合金化與什麼

1. 8，什麼是高分子合金，合金化對性能有何改善

答：高分子合金是指塑料與塑料或橡膠經物理共混合化學改性後，形成的宏觀上均相、微觀上分相的一類材料。兩種材料進行共混時，可以形成宏觀上分相型高分子共混物(其分散相的粒徑>1m)、微觀分相型高分子共混物(其分散相的粒徑在0.1~1m之間)和完全相容型高分子共混物。高分子合金即指後兩者。

經過合金化，原來單一高分子化合物性能上的某些欠缺可以相互彌補，表現出均衡的綜合性能，或可以使某些性能，如物理機械性能，尤其是沖擊韌性、加工件能等得到較大的改善，也可賦予材料某些特殊的功能性。

2. 什麼是脫氧，什麼是合金化，常見的合金起的作用是怎樣

在合金的熔煉中，使金屬液中的金屬氧化物還原而去除氧的過程稱為脫氧。生產中使用的脫氧方法有三種，即擴散脫氧、沉渣脫氧和真空脫氧。
1、擴散脫氧
這種脫氧方法在電爐煉鋼中有所應用，是通過含氧量低的渣，使鋼-渣界面處或渣的下層發生氧的擴散，使鋼液中的氧向渣中轉移，通過扒渣—造新渣—扒渣……的過程而達到脫氧的目的。
2、沉渣脫氧
把脫氧劑加入到金屬於液內，並採取措施使其充分擴散，直接和金屬液接觸並與金屬液中的氧發生反應，形成的產物不溶於金屬，且比重比金屬小，能從金屬液中排出，這種脫氧方法稱為沉渣脫氧。原則上較活潑的元素可以做還原劑。對煉鋼來說工業上常用
al、ca、si。
3、真空脫氧
通過真空熔煉手段，降低體系中的壓力，使co的分壓降低，促使鋼液中的［c］和［o］結全，生成
co，達到鋼液脫氧目的，這種脫氧方法稱真空脫氧。
參考資料：http://www.zz361.com/information_content.php?id=10011949

3. 請教合金化與變質處理的區別。。。。

合金化？不知你指的是冶煉還是奧氏體合金化如果是後者，就是隨著溫度的升高，保溫，金屬化合物逐步溶解，合金元素逐步融入奧氏體，改變相圖的過程。
變質處理多在鑄造過程中使用，如鋁合金鑄造時加入一定量的鈉鹽，會細化組織，是原來棒狀的硅變成細點狀。

4. 什麼是合金化

合金化（Mechanical Alloying，簡稱MA）是指金屬或合金粉末在高能球磨中通過粉末顆粒和磨球之間長時間的激烈的沖擊、碰撞，使粉末反復產生冷焊、斷裂，導致粉末顆粒中原子擴散，從而獲得合金化粉末的一種粉末制備技術。而物理粉碎只是簡單的把大的顆粒粉碎為小的顆粒而已，在此期間並沒有發生合金化。也就是兩種物質各是各的，但合金化是兩種物質在原子尺寸上合為了一種合金。二者可以說都是屬於機械化學法。

