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化学成分对低合金钢性能和特性的影响
发布时间:2018-09-06来源:山东宸业金属材料作者:山东宸业金属材料点击:

在研究低合金高强变钢的化学成分以得到所要求的性能当中,绝对必要的首先是强度。由于通过合金元素的各种组合可以提高强度,所以就有了一些不同成分的低合金高强度钢,其除了具有要求的最小强度之外还具有其他性能和特性的综合性能。包括低合金高强度钢,所有的钢其力学性能基本上都是由其显微组织决定的。低合金高强度钢一般为铁素体-球光体显微组织,与碳素钢一样其性能受显微组织变化的影响。这就是可以通过增加珠光体的数量、提高组织的细化程度和增加分散相的数量(沉淀硬化)来提高强度。但是,除了较细的显微组织(细晶粒度)也提高缺口韧性之外,随着这些显微组织提高了强度,通常与强度提高成比例地降低缺口韧性。轧制钢材的细晶粒组织一般通过在低的热轧温度下控制轧制来得到。当减小晶粒尺寸时,如控制轧制,其对缺口韧性的有利影响超过沉淀硬化的有害影响。因而铌处理钢控制轧制可以得到极好的强度和韧性的组合。除了显微组织的影响之外,某些合金元素有固溶强化铁素体的作用。低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能是由其本身的化学成分决定的。

碳是很经济的强化元素之一。当金属极电弧焊需要避免焊接处附近热影响区的脆性时,一般应限制碳含量低于某个最大值。由于存在某些合金元素,所以可能会提高低合金高强度钢的淬透性,以致在热影响区内马氏体形成的趋势增加。碳含量愈高,马氏体型的组织愈硬。因而对于某一碳含量的低合金高强度钢可能需要低氢焊条和(或)预热,而对低碳钢则不需要。同样原因,当火焰切割低合金高强度钢时也可能需要预热和(或)切割后热处理。

低合金高强度钢一般比碳素结构钢含锰量高。锰提高强度而且同时也提高缺口韧性。因为这些有利的影响,所以低合金高强度钢中经常含有1%或更高的锰。对于焊接用钢,根据其综合成分但主要是碳含量,该元素应控制在低于某一最大值。

目前大量的耐大气腐蚀低合金高强度钢的磷含量范围为0.07%~0.15%。而且当钢中含有少量铜时.磷的作用大大增强.因此一定的磷和铜含量的组合对耐大气腐蚀性能的有利影响,比相应含量的任一单一元素的影响要大。通过在铁素体中固溶,加入磷可提高钢的强度性能,但可能伴随有塑性降低。以前认为当磷含量超过约0.1%时将造成钢的脆性。然而,磷的脆化作用在很大程度上受碳含量的影响,而且当碳含量低于约0.15%时这种作用并不太明湿。一些含磷牌号的热轧和冷轧薄钢板已被推荐用于汽车或结构用途。

目前很多低合金高强度结构钢都含有铜,范围为0.20%~1.50%。在所有通常使用的提高耐大气腐蚀的合金元素中,铜是最有效的。在通用的碳素钢中加入最大约0.35%的铜其作用特别火。铜含量增加到约1.00%时可以继续改善耐大气腐蚀性能,但是其作用并不像开始增加到约0.35%时那样显著。铜通过强化铁素休适度提高低碳钢种中碳钢的强度性能,且仅伴随有塑性稍有降低。铜至少增加到0.75%时才被认为对缺口韧性或焊接性能有小的影响。含有超过约0.60%铜的钢才能产生铁素体的沉淀硬化。含有约0.50%或更高含量铜的钢在热加工时经常出现“热脆”,所以在热变形时可能出现裂纹或有时称之为“发裂”的极粗糙的表面。加热时注意控制氧化作用和热加工时务必不能过热可以减少出现这些不希望的表面状态。此外,加入至少等于铜含量一半的镍对提高含铜钢的获面质量是非常有益的。

