什么是合金化?这是一个材料科学领域的问题!

　　提高钢的强度既简便又便宜的方法是增加碳含量.然而,这种方法使其他所希望的性能遭到消弱,如成型性,焊接性,韧性和其他一些性能.几个性能都重要的情况下的几种应用,碳含量必须保持在低水平.在低碳钢中为了获得高强度并同时保持高水平的综合性能最经济的方法是应用微合金化技术.
　　为什么要高强度
　　应用高强度钢可以降低板厚度从而在许多应用中降低重量.在汽车工业,车体减轻可以节省燃油从而保护环境（减少排气量）.在造船工业,船体减轻可以装载更多的货物.图3显示的是管道在管线结构中的应用.对于一个18m长,外径1000mm的管道,当用高强度钢X70代替低强度钢时其重量可以从14t降低到6t.另一个重要的例子是民用建筑,如图4所示,的建筑形式,用460MPa的高强度钢代替低强度钢（235MPa）可以节省材料40%,重量降低超过50%,焊接材料可以节约超过70%.
　　微合金化的效果
　　图5表明了主要微合金化元素Nb,V和Ti对提高强度和韧性的作用以及其强化机理.这三个元素均是通过细化晶粒和沉淀强化提高强度,但每种机理强化程度不同.Nb具有最强的晶粒细化强化效果,而V具有最强的沉淀强化效果,Ti介于上述两者之间.如图6所示,晶粒细化是唯一的能够同时提高韧性的强化机理.因此,当同时需要高强度和高韧性综合性能时就需要添加铌,譬如管线钢和结构钢.在图5中还可以反映出铌是经济有效的.如要使低碳钢的屈服强度提高100MPa,需要添加0.02%的铌,而钒则需要添加两倍的量.
　　铌的晶粒细化引起的强烈效果与其在轧制时通过固溶,特别是碳氮化铌析出延迟奥氏体再结晶有关系.图7显示了分别含Nb,V,Ti钢的效果.铌阻止在轧制最后阶段奥氏体的再结晶,促进了扁平晶粒的变形,从而导致非常细的铁素体晶粒.
　　铌的另一个重要影响是在中低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成,这一研究已经比较多了,如图8所示.降低转变温度是由于在轧制过程中仍有一部分铌留在固溶体中而没有发生沉淀反应.这一效果在同时加入Nb和Mo或同时加入Nb和B时由于协同作用而加强,如图所示.其中一个实际例子是X80管线钢,铁素体-低珠光体组织在得到韧性要求的同时却达不到强度级别.
　　微合金化不仅仅对轧制产品有作用.V可以在热处理级别钢种提高强度,而铌可以细化晶粒.如图9所示,在正常热处理之后,铌明显的细化了晶粒.
　　为了得到所希望的高水平性能,在炼钢时很好的控制杂质含量如S、N、P等也是非常重要的,特别是对需要高韧性的板材产品.图10表明了S是如何影响冲击性能的.为了把S含量控制在低的水平,应用硫化物形状控制（通常用钙处理）对于避免生成对横向韧性有损害的延长硫化镁是非常重要的.
　　如图11所示,氮对热影响区的韧性的损害是非常大的,因此低氮是值得提倡的.这一损害可以用钛固定游离的氮以降低其影响.氮化钛在高温时非常稳定,因此它可以阻止晶粒的增长.图12显示了钛固氮处理提高热影响区韧性的益处.然而用钛需要很好的控制手段.加入到钢中的钛的量要以固定氮所需要的量为上限.如果多加了钛将促使形成碳化钛,这样对热影响区的韧性有损害,如图13所示.氮对焊接金属的韧性也是有影响的,如图14.
　　板材产品的微合金化
　　板材产品方面的技术进展可以作如下描述：
　　50年代后期： Nb的引入
　　60年代： 控制轧制的试验探索
　　70年代： 全面实行微合金化和控制轧制
　　80年代： 实行加速冷却
　　90年代： 实行直接淬火
　　图15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷却工艺下在板材中的强化效果,Nb的提高强韧性的效果尤为突出.
　　微合金化板材有着非常广泛的应用,如管线钢,造船钢,海洋平台,民用建筑（桥梁、高架桥,建筑）以及其它领域.
　　如表1所示,管线钢产品的发展,表明虽然碳的含量在不断降低,但其强度却在增加,这一原因前面已经说明.提高到X80级的产品已经进行商业生产,一些钢铁公司已经开发了X100级别.提高抗氢致裂纹需要更严格的炼钢工艺并需要非常低的碳和硫含量,如表2所列的工业产品.
