非调质钢的研究材料工程袁峰

非调质钢的研究材料工程袁峰
非调质钢的研究
摘要：针对目前变形量对非调质钢的强化效应存在一定影响的现象，本项目以
非调质钢为研究对象，对其控锻控冷后进行形变处理，进行不同变形量的锻造工艺试验和显微组织观察及力学测试，探讨形变量对非调钢温锻组织及力学性能的影响规律及形变强化机理，旨在丰富非调质钢强化技术手段，也为各行各业使用非调质高强度钢提供一些理论与实践依据。

关键词：非调质；强化机理；力学性能
目录
前言 (3)
1、非调制钢的研究现状 (3)
1.1、非调质钢的发展历程 (3)
1.2、非调质钢的力学性能 (4)
1.3、非调制钢强韧化机理和技术 (5)
1.4、影响非调制刚性能的因素 (7)
2、非调质钢的研究方向与应用 (7)
2.1、非调质钢的研究方向 (7)
2.2、非调质钢的生产与应用 (8)
3、总结 (8)
参考文献 (10)
前言
从20世纪70年初，由于出现石油危机，对汽车工业用材和工艺产生了强烈的影响，为了降低成本、节约能源，对能否不经过调制处理却可以得同样的性能产生了极大的兴趣，从而促进了不用调质处理的非调质钢的研制与开发。

目前，国外许多汽车制造都在使用非调制钢；国内的汽车制造也在自主开发和应用非调质钢技术,来制备汽车连杆、曲轴、前轴等零件。

采用优良组织、精炼工艺、微合金化技术，
使非调质钢的应用范围更加广泛，涉及到建筑、高压输送管道、重型机械等领域[1]。

1非调制钢的研究现状
非调制钢是在中碳钢中添加微量合金元素(Nb，Ti，V)，通过控温锻造和冷却，在珠光体和铁素体中弥散析出氮(碳)化合物强化相，使之在锻后不经过调质处理就能得到相似的力学性能的钢种[3]。

微合金非调质钢经热锻后其力学性能可以达到中碳调质钢的水平,从而可以省去了调制工序，简化了生产工艺[4]，它不仅节省能源，缩短生产周期，还可以避免淬火变形及开裂，提高产品质量，具有重要的技术和经济意义[5]。

通过在成分中加入微合金化合金元素形成弥散强化效果，在工艺方面通过严格控制锻造的终锻温度及锻后的冷却速度，得到晶粒细化的铁素体及珠光体组织或铁素体与珠光体和贝氏体组织，从而得到与调质钢热处理后相一致的力学性能，取缔了常规调质钢锻后热处理工序，提高了锻件生产效率，材料利用率，产品合格率[6]。

1.1非调质钢的发展历程
非调质钢的发展有三个主要历程：在1972年西德开发的以49MnVS3为代表第一代沉淀硬化的铁素体-珠光体钢，由于韧性不足的原因,导致其前景受到了限制。

在80年代初，研发了第二代，主要是贝氏体型和铁素体-珠光体这两大类，前用量最大的非调质钢就是此类，为提高铁素体-珠光体型非调质钢的韧性，研发了许多新技术：晶粒细化法、促进晶内铁素体形成技术、氧化物冶金技术。

第三代非调质钢特点是碳含量低，它的组织是回火马氏体，具有比较高的强度和优异的韧性，其被称为低碳马氏体型[2]。

1.2非调质钢的力学性能
非调制钢锻后在Ac1至1050℃范围内进行二次加热，通过沉淀相形貌和分布的改变，在空冷状态下可获得较原锻造条件下更为细小的铁素体晶粒和较高的先共析铁素体比例，从而很好地提高了冲击韧性，并改善了钢的强韧性[7]。

随着磨损时间的延长，非调质钢由于其铁素体中弥散分布的微合金碳化物，使得次表层的位错分布均匀。

一方面可以不易产生非调质钢铁素体中的微孔洞，剥层很难发生；另一方面
可以使非调质钢的表面加工硬化不像调质钢那样严重，可以有良好的塑性[9]。

在钢的化学成分上采取合理的降碳加锰、硅和微量钒。

在钢中加入微量的钒，使其在热加工后的冷却过程中，在铁素体中析出V 化物，因而得到沉淀强化，使之在降碳的情况下取得与调质钢强度相当的水平。

在钢中加入适量的硅和锰，从而提高钢的韧性。

在钢中加入硫改善钢的切削性能[10]。

1.3非调制钢强韧化机理和技术
1.3.1形变强化
随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。