5. 什麼是機械合金化

機械合金化
用高能研磨機或球磨機實現固態合金化的過程。
機械合金化基本原理
機械合金化是一個通過高能球磨使粉末經受反復的變形、冷焊、破碎，從而達到元素間原子水平合金化的復雜物理化學過程。在球磨初期，反復地擠壓變形，經過破碎、焊合、再擠壓，形成層狀的復合顆粒。復合顆粒在球磨機械力的不斷作用下，產生新生原子面，層狀結構不斷細化。在機械合金化過程中，層狀結構的形成標志著元素間合金化的開始，層片間距的減小縮短了固態原子間的擴散路徑，使元素間合金化過程加速。球磨過程中，粉末越硬，回復過程越難進行，球磨所能達到的晶粒度越小。並且，材料硬度越高，位錯滑移難以進行，晶格中的位錯密度越大，這些又為合金化的進行提供了快擴散通道，使合金化過程進一步加快。
球磨過程中，大量的碰撞現象發生在球－粉末球之間，被捕獲的粉末在碰撞作用下發生嚴重的塑性變形，使粉末受到兩個碰撞球的「微型」鍛造作用。球磨產生的高密度缺陷和納米界面大大促進了SHS反應的進行，且起了主導作用。反應完成後，繼續機械球磨，強制反復進行粉末的冷焊－斷裂－冷焊過程，細化粉末，得到納米晶。
機械合金化的主要特點
機械合金化(MA)技術是制備新型高性能材料的重要途徑之一。採用MA工藝制備的材料具有均勻細小的顯微組織和彌散的強化相,力學性能往往優於傳統工藝制備的同類材料。採用液氮作為冷卻劑的低溫MA技術制備的Al3Ti/Al合金與傳統鋁合金或鈦合金相比,在高溫強度和密度方面(尤其在350℃左右)具有特別的優勢。可望成為部分取代傳統鈦合金的新型航空材料,達到減重或提高發動機推重比的目的。
機械合金化是一種合成細晶合金粉末材料的有效方法。TiAl基合金採用快冷方法無法獲得非晶,而採用機械合金化則可以形成非晶。利用機械合金化製得的非晶態TiAl基合金粉末,在其玻璃點溫度以上壓實時,粉末的流動性非常好,可以得到形狀復雜、緻密度近理想狀態的合金試件。機械合金化工藝採用的原料既可是單質元素粉末,也可是預合金粉。Ti、Al單質混合粉經機械合金化,很容易使Ti、Al組元尺寸細化、形成一種顆粒細小的Ti/Al復合粉;進一步延長球磨時間,則發生合金化或形成非晶。TiAl預合金粉經機械合金化,其晶粒尺寸能顯著細化。兩種經機械合金化方法處理的粉末,其燒結行為有些差異,但均可燒結成緻密度大於96%的TiAl基合金材料。
機械合金化方法制備TiAl基合金粉末的最大特點是易於獲得納米晶組織。如:預合金粉Ti-47.5%Al-3.45%Cr經機械球磨後,晶粒可細化至40～50nm,再經熱壓和1200℃熱處理25h,晶粒尺寸也只長大至1μm。Hiroshi等通過機械球磨製得了Ti-51Al非晶,發現在同一保溫時間下,隨熱壓溫度的增加γ晶粒尺寸增加,但經1300℃保溫5h,其尺寸仍能保證在50nm以下,且當直徑為15nm時,材料硬度達到最高10GPa。Huang等利用機械合金化方法分別製得伴有少量Ti(Al)固溶的TiAl復合組織和顆粒細小的非晶粉,再通過反應熱等靜壓分別獲得了等軸γ-TiAl+α2 Ti3Al相和近單相γ-TiAl,並且發現球磨粉末中高含量Nb、Cr等合金元素和間隙元素會導致α/(α+β)轉變溫度升高。
但是,機械合金化制備的TiAl基合金粉末的固結緻密與成形較為困難,因此關於機械合金化制備TiAl基合金塊體材料及其力學性能方面的研究報道，目前仍為鮮見。
影響機械合金化的主要因素
機械合金化是一個復雜的過程，因此要獲得理想的相和微觀結構，就需要優化設計一系列的影響參數。下面列舉一些對機械合金化結果有重大影響的參數。
（1）研磨裝置
研磨類型生產機械合金化粉末的研磨裝置是多種多樣的，如：行星磨、振動磨、攪拌磨等。它們的研磨能量、研磨效率、物料的污染程度以及研磨介質與研磨容器內壁的力的作用各不相同，故對研磨結果起著至關重要的影響。研磨容器的材料及形狀對研磨結果有重要影響。在過程中，研磨介質對研磨容器內壁的撞擊和摩擦作用會使研磨容器內壁的部分材料脫落而進入研磨物料中造成污染。常用的研磨容器的材料通常為淬火鋼、工具鋼、不銹鋼、P>K>5或P>內襯淬火鋼等。有時為了特殊的目的而選用特殊的材料，例如：研磨物料中含有銅或鈦時，為了減少污染而選用銅或鈦研磨容器。
此外，研磨容器的形狀也很重要，特別是內壁的形狀設計，例如，異形腔 ，就是在磨腔內安裝固定滑板和凸塊，使得磨腔斷面由圓形變為異形，從而提高了介質的的滑動速度並產生了向心加速度,增強了介質間的摩擦作用，而有利於合金化進程。
（2）研磨速度
研磨機的轉速越高，就會有越多的能量傳遞給研磨物料。但是，並不是轉速越高越好。這是因為，一方面研磨機轉速提高的同時，研磨介質的轉速也會提高，當高到一定程度時研磨介質就緊貼於研磨容器內壁，而不能對研磨物料產生任何沖擊作用，從而不利於塑性變形和合金化進程。另一方面，轉速過高會使研磨系統溫升過快，溫度過高，有時這是不利的，例如較高的溫度可能會導致在過程中需要形成的過飽和固溶體、非晶相或其它亞穩態相的分解。
（3）研磨時間
研磨時間是影響結果的最重要因素之一。在一定的條件下，隨著研磨的進程，合金化程度會越來越高，顆粒尺寸會逐漸減小並最終形成一個穩定的平衡態，即顆粒的冷焊和破碎達到一動態平衡，此時顆粒尺寸不再發生變化。但另一方面，研磨時間越長造成的污染也就越嚴重。因此，最佳研磨時間要根據所需的結果，通過試驗綜合確定。圖1-2為球磨過程中TiAl粉末的顯微硬度隨球磨時間的變化。圖1-3為TiAl粉末經過不同時間球磨後的背散射掃描電鏡照片，從圖上可明顯地看出球磨時間對組織的影響。
（4）研磨介質
選擇研磨介質時不僅要象研磨容器那樣考慮其材料和形狀如球狀、棒狀等，還要考慮其密度以及尺寸的大小和分布等，球磨介質要有適當的密度和尺寸以便對研磨物料產生足夠的沖擊，這些對最終產物都有著直接的影響，例如研磨Ti-Al混合粉末時，若採用直徑為15mm的磨球，最終可得到固溶體，而若採用直徑為25的磨球，在同樣的條件下即使研磨更長的時間也得不到Ti-Al 固溶體[20]。
（5）球料比
球料比指的是研磨介質與研磨物料的重量比，通常研磨介質是球狀的，故稱球料比。試驗研究用的球料比在1：1～200：1范圍內，大多數情況下為15：1左右。當做小量生產或試驗時，這一比例可高達50:1甚至100:1。
（6）充填率
研磨介質充填率指的是研磨介質的總體積占研磨容器的容積的百分率 ，研磨物料的充填率指的是研磨物料的鬆散容積占研磨介質之間空隙的百分率。若充填率過小，則會使生產率低下；若過高，則沒有足夠的空間使研磨介質和物料充分運動，以至於產生的沖擊較小，而不利於合金化進程。一般來說,振動磨中研磨介質充填率在60%-80%之間 ，物料充填率在100%-130%之間。
（7）氣體環境
機械合金化是一個復雜的固相反應過程，球磨氛圍、球磨強度、球磨時間等任意一個參數的變化都會影響合金化的過程甚至最終產物。在機械合金化過程中，由於球與球、球與罐之間的撞擊，機械能轉換成熱能，使得球磨罐內的溫度升得很高。同時，合金化過程中往往發生粒子的細化，並引入缺陷，自由能升高，很容易與球磨氛圍中的氧等發生反應，因此一般機械合金化過程中均以惰性氣體，如氬氣等為保護氣體。球磨氣氛不同，會對合金化的反應方式、最終產物以及性質等造成顯著影。研磨的氣體環境是產生污染的一個重要因素，因此，一般在真空或惰性氣體保護下進行。但有時為了特殊的目的，也需要在特殊的氣體環境下研磨，例如當需要有相應的氮化物或氫化物生成時，可能會在氮氣或氫氣環境下進行研磨。
（8）過程式控制制劑
在MA過程中粉末存在著嚴重的團聚、結塊和粘壁現象大大阻礙了MA的進程。為此，常在過程中添加過程式控制制劑，如硬脂酸、固體石蠟、液體酒精和四氯化碳等，以降低粉末的團聚、粘球、粘壁以及研磨介質與研磨容器內壁的磨損，可以較好地控制粉末的成分和提高出粉率。
（9）研磨溫度
無論MA的最終產物是固溶體、金屬間化合物、納米晶、還是非晶相都涉及到擴散問題，而擴散又受到研磨溫度的影響，故溫度也是MA的一個重要影響因素，例如 Ni-50%Zr粉末系統在振動球磨時當在液氮冷卻下研磨15h沒發現非晶相的形成；而在200oC下研磨則發現粉末物料完全非晶化；室溫下研磨時，則實現部分非晶化。
上述各因素並不是相互獨立的，例如最佳研磨時間依賴於研磨類型、介質尺寸、研磨溫度以及球料比等。

