為什麽高強度？
高強度鋼的應用可以減少板的厚度，從而在許多應用中減輕重量。在汽車工業中，車身輕量化可以節省燃料，從而保護環境(減少排氣量)。在造船業，船體可以被減輕以承載更多的貨物。圖3顯示了管道在管道結構中的應用。對於長度為18m，外徑為1000mm的管道，用高強度鋼X70代替低強度鋼，管道重量可從14t降低到6t。另壹個重要的例子是民用建築，如圖4所示。用460MPa的高強度鋼代替低強度鋼(235MPa)，可節約40%的材料，減輕重量50%以上，節約焊接材料70%以上。
微合金化效應
圖5顯示了主要微合金元素Nb、V和Ti對提高強度和韌性的作用及其強化機制。這三種元素都是通過晶粒細化和沈澱強化來提高強度的，但每種機制的強化程度不同。Nb的晶粒細化強化作用最強，V的析出強化作用最強，Ti介於兩者之間。如圖6所示，晶粒細化是唯壹可以同時提高韌性的強化機制。因此，在既需要高強度又需要高韌性的情況下，如管線鋼、結構鋼等都需要添加鈮。從圖5中也可以看出，鈮是經濟有效的。為了使低碳鋼的屈服強度提高100MPa，必須加入0.02%的鈮和兩倍的釩。
鈮晶粒細化引起的強烈作用與奧氏體通過固溶體再結晶的延遲有關，特別是軋制過程中鈮的碳氮化物析出。圖7顯示了分別含有Nb、v和Ti的鋼的效果。鈮在軋制的最後階段阻止奧氏體的再結晶，並促進扁平晶粒的變形，從而產生非常細小的鐵素體晶粒。
鈮的另壹個重要作用是降低中低碳鋼中的相變溫度，以促進貝氏體組織的形成，這壹點已經研究了很多，如圖8所示。轉變溫度的降低是由於在軋制過程中壹些鈮保留在固溶體中而沒有發生沈澱反應。如圖所示，當Nb和Mo同時添加或者Nb和B同時添加時，這種效果通過協同作用而增強。壹個實際例子是X80管線鋼。鐵素體-低珠光體組織能滿足韌性要求，但達不到強度水平。
微合金化不僅對軋制產品有效。v可以提高熱處理級鋼的強度，而鈮可以細化晶粒。如圖9所示，正常熱處理後，鈮明顯細化晶粒。
為了獲得期望的高水平性能，控制諸如S、N、P等雜質含量也是非常重要的。在煉鋼中，特別是對於需要高韌性的板材產品。圖10顯示了S如何影響沖擊性能。為了將S的含量控制在低水平，應用硫化物形狀控制(通常用鈣處理)以避免形成對橫向韌性有害的延伸的硫化鎂是非常重要的。
如圖11所示，氮對熱影響區韌性的損害非常大，所以低氮值得推廣。這種損害可以通過用鈦固定遊離氮來減少。氮化鈦在高溫下非常穩定，所以可以防止晶粒長大。圖12顯示了鈦固氮處理提高熱影響區韌性的好處。但是，使用鈦需要良好的控制手段。添加到鋼中的鈦的量應該限制在固定氮所需的量。如果加入更多的鈦，會形成碳化鈦，破壞熱影響區的韌性，如圖13所示。氮對焊接金屬的韌性也有影響，如圖14所示。
薄板產品的微合金化
板材產品的技術進步如下:
20世紀50年代末:Nb的引入
60年代:控制軋制的實驗探索
70年代:全面實施微合金化和控制軋制。
80年代:實施加速冷卻。
90年代:直接淬火。
圖15顯示了微合金元素Nb、V、Ti在不同冷卻工藝中的強化效果，尤其是Nb的強韌性提高效果。
微合金化鋼板應用廣泛，如管線鋼、造船用鋼、海洋平臺、民用建築(橋梁、高架橋、建築)等領域。
如表1所示，管線鋼產品的發展表明，雖然碳含量在減少，但其強度在增加。這個原因之前已經解釋過了。升級到X80的產品已經商業化生產，部分鋼企開發了X100。提高抗氫致開裂性能需要更嚴格的煉鋼工藝和極低的碳硫含量，如表2所列的工業產品。