　　最后,表3对几种管线钢进行了总结,包括热轧和炉卷产品.在表中我们可以注意到一些钢中的含铌量高于正常情况的含铌量,在0.07~0.09%之间.这些钢最近几年在北美已经进行商业生产.高铌含量可以把奥氏体再结晶延迟到更高的温度（如图7所示）,这使控轧工艺更加宽松,如高的终轧温度,这对有功率限制的钢板轧机是有益的.而且,这些超低碳高Nb钢具有非常好的韧性特性.
　　对于海洋平台和造船业来讲,自70年代以来的趋势是降低含碳量,特别是在高焊接工作量并需要提高焊接性能的情况下.表4显示的是分别通过正常的热处理和加速冷却工艺生产的335MPa级的典型的化学成分.
　　在民用建筑方面,图16表明了在瑞典现代桥梁应用的高强度微合金化钢.用高强度钢,屈服强度460MPa级,热机械工艺（TMCP）可以降低重量15,000t,降低费用2500万美元.表5显示的是50mm厚结构板材产品典型的化学成分,工艺分别为正常情况（N）,控轧（TM）,淬火和回火（QT）,热机械工艺（TMCP）和直接淬火（DQ）.最近几年,安全防火变得越来越重要.如图17所示,防火结构钢已经发展起来,该钢添加Nb和Mo以提高高温强度.
　　汽车工业用热轧和冷轧薄钢板
　　在70年代初第一次石油危机之后,微合金化热轧和冷轧薄钢板在汽车工业获得了广泛应用.用高强度钢代替低强度钢过去是现在依然是降低汽车车重的有效方法,以节省燃料.安全方面的需要也激发了高强度钢的应用.
　　热轧薄钢板
　　热轧低合金高强度钢（HSLA）薄钢板主要用于卡车的底盘部分,也用于大客车的车轮,轮毂等部件.传统的屈服强度水平在350MPa到550MPa之间,具有铁素体加少量珠光体组织.表6列出了一些典型的化学成分.过去,这些钢也用Ti作为主要微合金化元素来生产,尤其是在过去钢的含硫水平比较高.加入钛的另外一个主要作用是控制硫化物的形状.但是由于其碳化物形成的动力学原因,轧制工艺十分复杂,大部分情况下是不允许的,以避免出现典型的最终产品性能大范围的分散,图18.在铁素体-少量珠光体钢中,当薄板的厚度方向需要使用两种微合金化元素来获得更高的强度时,Nb和V的结合将使性能分散范围小些.以上考虑涉及到Ti的碳化物沉淀强化作用.如果只用来固定N,则Ti很有效.在含Nb钢中,强度进一步提高,因为更多的Nb将使铸造性能也得到改善.
　　最近,开发出690MPa级卡车大梁用钢,它利用了在由热带轧机直接轧出的贝氏体钢中所有的强化机理,图19.表7列出了两种欧洲产品的合金设计.
　　铁素体-贝氏体钢,含10~30%的贝氏体,用于车轮、轮毂和底盘,它比铁素体-珠光体钢具有更优越的凸缘压边延伸性能.与铁素体-马氏体——双相钢相反,当焊接的轮毂轮箍被拉伸时,使用这种钢不会出现局部颈缩.如图20所示,当合金设计、轧制参数——卷取温度——得到控制从而第二相主要为贝氏体相时,就可达到强度和成型性的最优配合.
　　冷轧薄钢板
　　传统的微合金高强度冷轧薄板用钢在汽车工业已使用了25年,但部分汽车零件不需要高的成型性.图21显示了罩式退火钢板的典型化学成分.传统的微合金钢也可在连续退火线上生产,此时,对于给定的钢种,可以获得更高的强度.例如,如图22所示的用于汽车侧挡板的双相钢.
　　更复杂形状的产品——汽车车体（integrated
　　panels）的开发以及传统钢达不到罩式退火同样的成型性而引入连续退火生产薄钢板,需要开发一种新的类型钢,即无间隙钢——超低碳IF钢.
　　无间隙钢添加Ti、Nb或Ti+Nb生成无间隙原子.尤其在镀锌产品中,TiNb无间隙钢可获得最优配合的机械性能以及更好的表面质量,如图23、24、25、26、27、28所示.仅添加Ti的无间隙钢易于产生表面缺陷.