機械合金化合成高熔點合金或金屬間化合物時具有如下優點：避開普通冶金方法的高溫熔化、凝固過程，在室溫下實現合金化，得到均勻的具有精細結構的合金，且產量較高，因而已成為生產常規手段難以制備的合金及新材料的好方法。

6. 合金化是什麼

提高鋼的強度既簡便又便宜的方法是增加碳含量。然而，這種方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韌性和其他一些性能。幾個性能都重要的情況下的幾種應用，碳含量必須保持在低水平。在低碳鋼中為了獲得高強度並同時保持高水平的綜合性能最經濟的方法是應用微合金化技術。

為什麼要高強度

應用高強度鋼可以降低板厚度從而在許多應用中降低重量。在汽車工業，車體減輕可以節省燃油從而保護環境（減少排氣量）。在造船工業，船體減輕可以裝載更多的貨物。圖3顯示的是管道在管線結構中的應用。對於一個18m長，外徑1000mm的管道，當用高強度鋼X70代替低強度鋼時其重量可以從14t降低到6t。另一個重要的例子是民用建築，如圖4所示，的建築形式，用460MPa的高強度鋼代替低強度鋼（235MPa）可以節省材料40%，重量降低超過50%，焊接材料可以節約超過70%。
微合金化的效果

圖5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti對提高強度和韌性的作用以及其強化機理。這三個元素均是通過細化晶粒和沉澱強化提高強度，但每種機理強化程度不同。Nb具有最強的晶粒細化強化效果，而V具有最強的沉澱強化效果，Ti介於上述兩者之間。如圖6所示，晶粒細化是唯一的能夠同時提高韌性的強化機理。因此，當同時需要高強度和高韌性綜合性能時就需要添加鈮，譬如管線鋼和結構鋼。在圖5中還可以反映出鈮是經濟有效的。如要使低碳鋼的屈服強度提高100MPa，需要添加0.02%的鈮，而釩則需要添加兩倍的量。