1.3.2相变强化
通过微合金化技术，并控制轧后冷却速度，可以获得不同的相变组织，提高螺栓钢的强度，目前非调质螺栓用钢的组织包括多边形铁素体，珠光体，贝氏体，多边形铁素体。

1.3.3细晶强化
细晶强化是靠添加V，N，Ti等元素微合金化来实现的，V与C，N有很强的亲和力，多以C，N化合物的形式存在于钢基体中，一方面呈弥散析出起到弥散强化作用，另一方面通过阻止晶界迁移，能够有效抑制奥氏体晶粒长大，从而获得细小的铁素体和珠光体，并阻止铁素体的再结晶长大，起到细晶强化作用[8]。

因此晶粒细化既可以提高强度又可以改善韧性，而其它强化方式都将导致韧性下降对非调质螺栓钢。

通过适当控制加热温度和冷却速度，在奥氏体晶内提供大量铁素体形核位置，则在相变时，铁素体不仅可以在晶界上形核，便能得到细小且分布均匀的铁素体，从而显著提高非调质螺栓钢的韧性[7]。

1.3.4时效强化
时效处理是非调质高强度螺栓生产工艺的最后一道工艺，螺栓钢冷变形后，在组织结构中存在大量的位错，经过时效处理，基体内部析出微细弥散的碳(氮) 化合物质点，这些析出的微细质点在高位错密
度区偏聚具有钉扎作用，从而阻碍了组织结构中的位错移动，提高了钢的强度[12]。

1.3.5正火和回火
正火和回火是非调质钢常用的强韧化工艺，用以调整轧件或锻件的力学能。

正火、回火工艺比较简单、操作方便，对提高(调整)非调质钢零件的强韧性有事半功倍的效果。

在1000℃以下的正火处理，可有效地改善锻态非调质钢的韧性，强度稍有损失。

是可取的韧化处理方式之一[8]。

正火可以使显微组织有不同程度的细化，可以改变铁素体-珠光体的组织形态，冲击韧度可以被有效地提高,便可以最大限度地改善非调质钢的性能。

回火一般用于贝氏体非调质钢。

具有优良韧性的贝氏体型非调质钢可通过回火进一步显著提高韧性。

1.4影响非调制刚性能的因素
1.4.1化学成分对非调质钢性能的影响
随C含量的增加，其冲击功明显地降低，韧脆转变温度也会急剧升高。

因为C含量的变化，铁素体和珠光体的比例也会随之改变。

增加C的含量，珠光体量会增多，铁素体量会减少，钢的冲击值会降低。

Mn会降低Ar3温度，便可以细化晶粒；Mn又以降低Ar1温度，从而减小片间距，便有利于提高钢的韧性[14]。

Si在钢中全部固溶在铁素体中，也是最常用的元素。

V在奥氏体中溶解度大，在锻后冷却及转变过程中析出相体积率大，所以V的析出强化效果更好。

由于V 的易溶性，加热时，V几乎不影响奥氏体晶粒的长大。

虽然V可在比较宽的含量范围内对钢的强度有累加性贡献，但V属于提高强度，降低韧性的元素[15]。

1.4.2显微组织对非调质钢性能的影响
非调质钢的金相组织为铁素体+珠光体，夹杂物级别在0.5~2.5级，晶粒度是6.5~8.0级，珠光体所占比例为65~85%之间。

从用户使用情况来看，非调质钢的强度被珠光体的体积分数及铁素体的晶粒尺寸所影响，而钢的冲击韧性则受奥氏体晶粒大小的影响[17]。

表3 38MnVS钢连杆锻件的力学性能
Process No. R m/MPa R p0.2/MPa A/% A KU(25o C)/J
Hardness/HV
1 1013.3 718.3 14.
2 8.7 329.0
2 985.0 643.
3 15.5 33.3 314.3
3 995 701.6 15.0 5.5 34.7
由表3可见，控冷工艺1和工艺3的力学性能很相近，工艺2的抗拉强度屈服强度和硬度较低，伸长率略高，但冲击韧性明显高于控冷工艺1和3。

38MnVS 钢连杆采用先锻后快速冷至550℃，再保温缓冷的方式，可获得较多的细小条块状先共析晶内铁素体，并使过冷奥氏体转变后所得到的珠光体被分割的更加细小；与珠光体网状铁素体组织相比，细小条块先共析晶内铁素体以及被其分割为细小珠光体的复合组织，强度略低，但冲击韧性显著提高[16]。