最後，表3總結了幾種管線鋼，包括熱軋和爐卷鋼產品。在表中，我們可以註意到壹些鋼中的鈮含量高於正常水平，從0.07%到0.09%不等。近年來，這些鋼已經在北美進行了商業化生產。高鈮含量可以將奧氏體再結晶延遲到更高的溫度(如圖7所示)，使得控軋工藝更加寬松，如終軋溫度高，有利於功率受限的鋼板軋機。而且這些超低碳高鈮鋼具有非常好的韌性特性。
對於海洋平臺和造船業來說，自20世紀70年代以來的趨勢是降低碳含量，特別是在焊接工作量大和需要提高焊接性能的情況下。表4顯示了正常熱處理和加速冷卻工藝生產的335MPa級鋼的典型化學成分。
在民用建築方面，圖16顯示了瑞典現代橋梁中使用的高強度微合金鋼。采用高強度鋼，屈服強度460MPa，形變熱處理(TMCP)可減重100t，成本降低2500萬美元。表5顯示了50毫米厚結構板產品的典型化學成分，工藝為正常狀態(N)、控制軋制(TM)、淬火和回火(QT)、形變熱處理(TMCP)和直接淬火(DQ)。近年來，消防安全變得越來越重要。如圖17所示，已經開發出耐火結構鋼，並且在鋼中加入Nb和Mo以提高高溫強度。
汽車工業用熱軋和冷軋鋼板
在20世紀70年代初的第壹次石油危機之後，微合金熱軋和冷軋鋼板被廣泛用於汽車工業。用高強度鋼代替低強度鋼過去是，現在仍然是減輕汽車重量和節省燃料的有效方法。安全的需要也刺激了高強度鋼的應用。
熱軋鋼板
熱軋低合金高強度鋼板(HSLA)主要用於卡車底盤，以及公共汽車的車輪和輪轂。傳統的屈服強度級別在350 MPa-550 MPa之間，有鐵素體和少量珠光體組織。表6列出了壹些典型的化學成分。過去這些鋼也是以Ti為主要微合金元素生產的，特別是在過去鋼的硫含量比較高的時候。加入鈦的另壹個主要作用是控制硫化物的形狀。但由於碳化物形成的動力學原因，軋制過程非常復雜，大多數情況下不允許，以避免最終產品性能出現典型的大範圍分散，如圖18所示。在鐵素體-珠光體鋼中，當需要兩種微合金元素在薄板厚度方向上獲得較高的強度時，Nb和V的組合會使性能分散範圍變小。上述考慮包括Ti的碳化物沈澱強化作用。Ti如果只是用來固定n是非常有效的，在含Nb的鋼中，強度進壹步提高，因為更多的Nb也會提高可鑄性。
最近開發了690MPa級卡車大梁鋼，利用了熱軋帶鋼直接軋制的貝氏體鋼中的所有強化機制，如圖19所示。表7列出了兩種歐洲產品的合金設計。
鐵素體-貝氏體鋼，含10~30%貝氏體，用於車輪、車輪、底盤。它比鐵素體-珠光體鋼具有更好的法蘭壓邊延伸性能。與鐵素體-馬氏體-雙相鋼相反，焊接輪轂輪胎拉伸時，使用這種鋼不會出現局部縮頸。如圖20所示，當控制合金設計和軋制參數-卷繞溫度-使得第二相主要是貝氏體相時，可以實現強度和可成形性的最佳組合。
冷軋鋼板
傳統的微合金化高強度冷軋薄鋼板在汽車工業中已經使用了25年，但有些汽車零部件並不需要很高的成形性。圖21顯示了罩式爐退火鋼板的典型化學成分。傳統的微合金鋼也可以在連續退火線上生產，此時，對於給定的鋼種，可以獲得更高的強度。例如，如圖22所示，雙相鋼用於汽車側擋泥板。
形狀更復雜的產品-汽車車身(集成
面板的發展)以及由於傳統鋼材達不到與罩式爐退火相同的成形性而引入連續退火生產薄鋼板，需要開發壹種新型鋼材，即超低碳IF鋼。
無隙鋼添加有Ti、Nb或Ti+Nb以產生無隙原子。特別是在鍍鋅產品中，TiNb無縫鋼可以獲得最好的機械性能和較好的表面質量，如圖23、24、25、26、27、28所示。僅含Ti的無間隙鋼容易產生表面缺陷。
匹茲堡大學的最新研究工作表明，鈮在鐵素體晶界溶解時可以發揮重要作用。溶解在晶界的鈮可以改善冷加工脆性，降低鍍鋅產品的粉化趨勢。
鍛造用微合金鋼
微合金化技術在鍛造汽車零部件鋼中的應用，使得生產汽車零部件可以取消傳統的調質熱處理，從而大幅節約生產成本。表8列出了市場上出現的壹些鋼種。
