铌在钢中物理冶金基本原理

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1、铌在钢中物理冶金基本原理AnthonyJ.DeArdo（美国匹兹堡大学材料科学与工程系基础金属工艺研究所）摘要众所周知，铌加入很多钢中，目的是为了改善加工工艺和微观组织，提高机械性能和使用性能。过去20年，铌的使用也使新钢种具有新的特性。因此，铌加入现有的钢如不锈钢中，也使它的性能得到改善。本文将叙述铌在传统钢和一些新开发钢中的基本行为，重点放在基本冶金原理上，因为这些原理的应用使成分-工艺-组织-力学性能之间的关系合理化，并得到利用。这些基本冶金原理的应用产生预期效果，那就是调整钢的进行化学成分和加工工

2、艺，生产出具有优越的力学性能与改善的综合使用性能的钢。前言今天，当我们聚集一堂庆祝查理斯·哈契特发现铌200周年时，我们将会一再地谈到铌是如何改变材料领域的科技面貌(1,2)。没有哪一领域能比钢铁领域中的变化更明显。尽管铌是过渡金属，但或许最重要的过渡是它在1960年以前只不过是实验室的好奇品，到1965年却变成商业化的添加到钢中的铁合金。尽管我们把1801年作为铌发现纪念日，事实上，直到1965年才由位于巴西阿拉莎的CBMM矿开始了铌铁的第一次成功地商业化生产(3)。1965年后，铌铁变得非常富余，并第

3、一次作为微合金化元素用于钢铁工业。而这以前，只有钒和钛能以商业化规模供微合金化钢生产。尽管在20世纪30年代后期就已经知道铌添加到低碳钢中会带来很多好处(4)，但直到1958年才掀起铌微合金钢生产的第一次高潮，当时是由美国国家钢厂生产热带钢(5)。1981年在美国旧金山举行的铌国际研讨会回顾了那个时期铌在很多材料中成熟使用的科学和技术(6)。到1981年，在很多产品中，采用控轧、奥氏体调节、合适的合金设计得到合适性能的铁素体-珠光体组织，这些理念已被理解并得到实际应用。在当时，或许铌在板材和管线用微合金钢

4、上的应用最为成功。另一方面，铌微合金化技术用在带材、薄板、棒材、型材和铸件上生产线的益处才刚开始被开发利用。在铌文集的钢铁论文中谈到的大部分工作是关于铁素体-珠光体组织(6)。那么从1981年以来，铌微合金化技术在钢中的应用产生的益处有了哪些变化？过去20年，对含铌钢至少有两大变化。一是在合理的断面尺寸与低碳含量内，铁素体-珠光体组织的钢难超过400MPa的屈服强度水平，而实际应用对强度水平提出更高的要求，从而使几乎每一产品级别中发生铁素体组织的变化，出现低温转变产物如针状铁素体和贝氏体等，或产生多相组织

5、。有时是通过加速冷却获得这些组织的，有时是借助淬透性的途径，或者有时添加合金元素来改善这两者。无论采用哪种途径，铌继续在优化这些钢的制造、最终机械性能和使用性能方面发挥主要积极的作用。本次会议上的其他文章将阐述这些优点。第二大变化是，铌作为稳定化元素，通常与Ti复合，用在超低碳钢（ULC）和铁素体不锈钢中，这已被广泛接受。因为作为微合金化元素添加到ULC钢中，Nb加入量通常在100~300ppm范围内。然而，在铁素体不锈钢中有时Nb含量为1500~5000ppm，此时铌是合金元素。所谓的双稳定ULC钢和铁

6、素体不锈钢是它们各自系列中切实可行的、得到成功应用并且数量不断壮大的钢种。本文的前面章节已在铌文集中陈述过(7)。在那篇论文中，作者给出当时理解的Nb的基本情况和它在钢中的行为。然而，在这20年间，许多新知识将发现，它们将充实早期论文中阐述的内容。本文按如下进行安排：(1)基本情况(2)铌与奥氏体调节(3)铌与转变(4)铌与强化(5)铌与稳定化本文旨在提供给读者理解现代Nb微合金钢所必需的知识。文中叙述的基本原理有望帮助读者设计更好的钢种和加工工艺，以进一步改善开发的钢种，而所有这些的实现都要借助Nb的合

7、理使用。同时，使用要求更加苛刻：减重、安全和低成本等。要满足这些不断增长的要求，只有通过对文献中的知识和Nb微合金化基本原理的透彻理解，大量的进步取决于这些透彻的理解。2基本情况2.1电子排列铁、锰和铌属于过渡族金属元素，过渡族金属原子的电子层结构特征是外层有电子(第4周期元素是4s能层，第5周期元素是5s能层)，而内层却没完全充满(第4周期元素是3ds能层，第5周期元素是4d能层)。过渡金属是唯一的有未充满内层的元素。图1中给出的许多过渡元素能置换高强度低合金钢(HSLA)中铁原子而形成置换固溶体(8)

8、。图1:删减的周期表给出一些与铁形成固溶体的元素(8)2.2Fe-Nb相图从结晶学分析，可能认为铌与铁在高温是无限固溶的。铌-铁平衡相图已建立：具体相图可在标准中找到(9)。涉及到铌在钢中的应用，该相图最有意义的特征是存在一个γ相圈，使γ相的存在限制在铌含量小于0.83%(0.50at.%)合金中。显然，铌是铁素体稳定剂。然而，铌含量增加到0.10~0.20%会降低A3点，也就是γ相区明显地呈最小，类似于铁-铬和铁-钒系；因此