1.4.3形变工艺对非调质钢性能的影响
（1）非调质钢随着锻造加热温度的提高，其度提高，塑性、韧性降低，控制加热温度十分必要。

（2）非调质钢锻件的强度和硬度会随锻后冷却速度的提高而明显上升。

当冷速过低时。

不但强度低，而且塑性、韧性也较低：当冷速过高时硬度偏高，会影响其切削性能，因此，必须控制在合理的冷却速度范围内[7]。

（3）在中锻机组与精锻机组间采用控温锻造，保证其终锻温度低于1000℃，并且控制合理的轧制节奏，确保锻件有充足的空冷时间，便得到呈块状分布铁素体，可以有效改善了钢的韧性。

1.4.4形变温度对性能的影响
温度越低，形变强化铁素体相变所需临界应变量就越小，转变就越快；随转变量的增加，图中曲线向右下角移动，这说明要获得较大数量的形变强化相变铁素体，低温、大变形条件是必要的。

随变形温度的降低，一定变形量下形变强化铁素体转变量会增加，而晶粒尺寸会减小，随温度升高，临界应变量增大[18]。

1.4.5变形量对性能的影响
这次实验主要研究变形量对非调制钢强化效应的影响，已知锻造温度和变形量是决定奥氏体再结晶程度的两个主要因素。

锻造温度越高，变形量越大，就越容易发生再结晶。

在变形量是50％、锻造温度为1050℃和变形量为70％、锻造
温度为1000℃时，实验钢都发生了完全再结晶[19]。

在一定形变温度下，随形变量增加，由于晶粒细化，相变后贝氏体数量急剧减少，其贝氏体量取决于原始晶粒尺寸。

相变前晶粒大小及形态同样也影响珠光体和铁素体的形态和尺寸，随形变温度降低，形变量增大，铁素体晶粒及珠光体团均成细小多边形。

本试验发生再结晶的临界形变量较大，再结晶量随形变温度升高和形变量增加而增加。

制定热形变工艺时，应适当降低终轧温度及增大形变量，以细化金相组织，提高综合力学性能[20]。

在形变量较大时(r≥40％)，高于1000℃的为再结晶细化区，低于900℃为未再结晶区，在900℃～1000℃间为部分再结晶区。

在950℃以上形变，形变后奥氏体晶粒尺寸随形变量增大而明显减小，而与形变温度关系不大。

在高温区(T≥1000℃形变，当形变量很小时大概r=10％时，奥氏体再结晶数量有所增加，形变量r≥25％时，奥氏体再结晶数量增加很少晶粒有所长大[21]。

2非调质钢的研究方向与应用
2.1非调质钢的研究方向
（1）优良的成分设计：合理选用有适合化学成分的钢，开发出低成本、有优良性能的非调质钢,诸如通过调整C，Mn，N，V，Ti等含量的新型非调质钢的开发。

（2）复相组织开发：继铁素体-珠光体型、马氏体型非调质钢开发应用之后,铁素体-贝氏体型、铁素体-马氏体型复相组织非调质钢等因为其成本低、性能优良正被重视[23]。

（3）工艺的变革：包括纯净钢冶炼技术、精炼技术及均匀分布技术、铸坯成分偏析控制技术、控锻控冷技术和晶内铁素体控制技术研究。

（4）非调质钢应用技术等的研究：开发出具有良好强韧性配合、
高疲劳性能并且能满足高速切削的重载用非调质钢及其成套工业生产技术，可以满足对高性能非调质钢不断增长的需求[22]。

2.2非调质钢的生产与应用
用非调质钢制造机械零件，可以取消了曾经的调质热处理工序。

从而节省了能源，缩短了生产周期，消除了由于处理过程中造成的废品和返修品。

而且改善
了劳动条件。

此外，非调质钢断面机械性能均匀，切削性能提高，疲劳性能有所改善，焊接性能好从而提高了产品质量[11]。

3总结
锻造工艺和形变量对35MnV非调钢温锻组织和力学性能有一定的影响，但是什么样的锻造工艺和形变量的多少是最有利于35MnV非调制钢是不确定的。

所以这次实验主要研究变形量以及锻造工艺对非调制钢强化效应的影响。

但已知锻造温度和变形量是决定奥氏体再结晶程度的两个主要因素。

锻造温度越高，变形量越大，就越容易发生再结晶。

热变形后，组织的均匀程度会受到锻造温度和变形量的影响，变形量加大和锻造温度的提高有利于奥氏体组织的均匀分布。

随着锻后冷却速度的提高强度、硬度明显上升。

当冷速过低时，不但强度低，而且塑性、韧性也较低，当冷速过高时硬度偏高，会影响其切削性能，因此，必须控制在合理的冷却速度范围内。

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