鈮的晶粒細化引起的強烈效果與其在軋制時通過固溶，特別是碳氮化鈮析出延遲奧氏體再結晶有關系。圖7顯示了分別含Nb，V，Ti鋼的效果。鈮阻止在軋制最後階段奧氏體的再結晶，促進了扁平晶粒的變形，從而導致非常細的鐵素體晶粒。

鈮的另一個重要影響是在中低碳鋼中降低轉變溫度促使貝氏體組織的形成，這一研究已經比較多了，如圖8所示。降低轉變溫度是由於在軋制過程中仍有一部分鈮留在固溶體中而沒有發生沉澱反應。這一效果在同時加入Nb和Mo或同時加入Nb和B時由於協同作用而加強，如圖所示。其中一個實際例子是X80管線鋼，鐵素體-低珠光體組織在得到韌性要求的同時卻達不到強度級別。

微合金化不僅僅對軋制產品有作用。V可以在熱處理級別鋼種提高強度，而鈮可以細化晶粒。如圖9所示，在正常熱處理之後，鈮明顯的細化了晶粒。

為了得到所希望的高水平性能，在煉鋼時很好的控制雜質含量如S、N、P等也是非常重要的，特別是對需要高韌性的板材產品。圖10表明了S是如何影響沖擊性能的。為了把S含量控制在低的水平，應用硫化物形狀控制（通常用鈣處理）對於避免生成對橫向韌性有損害的延長硫化鎂是非常重要的。

如圖11所示，氮對熱影響區的韌性的損害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。這一損害可以用鈦固定游離的氮以降低其影響。氮化鈦在高溫時非常穩定，因此它可以阻止晶粒的增長。圖12顯示了鈦固氮處理提高熱影響區韌性的益處。然而用鈦需要很好的控制手段。加入到鋼中的鈦的量要以固定氮所需要的量為上限。如果多加了鈦將促使形成碳化鈦，這樣對熱影響區的韌性有損害，如圖13所示。氮對焊接金屬的韌性也是有影響的，如圖14。
板材產品的微合金化
板材產品方面的技術進展可以作如下描述：

50年代後期： Nb的引入
60年代： 控制軋制的試驗探索
70年代： 全面實行微合金化和控制軋制
80年代： 實行加速冷卻
90年代： 實行直接淬火
圖15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷卻工藝下在板材中的強化效果，Nb的提高強韌性的效果尤為突出。
微合金化板材有著非常廣泛的應用，如管線鋼，造船鋼，海洋平台，民用建築（橋梁、高架橋，建築）以及其它領域。

如表1所示，管線鋼產品的發展，表明雖然碳的含量在不斷降低，但其強度卻在增加，這一原因前面已經說明。提高到X80級的產品已經進行商業生產，一些鋼鐵公司已經開發了X100級別。提高抗氫致裂紋需要更嚴格的煉鋼工藝並需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工業產品。

最後，表3對幾種管線鋼進行了總結，包括熱軋和爐卷產品。在表中我們可以注意到一些鋼中的含鈮量高於正常情況的含鈮量，在0.07~0.09%之間。這些鋼最近幾年在北美已經進行商業生產。高鈮含量可以把奧氏體再結晶延遲到更高的溫度（如圖7所示），這使控軋工藝更加寬松，如高的終軋溫度，這對有功率限制的鋼板軋機是有益的。而且，這些超低碳高Nb鋼具有非常好的韌性特性。

對於海洋平台和造船業來講，自70年代以來的趨勢是降低含碳量，特別是在高焊接工作量並需要提高焊接性能的情況下。表4顯示的是分別通過正常的熱處理和加速冷卻工藝生產的335MPa級的典型的化學成分。

在民用建築方面，圖16表明了在瑞典現代橋梁應用的高強度微合金化鋼。用高強度鋼，屈服強度460MPa級，熱機械工藝（TMCP）可以降低重量15，000t，降低費用2500萬美元。表5顯示的是50mm厚結構板材產品典型的化學成分，工藝分別為正常情況（N），控軋（TM），淬火和回火（QT），熱機械工藝（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近幾年，安全防火變得越來越重要。如圖17所示，防火結構鋼已經發展起來，該鋼添加Nb和Mo以提高高溫強度。
汽車工業用熱軋和冷軋薄鋼板

在70年代初第一次石油危機之後，微合金化熱軋和冷軋薄鋼板在汽車工業獲得了廣泛應用。用高強度鋼代替低強度鋼過去是現在依然是降低汽車車重的有效方法，以節省燃料。安全方面的需要也激發了高強度鋼的應用。
熱軋薄鋼板

熱軋低合金高強度鋼（HSLA）薄鋼板主要用於卡車的底盤部分，也用於大客車的車輪，輪轂等部件。傳統的屈服強度水平在350MPa到550MPa之間，具有鐵素體加少量珠光體組織。表6列出了一些典型的化學成分。過去，這些鋼也用Ti作為主要微合金化元素來生產，尤其是在過去鋼的含硫水平比較高。加入鈦的另外一個主要作用是控制硫化物的形狀。但是由於其碳化物形成的動力學原因，軋制工藝十分復雜，大部分情況下是不允許的，以避免出現典型的最終產品性能大范圍的分散，圖18。在鐵素體-少量珠光體鋼中，當薄板的厚度方向需要使用兩種微合金化元素來獲得更高的強度時，Nb和V的結合將使性能分散范圍小些。以上考慮涉及到Ti的碳化物沉澱強化作用。如果只用來固定N，則Ti很有效。在含Nb鋼中，強度進一步提高，因為更多的Nb將使鑄造性能也得到改善。