　　匹兹堡大学的最新研究工作已经表明,当铌在铁素体晶界溶解时,它能起到重要的作用.晶界处溶解的铌改善冷加工脆性,并能降低镀锌产品的粉化趋势.
　　用于锻造的微合金钢
　　微合金化技术在锻造汽车零件钢中的应用允许除掉传统的淬回火热处理生产汽车零件,从而显著节省生产成本.表8列出了一些在市场上出现的钢种.
　　现已生产了仅含微合金元素V、仅含Nb以及Nb、V复合微合金钢.研究表明,复合添加Nb和V对提高强度比单独添加这两种微合金元素中的任何一种更有效.Nb提高了V的析出潜能.
　　在这种产品上,最新成果包括有直接淬火（马氏体）或空冷获得的低碳马氏体+贝氏体或贝氏体钢,它们表现出韧性得到改善.表9给出了一个例子.
　　高强度紧固件与悬挂弹簧
　　传统的冷锻高强度紧固件用钢为中碳钢,由淬回火得到最终产品所需的性能.用低碳微合金钢替代中碳钢,不需要热处理就能得到最终所需的机械性能,并且消除了在收线过程中的中间球化处理.表10给出了8.8级钢（铁素体—珠光体）与10.9级钢（铁素体—贝氏体）的化学成分.
　　悬挂弹簧是另一种使用微合金化技术而达到减重的产品.北美生产出热处理后抗拉强度为2000MPa级、HRc为53-55的钢.化学成分与机械性能在表11中列出.
　　渗碳钢
　　在渗碳处理钢中,尤其在温锻条件下,晶粒非正常长大较为普遍.这些钢中加入铌抑制晶粒非正常长大,这项技术已在日本使用多年,最近在北美也取得应用.微合金元素添加到这些钢中而带来的另一个好处是通过更高的加热温度而有可能减少渗碳时间.铌的加入抑制晶粒长大,因而使在更高温度渗碳成为可能.
　　结构用型钢
　　在结构用型钢技术上的最新主要进展是仅使用一种化学成分就可满足几种技术条件的含铌结构型钢/横梁钢已工业化.这种由Chaparral钢铁公司开发的“多级别”钢,典型的成分仅含0.01-0.02%Nb（目标为0.015%）,这足够将ASTM
　　A36的屈服强度提高到345MPa以上而抗拉强度限制在550MPa以下,从而既能满足ASTM A36又能满足 ASTM
　　A572-50的技术条件.铌是选择性添加微量元素,因为为了满足50级钢的最低屈服强度要求,可能要多添加一些V,为0.02-0.03%（与0.015%Nb相比）,这会提高结构型钢的抗拉强度,使它接近或超过550MPa,而当满足A572-50的技术要求时,又超过了A36所允许的要求.其它ASTM钢的技术要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36与A709-50等多级别钢满足.
　　钢筋
　　该产品用于大型混凝土结构以提高抗拉能力.大直径高强度级别钢筋添加了V和Nb.一些现代轧钢厂采用水冷技术取代微合金化提高强度.图29为V和Nb在焊接用钢筋中的强化效果.
　　世界微合金化钢的发展
　　世界微合金化钢的发展可由Nb的总消耗量来描述,因为Nb是一种主要微合金化元素,并且75%的Nb用于微合金化钢,见图30.70年代Nb的消耗量急剧上升.当时控轧工艺在全世界范围内被采用,同时汽车工业使用量也在增加.80年代是稳定期,但微合金化钢产量继续增加.Nb消耗量的稳定是因为钢铁厂效率的提高,如连铸设备的安装、加速冷却,对给定量的最终产品,这可节省原材料.然而在Nb消耗量达到饱和点后,在90年代Nb的需求又显著增加.这是受许多重要的钢铁公司产品结构调整的影响,他们的品种集中在附加值产品,包括微合金化钢.图31很好的显示出在欧洲微合金化钢增加情况.从图中明显看出,在该地区,与粗钢相比,FeNb的消耗量显著增加.在欧洲,每吨钢中的FeNb为60g.
　　除了微合金钢产量增加外,Nb使用领域也在增加.如图32所示,在70年代中期,Nb主要用在管线钢产品.为开发该产品中而发展起来的微合金化技术在随后的时间里被应用在其他领域,如该图所示的2000年情况.
　　结论
　　微合金化技术是一条生产高强度和其它所需性能的高质量产品的经济有效途径.
　　世界范围内的微合金化钢的产量不断增加.新的钢种已开发出来,并应用在许多领域,保持着钢在材料领域的良好竞争能力.