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化學成分對低合金鋼性能和特性的影響
在研究低合金高強變鋼的化學成分以得到所要求的性能當中,絕對必要的首先是強度。由于通過合金元素的各種組合可以提高強度,所以就有了一些不同成分的低合金高強度鋼,其除了具有要求的最小強度之外還具有其他性能和特性的綜合性能。包括低合金高強度鋼,所有的鋼其力學性能基本上都是由其顯微組織決定的。低合金高強度鋼一般為鐵素體-球光體顯微組織,與碳素鋼一樣其性能受顯微組織變化的影響。這就是可以通過增加珠光體的數量、提高組織的細化程度和增加分散相的數量(沉淀硬化)來提高強度。但是,除了較細的顯微組織(細晶粒度)也提高缺口韌性之外,隨著這些顯微組織提高了強度,通常與強度提高成比例地降低缺口韌性。軋制鋼材的細晶粒組織一般通過在低的熱軋溫度下控制軋制來得到。當減小晶粒尺寸時,如控制軋制,其對缺口韌性的有利影響超過沉淀硬化的有害影響。因而鈮處理鋼控制軋制可以得到極好的強度和韌性的組合。除了顯微組織的影響之外,某些合金元素有固溶強化鐵素體的作用。低合金高強度鋼的耐大氣腐蝕性能是由其本身的化學成分決定的。

碳是很經濟的強化元素之一。當金屬極電弧焊需要避免焊接處附近熱影響區的脆性時,一般應限制碳含量低于某個最大值。由于存在某些合金元素,所以可能會提高低合金高強度鋼的淬透性,以致在熱影響區內馬氏體形成的趨勢增加。碳含量愈高,馬氏體型的組織愈硬。因而對于某一碳含量的低合金高強度鋼可能需要低氫焊條和(或)預熱,而對低碳鋼則不需要。同樣原因,當火焰切割低合金高強度鋼時也可能需要預熱和(或)切割后熱處理。

低合金高強度鋼一般比碳素結構鋼含錳量高。錳提高強度而且同時也提高缺口韌性。因為這些有利的影響,所以低合金高強度鋼中經常含有1%或更高的錳。對于焊接用鋼,根據其綜合成分但主要是碳含量,該元素應控制在低于某一最大值。

目前大量的耐大氣腐蝕低合金高強度鋼的磷含量范圍為0.07%~0.15%。而且當鋼中含有少量銅時.磷的作用大大增強.因此一定的磷和銅含量的組合對耐大氣腐蝕性能的有利影響,比相應含量的任一單一元素的影響要大。通過在鐵素體中固溶,加入磷可提高鋼的強度性能,但可能伴隨有塑性降低。以前認為當磷含量超過約0.1%時將造成鋼的脆性。然而,磷的脆化作用在很大程度上受碳含量的影響,而且當碳含量低于約0.15%時這種作用并不太明濕。一些含磷牌號的熱軋和冷軋薄鋼板已被推薦用于汽車或結構用途。

目前很多低合金高強度結構鋼都含有銅,范圍為0.20%~1.50%。在所有通常使用的提高耐大氣腐蝕的合金元素中,銅是最有效的。在通用的碳素鋼中加入最大約0.35%的銅其作用特別火。銅含量增加到約1.00%時可以繼續改善耐大氣腐蝕性能,但是其作用并不像開始增加到約0.35%時那樣顯著。銅通過強化鐵素休適度提高低碳鋼種中碳鋼的強度性能,且僅伴隨有塑性稍有降低。銅至少增加到0.75%時才被認為對缺口韌性或焊接性能有小的影響。含有超過約0.60%銅的鋼才能產生鐵素體的沉淀硬化。含有約0.50%或更高含量銅的鋼在熱加工時經常出現“熱脆”,所以在熱變形時可能出現裂紋或有時稱之為“發裂”的極粗糙的表面。加熱時注意控制氧化作用和熱加工時務必不能過熱可以減少出現這些不希望的表面狀態。此外,加入至少等于銅含量一半的鎳對提高含銅鋼的獲面質量是非常有益的。