最近，開發出690MPa級卡車大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機直接軋出的貝氏體鋼中所有的強化機理，圖19。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%的貝氏體，用於車輪、輪轂和底盤，它比鐵素體-珠光體鋼具有更優越的凸緣壓邊延伸性能。與鐵素體-馬氏體——雙相鋼相反，當焊接的輪轂輪箍被拉伸時，使用這種鋼不會出現局部頸縮。如圖20所示，當合金設計、軋制參數——卷取溫度——得到控制從而第二相主要為貝氏體相時，就可達到強度和成型性的最優配合。
冷軋薄鋼板

傳統的微合金高強度冷軋薄板用鋼在汽車工業已使用了25年，但部分汽車零件不需要高的成型性。圖21顯示了罩式退火鋼板的典型化學成分。傳統的微合金鋼也可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所示的用於汽車側擋板的雙相鋼。
更復雜形狀的產品——汽車車體（integrated
panels）的開發以及傳統鋼達不到罩式退火同樣的成型性而引入連續退火生產薄鋼板，需要開發一種新的類型鋼，即無間隙鋼——超低碳IF鋼。

無間隙鋼添加Ti、Nb或Ti+Nb生成無間隙原子。尤其在鍍鋅產品中，TiNb無間隙鋼可獲得最優配合的機械性能以及更好的表面質量，如圖23、24、25、26、27、28所示。僅添加Ti的無間隙鋼易於產生表面缺陷。

匹茲堡大學的最新研究工作已經表明，當鈮在鐵素體晶界溶解時，它能起到重要的作用。晶界處溶解的鈮改善冷加工脆性，並能降低鍍鋅產品的粉化趨勢。
用於鍛造的微合金鋼

微合金化技術在鍛造汽車零件鋼中的應用允許除掉傳統的淬回火熱處理生產汽車零件，從而顯著節省生產成本。表8列出了一些在市場上出現的鋼種。

現已生產了僅含微合金元素V、僅含Nb以及Nb、V復合微合金鋼。研究表明，復合添加Nb和V對提高強度比單獨添加這兩種微合金元素中的任何一種更有效。Nb提高了V的析出潛能。

在這種產品上，最新成果包括有直接淬火（馬氏體）或空冷獲得的低碳馬氏體+貝氏體或貝氏體鋼，它們表現出韌性得到改善。表9給出了一個例子。
高強度緊固件與懸掛彈簧

傳統的冷鍛高強度緊固件用鋼為中碳鋼，由淬回火得到最終產品所需的性能。用低碳微合金鋼替代中碳鋼，不需要熱處理就能得到最終所需的機械性能，並且消除了在收線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）與10.9級鋼（鐵素體—貝氏體）的化學成分。

懸掛彈簧是另一種使用微合金化技術而達到減重的產品。北美生產出熱處理後抗拉強度為2000MPa級、HRc為53-55的鋼。化學成分與機械性能在表11中列出。
滲碳鋼

在滲碳處理鋼中，尤其在溫鍛條件下，晶粒非正常長大較為普遍。這些鋼中加入鈮抑制晶粒非正常長大，這項技術已在日本使用多年，最近在北美也取得應用。微合金元素添加到這些鋼中而帶來的另一個好處是通過更高的加熱溫度而有可能減少滲碳時間。鈮的加入抑制晶粒長大，因而使在更高溫度滲碳成為可能。
結構用型鋼

在結構用型鋼技術上的最新主要進展是僅使用一種化學成分就可滿足幾種技術條件的含鈮結構型鋼/橫梁鋼已工業化。這種由Chaparral鋼鐵公司開發的「多級別」鋼，典型的成分僅含0.01-0.02%Nb（目標為0.015%），這足夠將ASTM
A36的屈服強度提高到345MPa以上而抗拉強度限制在550MPa以下，從而既能滿足ASTM A36又能滿足 ASTM
A572-50的技術條件。鈮是選擇性添加微量元素，因為為了滿足50級鋼的最低屈服強度要求，可能要多添加一些V，為0.02-0.03%（與0.015%Nb相比），這會提高結構型鋼的抗拉強度，使它接近或超過550MPa，而當滿足A572-50的技術要求時，又超過了A36所允許的要求。其它ASTM鋼的技術要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36與A709-50等多級別鋼滿足。
鋼筋

該產品用於大型混凝土結構以提高抗拉能力。大直徑高強度級別鋼筋添加了V和Nb。一些現代軋鋼廠採用水冷技術取代微合金化提高強度。圖29為V和Nb在焊接用鋼筋中的強化效果。
世界微合金化鋼的發展

