傳統(tǒng)上,鋼中微合金化元素的作用是細(xì)化晶粒,以此來提高鋼的強(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^析出強(qiáng)化來提高鋼的強(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iN的溶度積很小,這些大尺寸的TiN析出物以及鋼在凝固過程中所產(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說,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)。