素是為改善鋼材的性能有目的地加到鋼中的。合金化元素與微合金化元素不僅在含量上有區別，而且其冶金效應也各有特點：合金化元素主要影響鋼的基體，而微合金化元素除了溶質原子的拖曳作用外，幾乎總是通過第二相的析出而影響鋼的顯微組織結構。
強化機理
晶粒細化強化
晶粒細化是鋼最主要的強化方式之一，同時，它也是鋼鐵材料大幅度提高韌性的最重要的韌化方式。
晶粒細化之所以既能提高鋼的強度，又能提高鋼的韌性，其原因是：材料的晶粒越細，晶界面積就越大，而晶界兩邊的晶粒的取向完全不同且完全無規則，並且晶界是原子排列相當紊亂的地區。因此，當塑性形變和微裂紋由一個晶粒穿過晶界進入另一個晶粒時，由於晶界阻力大，穿過晶界就比較困難；另外，穿過晶界後滑移方向和裂紋擴展又需改變。與晶內的形變及裂紋擴展相比，這種既要穿過晶界而又要改變方向的形變及裂紋擴展將要消耗很大的能量，故晶界的存在將使材料的強度和韌性都得到提高，並且材料的晶粒越細，材料的強度和韌性就越高。
固溶強化
按照溶質的存在方式，固溶可分為間隙固溶和置換固溶兩類。置換固溶或間隙固溶的異質原子，以點狀障礙物的形式起著阻礙位錯運動的作用，稱為固溶強化。從幾何尺寸來看，也可以說是“點性”強化，或“0”維強化。
鋼的固溶強化是人們最早研究和套用的強化方式之一，碳原子的間隙固溶強化是鋼中最經濟、最有效的強化方式。而置換固溶強化在很多合金鋼中也是相當重要的強化方式。
微合金化作用
通過加入一種或多種微量元素， 使合金獲得所需組織和性能的方法。 合金化效果取決於添加微量元素的最 佳含量。在軟鋼和高強度低合金鋼中 可添加微量Nb、V、Ti等。在鑄造鎳 基高溫合金中可添加B、Zr、Hf、Y、 Ce等。變形高溫合金中可添加B、C、 B+Zr、La+Ce、Mg等。形成鏈狀分 布的碳化物、硼化物等可以通過阻止 晶粒長大、阻止晶界滑移、阻止空穴集 聚長大、強化晶界、減緩缺口敏感等途 徑，改善或提高合金的性能。稀土元素 可通過淨化晶界，去除低熔點雜質或 提高雜質熔點等途徑，改善或提高其 持久、蠕變、疲勞強度和耐腐蝕、抗氧 化等性能。
微合金化元素在鋼中套用的基本原理在於其在鋼中的固溶、偏聚和沉澱作用，尤其是微合金化元素與碳、氮互動作用，產生了諸如晶粒細化、析出強化、再結晶控制、夾雜物改性等一系列的次生作用，這些因素對鋼的強韌化所起的作用被廣泛地套用於各類鋼鐵產品。