世界微合金化鋼的發展可由Nb的總消耗量來描述，因為Nb是一種主要微合金化元素，並且75%的Nb用於微合金化鋼，見圖30。70年代Nb的消耗量急劇上升。當時控軋工藝在全世界范圍內被採用，同時汽車工業使用量也在增加。80年代是穩定期，但微合金化鋼產量繼續增加。Nb消耗量的穩定是因為鋼鐵廠效率的提高，如連鑄設備的安裝、加速冷卻，對給定量的最終產品，這可節省原材料。然而在Nb消耗量達到飽和點後，在90年代Nb的需求又顯著增加。這是受許多重要的鋼鐵公司產品結構調整的影響，他們的品種集中在附加值產品，包括微合金化鋼。圖31很好的顯示出在歐洲微合金化鋼增加情況。從圖中明顯看出，在該地區，與粗鋼相比，FeNb的消耗量顯著增加。在歐洲，每噸鋼中的FeNb為60g。

除了微合金鋼產量增加外，Nb使用領域也在增加。如圖32所示，在70年代中期，Nb主要用在管線鋼產品。為開發該產品中而發展起來的微合金化技術在隨後的時間里被應用在其他領域，如該圖所示的2000年情況。
結論
微合金化技術是一條生產高強度和其它所需性能的高質量產品的經濟有效途徑。
世界范圍內的微合金化鋼的產量不斷增加。新的鋼種已開發出來，並應用在許多領域，保持著鋼在材料領域的良好競爭能力。

7. 什麼是合金化，預合金化；兩者的區別是什麼

向鋼液加入一種或幾種合金元素，使其達到成品鋼成分規格要求的操作過程稱為合金化。多數情況下脫氧和合金化是同時進行的，加入鋼中的脫氧劑一部分消耗於鋼的脫氧，轉化為脫氧產物排出；另一部則為鋼水所吸收，起合金化作用。在脫氧操作未全部完成前，與脫氧劑同時加入的合金被鋼水吸收所起到的合金化作用稱為預合金化。

8. 什麼是焊縫金屬的合金化

所謂焊縫金屬的合金化，就是把所需合金元素通過焊接過渡到焊縫金屬的過程，也稱滲合金。合金化的目的在於：

1)補償焊接過程中被氧化、燒損、蒸發的合金成分。氧化(oxidation)，狹義的意思為氧元素與其他的物質元素發生的化學反應，也是一種重要的化工單元過程。廣義的氧化，指物質失電子(氧化數升高)的過程。

2)消除焊接缺陷，改善焊縫的組織和性能。自由基是一種帶有未配對電子的粒子。因為帶有單數電子，所以非常不穩定，具有高度的化學反應性，很容易和周遭的分子反應，使安定分子也變成自由基。如此一再重復，就會衍生大量的自由基。自由基非常活躍，非常不安分。就像我們人類社會中的不甘寂寞的單身漢一樣，如果總也找不到理想的伴侶，可能就會成為社會不安定的因素。

3)使焊縫獲得耐磨、耐熱、耐蝕等一些母材尚不具備的特殊性能，如用於堆焊。焊縫金屬的合金化有哪些方法?焊縫金屬合金化有兩種途徑：一種是使合金元素直接從焊接材料向熔池過渡；另一種是利用焊接材料的化學冶金過程，使合金元素從其氧化物中還原出來進入熔渣。常用方法有：

1)以合金焊絲或焊帶配低氧或無氧焊劑的埋弧焊，或合金焊芯配低氫鹼性葯皮焊條的焊條電弧焊。

2)以加有合金元素的葯芯焊絲配低氧或無氧焊劑的埋弧焊，或配惰性氣體、富氬混合氣體的氣體保護焊。

3)合金化葯皮焊條電弧焊或合金化焊劑的埋弧焊。

4)合金粉末的噴塗或堆焊。

9. 什麼是合金化

提高鋼的強度既簡便又便宜的方法是增加碳含量。然而，這種方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韌性和其他一些性能。幾個性能都重要的情況下的幾種應用，碳含量必須保持在低水平。在低碳鋼中為了獲得高強度並同時保持高水平的綜合性能最經濟的方法是應用微合金化技術。

為什麼要高強度

應用高強度鋼可以降低板厚度從而在許多應用中降低重量。在汽車工業，車體減輕可以節省燃油從而保護環境（減少排氣量）。在造船工業，船體減輕可以裝載更多的貨物。圖3顯示的是管道在管線結構中的應用。對於一個18m長，外徑1000mm的管道，當用高強度鋼X70代替低強度鋼時其重量可以從14t降低到6t。另一個重要的例子是民用建築，如圖4所示，的建築形式，用460MPa的高強度鋼代替低強度鋼（235MPa）可以節省材料40%，重量降低超過50%，焊接材料可以節約超過70%。
微合金化的效果