目前已生產出僅含微合金元素V、Nb和Nb、V的復合微合金鋼。結果表明，Nb和V的復合添加比這兩種微合金元素的單獨添加更有效。Nb提高了v的析出電位。
在該產品中，最新成果包括通過直接淬火(馬氏體)或空氣冷卻獲得的低碳馬氏體+貝氏體或貝氏體鋼，它們顯示出改善的韌性。表9給出了壹個例子。
高強度緊固件和懸掛彈簧
冷鍛高強度緊固件的傳統用鋼是中碳鋼，最終產品所需的性能是通過淬火和回火獲得的。用低碳微合金鋼代替中碳鋼，不需要熱處理就能獲得最終所需的力學性能，並取消了卷繞過程中的中間球化處理。表10給出了8.8級鋼(鐵素體-珠光體)和10.9級鋼(鐵素體-貝氏體)的化學成分。
懸架彈簧是另壹種利用微合金化技術實現減重的產品。北美生產熱處理後抗拉強度2000MPa，HRc 53-55的鋼。化學成分和機械性能列於表11。
滲碳鋼
異常晶粒生長在滲碳鋼中很常見，尤其是在溫鍛條件下。在這些鋼中加入鈮來抑制異常晶粒生長在日本已經使用了很多年，最近在北美也開始使用。向這些鋼中添加微合金元素帶來的另壹個好處是，可以通過更高的加熱溫度來減少滲碳時間。鈮的加入抑制了晶粒的生長，因此可以在更高的溫度下滲碳。
鋼架
結構鋼技術的最新主要進展是，含鈮的結構鋼/工字鋼僅用壹種化學成分就能滿足幾種技術條件已工業化。查帕拉爾鋼鐵公司研制的這種“多級”鋼的典型成分只有0.01-0.02%的Nb(目標是0.015%)，足以使ASTM。
A36的屈服強度提高到345MPa以上，抗拉強度限制在550MPa以下，從而滿足ASTM A36和ASTM的要求。
A572-50的技術要求。鈮是選擇性添加的微量元素，因為為了滿足50級鋼的最低屈服強度要求，可能需要添加更多的V，V為0.02-0.03%(相對於0.015%Nb)，會提高結構鋼的抗拉強度，使其接近或超過550MPa，但在滿足A572-50的技術要求時，超過了A36允許的要求。A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36和A709-50可以滿足其他ASTM鋼的技術要求。
鋼筋
本產品用於大型混凝土結構中，以提高抗拉能力。v和Nb被添加到大直徑和高強度的鋼筋中。壹些現代軋機采用水冷技術代替微合金化來提高強度。圖29顯示了焊接鋼棒中V和Nb的強化效果。
世界微合金鋼的發展
世界微合金鋼的發展可以用鈮的總消耗量來描述，因為鈮是主要的微合金元素，75%的鈮用於微合金鋼，如圖30所示。鈮的消費量在20世紀70年代急劇上升。當時全世界都在采用控制軋制技術，汽車工業的使用量也越來越大。20世紀80年代是壹個穩定時期，但微合金鋼的產量繼續增加。Nb消耗的穩定是由於鋼鐵廠效率的提高，如安裝連鑄設備和加速冷卻，可以為給定數量的最終產品節省原料。但在鈮的消費達到飽和點後，90年代對鈮的需求大幅增長。這是受許多重要鋼鐵公司產品結構調整的影響，其品種側重於附加值產品，包括微合金鋼。圖31顯示了歐洲微合金鋼的增長。從圖中可以明顯看出，在這壹地區，與粗鋼相比，FeNb的消耗量明顯增加。在歐洲，每噸鋼的FeNb是60克。
除了微合金鋼產量的增加，Nb的應用領域也在增加。如圖32所示，在20世紀70年代中期，鈮主要用於管線鋼產品。為開發該產品而開發的微合金化技術在隨後的時間裏被應用於其他領域，如圖2000年所示。
結論
微合金化技術是生產具有高強度和其他所需性能的高質量產品的壹種經濟有效的方法。
全世界微合金鋼的產量都在增加。新鋼種在多個領域得到開發和應用，保持了鋼材在材料領域的良好競爭力。