釩是低合會高強鏖鋼中廣泛使用的強化元素。最高約0.12%的釩可提高強度而不會損害軋制鋼材的焊接性能和明顯降低其缺口韌性。因此,釩是大多數軋制型鋼和厚板的低合金高強度鋼的基本組成元素。

含釩鋼是通過鐵素體沉淀硬化和細化鐵索體晶粒來強化的。熱軋鋼材由于釩所產生的晶粒細化是隨熱機械加工工藝的變化而改變的。除非使用相當低的終加工溫度,否則一般不會產生晶粒細化。錳含量約1.0%或更高時可得到很有效的沉淀硬化和晶粒細化,氮含量約0.010%或更高時對促進氮化釩沉淀有很大作用。

1957年前后當可以很經濟地得到鈮時,用鈮作為低合金高強度鋼的強化元素或為非常重要的手段。加入少量的鈮可以有效地提高碳素鋼的屈眼點和抗拉強度。例如,加入0.02%的鈮可以使碳含量0.20%的熱軋鋼材的屈服點提高約70~105MPa。然而,除非使用特殊的軋制工藝,否則提高強度將伴隨有顯著地降低缺口韌性。這種軋制工藝包括對終軋道次使用比正常溫度低的溫度。因此,熱軋含鈮低合金高強度鋼通常僅限于較薄的厚板或薄板。其可以用特殊的軋制:工藝經濟地進行加工。

和含有釩一樣,鈮通過沉淀硬化和細化晶粒來強化,而且這些機理的作用受熱加工工藝的變化和鋼中存在其他合金元素的影響。

低合金高強度鋼的強度級別受氮含量的影響。典型的氮含量(約0.003%~0.012%,取決于煉鋼工藝)對強度有明顯的作用,而且當氮含量改變時,例如改變煉鋼工藝,可能需要調整成分以達到規定的強度級別。普通碳素鋼中加入最大約0.02%的氮已經用于作為非常經濟的獲得強度的方法,是典型的低合金高強度鋼。對于碳素鋼,這種方法一般僅限于輕型軋制鋼材,因為提高強度可能伴隨有缺口韌性降低。當鋼含有強氮化物形成元素和對鋼進行適當熱處理時,一般沒有有害的影響。然而,對含釩的低合金高強度鋼中加入氮應特別注意,因為加入氮增強了沉淀硬化的過程。沉淀硬化往往伴隨有缺口韌性降低,這可用較低的碳含量及使用能得到較細鐵素體晶粒的生產工藝來克服。在低碳含量的情況下,用釩-氮強化以達到規定的強度級別可使焊接性能得到改善。

在一些低合金高強度鋼中加入最大約1.0%的鎳。該元素通過鐵素體固溶強化使強度適度提高。鎳也可提高耐大氣腐蝕性能,并且在與銅和(或)磷共同存在時還可提高海水潮濕條件下的耐腐蝕性能。通過加入鎳來達到強化通常也使缺口韌性稍有提高。如前所述,含銅鋼中加入鎳可以克服熱脆現象。

其他元素

除了上述分別敘述的元素之外,其他合金元素也以不同的含量加入低合金高強度鋼中。這些合金元素中有硅、鉻、鉬、鈦、鋯和稀土。硅除了增強耐大氣腐蝕性能外,由于鐵素體硬化可適度提高強度。通常加入鉻是為了得到良好的耐大氣腐蝕性能。對正常熱軋或正火的低合金高強度鋼厚板和結構型鋼加入鉬是受到限制的,因為其對淬透性的強烈影響可導致一些低溫相變產物(貝氏體和(或)馬氏體)形成,該相變產物使鋼的韌性很低。對某些含鉬鋼這些低溫相變產物的有害影響可通過淬火和回火,或在厚板或熱帶軋機上采用特殊的控制軋制工藝予以消除。鈦的作用與釩和鈮相似,但由于其強的脫氧特性所以僅用于鎮靜鋼。低合金高強度鎮靜鋼中加入鋯、鈦和稀土以改善夾雜物的特性,要是使硫化物成為圓形,從而提高橫向彎曲性能或成形性能。
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