钒钛合金元素.docx

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钒钛合金元素

XXX学院本科论文

钒钛合金元素对钢结构组织和性能影响以及在轧制生产中的应用

学生姓名：

XXX

学生学号：

XXX

院（系）：

XXX

年级专业：

XXX

指导教师：

XXX

二〇一一年六月

摘要

钒和钛是合金钢中比较常用的合金元素，它们对钢的结构组织和性能有很大的影响。

钢中的钒和钛的相对含量元素决定了钢热处理后的性能，掌握了钒钛元素在钢中的作用，不仅可以控制轧制的生产，也可以用来指导炼钢的生产。

根据钢材的特殊要求，在钢中加入适量的钒钛元素，可以达到其性能要求，从而满足钢材的使用要求。

冶炼合金钢时要根据标准规定的钢材性能来控制钢的化学成分，以满足质量的要求。

关键词：

合金元素，组织性能，结构性能，轧制

1钒的影响

1.1钒对晶粒细化的影响

钒在钢中的应用与其对析出强化作用的强烈影响密切相关。

然而，近来的研究却揭示出钒对热机械加工工艺、焊接以及热处理过程中的晶粒尺寸细化也是非常重要的。

再结晶控制轧制（RCR）采用再结晶终止温度以上较高的轧制温度，可以充分利用多道次轧制中奥氏体区反复再结晶对晶粒的细化作用。

这最终细化了奥氏体晶粒尺寸，从而也细化了最终得到的铁素体晶粒尺寸。

因为在奥氏体中的溶解度较高，对一般的钢种成分而言，V一般不会在奥氏体中析出。

由于固溶态的钒对奥氏体再结晶动力学几乎没有影响，因此钒微合金化钢尤其适用于再结晶控制轧制。

图1给出的是铁索体晶粒细化的效果，从图中可以看出铌钢中变形奥氏体转变后得到的4～5μm的晶粒尺寸，在V—N和V-Ti-N钢通过再结晶控轧也同样可以得到。

此外，在模拟薄板坯连轧（5道次轧制）的研究中，钒微合金化钢经4道次轧制达到总压下量的76％后，从粗大的原始铸态奥氏体晶粒组织（1mm）得到了细小的再结晶奥氏体晶粒组织（16-51μm）。

在接下来的变形量为42％的一道次轧制后，最后的钢卷中可得到尺寸为4.5–7.2μm的铁素体晶粒。

图1控轧后钒钢和铌钢铁素体晶粒尺寸比较

通过轧后加速冷却和增加钒钢中的氮含量，由于增加了铁素体的形核率，降低了其生长速度，铁素体晶粒尺寸还可以进一步得到细化。

在钒微合金化钢中加入微量（0.01％）的钛对晶粒尺寸细化也很有好处[1]。

因为TiN在奥氏体中的溶解温度高，因此在奥氏体中会析出稳定的富钛的TiV（N）颗粒，这些细小的颗粒会阻止奥氏体晶粒在高温轧制过程中粗化，在轧制道次间和轧制后还能起到降低奥氏体晶粒长大速度的作用。