圖5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti對提高強度和韌性的作用以及其強化機理。這三個元素均是通過細化晶粒和沉澱強化提高強度，但每種機理強化程度不同。Nb具有最強的晶粒細化強化效果，而V具有最強的沉澱強化效果，Ti介於上述兩者之間。如圖6所示，晶粒細化是唯一的能夠同時提高韌性的強化機理。因此，當同時需要高強度和高韌性綜合性能時就需要添加鈮，譬如管線鋼和結構鋼。在圖5中還可以反映出鈮是經濟有效的。如要使低碳鋼的屈服強度提高100MPa，需要添加0.02%的鈮，而釩則需要添加兩倍的量。

鈮的晶粒細化引起的強烈效果與其在軋制時通過固溶，特別是碳氮化鈮析出延遲奧氏體再結晶有關系。圖7顯示了分別含Nb，V，Ti鋼的效果。鈮阻止在軋制最後階段奧氏體的再結晶，促進了扁平晶粒的變形，從而導致非常細的鐵素體晶粒。

鈮的另一個重要影響是在中低碳鋼中降低轉變溫度促使貝氏體組織的形成，這一研究已經比較多了，如圖8所示。降低轉變溫度是由於在軋制過程中仍有一部分鈮留在固溶體中而沒有發生沉澱反應。這一效果在同時加入Nb和Mo或同時加入Nb和B時由於協同作用而加強，如圖所示。其中一個實際例子是X80管線鋼，鐵素體-低珠光體組織在得到韌性要求的同時卻達不到強度級別。

微合金化不僅僅對軋制產品有作用。V可以在熱處理級別鋼種提高強度，而鈮可以細化晶粒。如圖9所示，在正常熱處理之後，鈮明顯的細化了晶粒。

為了得到所希望的高水平性能，在煉鋼時很好的控制雜質含量如S、N、P等也是非常重要的，特別是對需要高韌性的板材產品。圖10表明了S是如何影響沖擊性能的。為了把S含量控制在低的水平，應用硫化物形狀控制（通常用鈣處理）對於避免生成對橫向韌性有損害的延長硫化鎂是非常重要的。

如圖11所示，氮對熱影響區的韌性的損害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。這一損害可以用鈦固定游離的氮以降低其影響。氮化鈦在高溫時非常穩定，因此它可以阻止晶粒的增長。圖12顯示了鈦固氮處理提高熱影響區韌性的益處。然而用鈦需要很好的控制手段。加入到鋼中的鈦的量要以固定氮所需要的量為上限。如果多加了鈦將促使形成碳化鈦，這樣對熱影響區的韌性有損害，如圖13所示。氮對焊接金屬的韌性也是有影響的，如圖14。
板材產品的微合金化
板材產品方面的技術進展可以作如下描述：

50年代後期： Nb的引入
60年代： 控制軋制的試驗探索
70年代： 全面實行微合金化和控制軋制
80年代： 實行加速冷卻
90年代： 實行直接淬火
圖15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷卻工藝下在板材中的強化效果，Nb的提高強韌性的效果尤為突出。
微合金化板材有著非常廣泛的應用，如管線鋼，造船鋼，海洋平台，民用建築（橋梁、高架橋，建築）以及其它領域。

如表1所示，管線鋼產品的發展，表明雖然碳的含量在不斷降低，但其強度卻在增加，這一原因前面已經說明。提高到X80級的產品已經進行商業生產，一些鋼鐵公司已經開發了X100級別。提高抗氫致裂紋需要更嚴格的煉鋼工藝並需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工業產品。

最後，表3對幾種管線鋼進行了總結，包括熱軋和爐卷產品。在表中我們可以注意到一些鋼中的含鈮量高於正常情況的含鈮量，在0.07~0.09%之間。這些鋼最近幾年在北美已經進行商業生產。高鈮含量可以把奧氏體再結晶延遲到更高的溫度（如圖7所示），這使控軋工藝更加寬松，如高的終軋溫度，這對有功率限制的鋼板軋機是有益的。而且，這些超低碳高Nb鋼具有非常好的韌性特性。

對於海洋平台和造船業來講，自70年代以來的趨勢是降低含碳量，特別是在高焊接工作量並需要提高焊接性能的情況下。表4顯示的是分別通過正常的熱處理和加速冷卻工藝生產的335MPa級的典型的化學成分。

在民用建築方面，圖16表明了在瑞典現代橋梁應用的高強度微合金化鋼。用高強度鋼，屈服強度460MPa級，熱機械工藝（TMCP）可以降低重量15，000t，降低費用2500萬美元。表5顯示的是50mm厚結構板材產品典型的化學成分，工藝分別為正常情況（N），控軋（TM），淬火和回火（QT），熱機械工藝（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近幾年，安全防火變得越來越重要。如圖17所示，防火結構鋼已經發展起來，該鋼添加Nb和Mo以提高高溫強度。
汽車工業用熱軋和冷軋薄鋼板

在70年代初第一次石油危機之後，微合金化熱軋和冷軋薄鋼板在汽車工業獲得了廣泛應用。用高強度鋼代替低強度鋼過去是現在依然是降低汽車車重的有效方法，以節省燃料。安全方面的需要也激發了高強度鋼的應用。
熱軋薄鋼板