钒是低合会高强鏖钢中广泛使用的强化元素。最高约0.12%的钒可提高强度而不会损害轧制钢材的焊接性能和明显降低其缺口韧性。因此,钒是大多数轧制型钢和厚板的低合金高强度钢的基本组成元素。

含钒钢是通过铁素体沉淀硬化和细化铁索体晶粒来强化的。热轧钢材由于钒所产生的晶粒细化是随热机械加工工艺的变化而改变的。除非使用相当低的终加工温度,否则一般不会产生晶粒细化。锰含量约1.0%或更高时可得到很有效的沉淀硬化和晶粒细化,氮含量约0.010%或更高时对促进氮化钒沉淀有很大作用。

1957年前后当可以很经济地得到铌时,用铌作为低合金高强度钢的强化元素或为非常重要的手段。加入少量的铌可以有效地提高碳素钢的屈眼点和抗拉强度。例如,加入0.02%的铌可以使碳含量0.20%的热轧钢材的屈服点提高约70~105MPa。然而,除非使用特殊的轧制工艺,否则提高强度将伴随有显著地降低缺口韧性。这种轧制工艺包括对终轧道次使用比正常温度低的温度。因此,热轧含铌低合金高强度钢通常仅限于较薄的厚板或薄板。其可以用特殊的轧制:工艺经济地进行加工。

和含有钒一样,铌通过沉淀硬化和细化晶粒来强化,而且这些机理的作用受热加工工艺的变化和钢中存在其他合金元素的影响。

低合金高强度钢的强度级别受氮含量的影响。典型的氮含量(约0.003%~0.012%,取决于炼钢工艺)对强度有明显的作用,而且当氮含量改变时,例如改变炼钢工艺,可能需要调整成分以达到规定的强度级别。普通碳素钢中加入最大约0.02%的氮已经用于作为非常经济的获得强度的方法,是典型的低合金高强度钢。对于碳素钢,这种方法一般仅限于轻型轧制钢材,因为提高强度可能伴随有缺口韧性降低。当钢含有强氮化物形成元素和对钢进行适当热处理时,一般没有有害的影响。然而,对含钒的低合金高强度钢中加入氮应特别注意,因为加入氮增强了沉淀硬化的过程。沉淀硬化往往伴随有缺口韧性降低,这可用较低的碳含量及使用能得到较细铁素体晶粒的生产工艺来克服。在低碳含量的情况下,用钒-氮强化以达到规定的强度级别可使焊接性能得到改善。

在一些低合金高强度钢中加入最大约1.0%的镍。该元素通过铁素体固溶强化使强度适度提高。镍也可提高耐大气腐蚀性能,并且在与铜和(或)磷共同存在时还可提高海水潮湿条件下的耐腐蚀性能。通过加入镍来达到强化通常也使缺口韧性稍有提高。如前所述,含铜钢中加入镍可以克服热脆现象。

其他元素

除了上述分别叙述的元素之外,其他合金元素也以不同的含量加入低合金高强度钢中。这些合金元素中有硅、铬、钼、钛、锆和稀土。硅除了增强耐大气腐蚀性能外,由于铁素体硬化可适度提高强度。通常加入铬是为了得到良好的耐大气腐蚀性能。对正常热轧或正火的低合金高强度钢厚板和结构型钢加入钼是受到限制的,因为其对淬透性的强烈影响可导致一些低温相变产物(贝氏体和(或)马氏体)形成,该相变产物使钢的韧性很低。对某些含钼钢这些低温相变产物的有害影响可通过淬火和回火,或在厚板或热带轧机上采用特殊的控制轧制工艺予以消除。钛的作用与钒和铌相似,但由于其强的脱氧特性所以仅用于镇静钢。低合金高强度镇静钢中加入锆、钛和稀土以改善夹杂物的特性,要是使硫化物成为圆形,从而提高横向弯曲性能或成形性能。


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