应该引起注意的是，加入Ti还有降低强度的趋势，因为它与氮结合，降低了析出VN的沉淀强化效果。

近来的研究表明，钢中的钒在奥氏体-铁素体相变过程中，会促进多边形和针状铁素体的晶内形核，从而细化了铁素体晶粒尺寸。

这也同时表明就在相变前的热轧过程中或者热轧后，在奥氏体晶内析出的VN颗粒成为了晶内多边形铁素体形核的有利位置。

这是因为VN可以和铁素体形成共格相界，大大降低了其形核的界面能。

图2给出的是晶内铁索体形核示意图，a在有VN外壳的MnS复合粒子上形核，b在单个VN粒子上形核。

图2铁素体在VN+MnS和单个VN粒子上形核的SEM照片

1.2钒在钢中的应用

为了满足对高强度级别钢需求的不断增长，钒现在已经成为了钢生产中最常用的微合金化元素。

这是因为加钒提供了高强度、优良的弯曲性能、焊接性以及抗疲劳性能等良好的综合机械性能，而且相比于利用其他微合金化元素生产的钢来说还具有许多其他优点。

正如前面所提到的，钒在奥氏体中溶解度很高，含钒钢连铸也不会带来诸如偏析、裂纹等严重的问题。

一般的再加热温度为1150～1250℃，对于典型的钒含量水平足以使之完全固溶。

钒在热变形过程中对再结晶微弱的延迟作用对轧机负荷几乎没有影响，轧制碳素钢筋的轧制工艺也没有必要改变。

终轧温度也相对较高（900℃以上），跟轧制普通碳钢很接近。

钒的碳氮化物析出主要是在轧后，以及奥氏体-铁素体相变过程中和相变后，对沉淀强化和晶粒细化作用很大。

此外，VC的溶解度比VN还高[4]。

因此，可以通过控制钢种成分尤其是调整氮含量来控制钒的析出，以促进铁素体中VN的形核[3]。

铁素体中的VN比VC更加稳定和细小，因此析出VN比VC对沉淀强化的贡献要大，在给定的钒含量条件下可以得到更高的强度。

图3显示的是在直径分别为18mm和30ram两种规格的钢筋中，随着VxN的增加，屈服强度（YS）和屈强比（YS／UTS）的增加情况。

直径15mm的钢筋中平均屈服强度比直径30ram的要高30MPa。

此外，随着UN从0增加到0.001，屈服强度增加大约150MVa，VxN增加到0.0025，屈服强度增加约240MPa。

很明显地，如果VxN如果进一步提高到0.005，很容易得到400MPa的屈服强度。

在VxN为0.0015时，就很可能得到500Ma的屈服强度，甚至还可能是550MPa。

而且，从图4中看出，提高VxN对钢筋钢中的铁素体晶粒细化也有重要影响。

图3VxN对屈服强度（YS）和屈强比（YS／UTS）的影响

以前的工作表明，含钒钢筋钢具有很好的塑性，可以弯曲成半径很小的圆弧。

而且，钒还成功地防止了钢筋钢中应变时效现象的发生，这是因为形成VN消耗掉了钢中固溶的自由氮[2]。

然而，有研究表明V：

N比要大于4：

1才能成功地阻止在二次弯曲试验中出现时效现象。

另外，还有报道焊接过程中的冷裂纹抗力，钒钢和在相近条件下焊接的C-Mn钢基本相当。

图4VxN对铁素体晶粒尺寸的影响

2钛的影响

2.1Ti含量对晶粒尺寸的影响

传统观点认为：

钛加入钢中有两个目的，即晶粒细化和析出强化。

两种作用都是由于Ti的化合物的析出引起的。

由于钛与氮及硫形成的

和

有很高的析出温度，在高温下阻止奥氏体晶粒长大，从而可细化轧制时的起始晶粒。

但对于试制钢而言（Ti的质量分数为0.05%-0.08%），形成

和

所消耗的Ti质量分数约0.039%（N和S分别为0.007%和0.005%），而当Ti含量进一步增大时，在高温下析出

和

数量保持不变。

因而随着Ti含量的增加，钢的晶粒尺寸变化不大。

表1Ti微合金化高强度钢的化学成分、轧制工艺及屈服强度

图5不同Ti含量的高强度钢心部的显微组织

Ti的质量分数：

（a）0.052%；（b）0.060%；（c）0.068%；（d）0.076%

图6不同Ti含量的高强度钢板面的显微组织

Ti的质量分数：

（a）0.052%；（b）0.060%；（c）0.068%；（d）0.076%

图7Ti微合金化高强度钢中钛含量与晶粒尺寸的关系

2.2Ti含量对屈服强度的影响

研究表明[5]，钛化合物稳定性递减顺序为

即当钛量较低时，几乎全部用于形成

，见图4不能形成

，钢中的硫以MnS形态存在（而当钛量增加超过

，开始形成

，此时MnS与

并存（当钛含量增加到可将钢中的氮和硫全部固定时，即

时，MnS将全部被

所代替，此时钛的析出强化作用很小。

当钛含量继续增加时，多余的钛将形成TiC（见图5），TiC粒子在相间或相变后在铁素体内析出。

其尺寸非常细小（10nm以下），能产生强烈的沉淀强化效果。

由于钛与氮、硫、碳等合金元素的亲和力逐渐递减，而在钢中仅有TiC粒子对析出强化起主要贡献，因此在这里引入理论有效钛（以下简称有效钛）的概念

有效钛是指钢中与碳结合生成TiC所消耗的钛。

因此，钢中有效钛含量主要取决于钛、硫、氮的含量。

硫、氮的含量越低，则有效钛的含量越高。

2.3卷取温度对屈服强度的影响

从表2可以看出，

试制钢中有效钛含量比较高（接近0.02%，质量分数），但其屈服强度比较低（约440MPa）），与

（有效钛约为零）试制钢的屈服强度比较接近。

从表1可以看出，

试制钢的卷取温度比较低（544-557℃）。

可见，卷取温度对TiC的析出有着直接的影。

表2高强度钢中有效钛的质量分数%

一般说来，卷取温度可以看作是铁素体中TiC的析出温度[6]。

而析出温度是控制析出物尺寸的主要因素之一。

析出温度越低，形核的临界尺寸越小，析出物也越细小。

而且由于钛扩散速率较慢，因而其长大速率也较小。

在微合金元素的析出温度范围内，随着温度下降，第二相质点析出逐渐充分。

然而从动力学角度考虑，由于钛的扩散激活能高，TiC粒子析出过程是钛长程扩散的结果，需要充分的时间才能保证TiC充分析出。

如果卷取温度较低，将抑制第二相质点的析出。

同时，其固溶量也将提高，对析出过程不利，导致析出量减少。

对于

试制钢而言，尽管钢中有效钛含量比较高，但由于卷取温度比较低，TiC粒子不能充分析出，从而使析出强化的贡献减小，最终导致其屈服强度比较低。

可以看出，对Ti微合金化高强度钢而言，其最佳卷取温度应该在600℃左右。

结论

钢中加入一定量的钒钛合金元素后，不仅可以提高钢的机械性能，还可以改善钢的组织性能以及结构性能等。

但是加入的元素过量或不足，不仅不可以改善其性能，而且可能使钢材报废，所以在轧制过程中钒钛等合金元素的加入要根据钢的具体要求适量加入。

参考文献

[1]王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制和控制冷却.北京：

冶金工业出版社。

2009.3

[2]赵嘉容，杨节，唐文胜，等.含钛微合金钢的强度组分的研究.武汉钢铁学院学报，1995,18（4）:

374

[3]蔡庆伍等．控轧控冷工艺对Nb—V钢的组织性能析出行为的影响．钢铁,2002，37（3）：

32—36

[4]冯光宏等．加工工艺对含钒微合金钢力学性能的影响．钢铁,1999，34（10）：

34—37

[5]歧龙等．微合金钢一物理和力学冶金．北京：

机械工业版社，1989,3—4

[6]章守华．合金钢．北京：

冶金工业出版社，1981．25-33，52-5