熱軋低合金高強度鋼（HSLA）薄鋼板主要用於卡車的底盤部分，也用於大客車的車輪，輪轂等部件。傳統的屈服強度水平在350MPa到550MPa之間，具有鐵素體加少量珠光體組織。表6列出了一些典型的化學成分。過去，這些鋼也用Ti作為主要微合金化元素來生產，尤其是在過去鋼的含硫水平比較高。加入鈦的另外一個主要作用是控制硫化物的形狀。但是由於其碳化物形成的動力學原因，軋制工藝十分復雜，大部分情況下是不允許的，以避免出現典型的最終產品性能大范圍的分散，圖18。在鐵素體-少量珠光體鋼中，當薄板的厚度方向需要使用兩種微合金化元素來獲得更高的強度時，Nb和V的結合將使性能分散范圍小些。以上考慮涉及到Ti的碳化物沉澱強化作用。如果只用來固定N，則Ti很有效。在含Nb鋼中，強度進一步提高，因為更多的Nb將使鑄造性能也得到改善。

最近，開發出690MPa級卡車大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機直接軋出的貝氏體鋼中所有的強化機理，圖19。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%的貝氏體，用於車輪、輪轂和底盤，它比鐵素體-珠光體鋼具有更優越的凸緣壓邊延伸性能。與鐵素體-馬氏體——雙相鋼相反，當焊接的輪轂輪箍被拉伸時，使用這種鋼不會出現局部頸縮。如圖20所示，當合金設計、軋制參數——卷取溫度——得到控制從而第二相主要為貝氏體相時，就可達到強度和成型性的最優配合。
冷軋薄鋼板

傳統的微合金高強度冷軋薄板用鋼在汽車工業已使用了25年，但部分汽車零件不需要高的成型性。圖21顯示了罩式退火鋼板的典型化學成分。傳統的微合金鋼也可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所示的用於汽車側擋板的雙相鋼。
更復雜形狀的產品——汽車車體（integrated
panels）的開發以及傳統鋼達不到罩式退火同樣的成型性而引入連續退火生產薄鋼板，需要開發一種新的類型鋼，即無間隙鋼——超低碳IF鋼。

無間隙鋼添加Ti、Nb或Ti+Nb生成無間隙原子。尤其在鍍鋅產品中，TiNb無間隙鋼可獲得最優配合的機械性能以及更好的表面質量，如圖23、24、25、26、27、28所示。僅添加Ti的無間隙鋼易於產生表面缺陷。

匹茲堡大學的最新研究工作已經表明，當鈮在鐵素體晶界溶解時，它能起到重要的作用。晶界處溶解的鈮改善冷加工脆性，並能降低鍍鋅產品的粉化趨勢。
用於鍛造的微合金鋼

微合金化技術在鍛造汽車零件鋼中的應用允許除掉傳統的淬回火熱處理生產汽車零件，從而顯著節省生產成本。表8列出了一些在市場上出現的鋼種。

現已生產了僅含微合金元素V、僅含Nb以及Nb、V復合微合金鋼。研究表明，復合添加Nb和V對提高強度比單獨添加這兩種微合金元素中的任何一種更有效。Nb提高了V的析出潛能。

在這種產品上，最新成果包括有直接淬火（馬氏體）或空冷獲得的低碳馬氏體+貝氏體或貝氏體鋼，它們表現出韌性得到改善。表9給出了一個例子。
高強度緊固件與懸掛彈簧

傳統的冷鍛高強度緊固件用鋼為中碳鋼，由淬回火得到最終產品所需的性能。用低碳微合金鋼替代中碳鋼，不需要熱處理就能得到最終所需的機械性能，並且消除了在收線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）與10.9級鋼（鐵素體—貝氏體）的化學成分。

懸掛彈簧是另一種使用微合金化技術而達到減重的產品。北美生產出熱處理後抗拉強度為2000MPa級、HRc為53-55的鋼。化學成分與機械性能在表11中列出。
滲碳鋼

在滲碳處理鋼中，尤其在溫鍛條件下，晶粒非正常長大較為普遍。這些鋼中加入鈮抑制晶粒非正常長大，這項技術已在日本使用多年，最近在北美也取得應用。微合金元素添加到這些鋼中而帶來的另一個好處是通過更高的加熱溫度而有可能減少滲碳時間。鈮的加入抑制晶粒長大，因而使在更高溫度滲碳成為可能。
結構用型鋼

在結構用型鋼技術上的最新主要進展是僅使用一種化學成分就可滿足幾種技術條件的含鈮結構型鋼/橫梁鋼已工業化。這種由Chaparral鋼鐵公司開發的「多級別」鋼，典型的成分僅含0.01-0.02%Nb（目標為0.015%），這足夠將ASTM
A36的屈服強度提高到345MPa以上而抗拉強度限制在550MPa以下，從而既能滿足ASTM A36又能滿足 ASTM
A572-50的技術條件。鈮是選擇性添加微量元素，因為為了滿足50級鋼的最低屈服強度要求，可能要多添加一些V，為0.02-0.03%（與0.015%Nb相比），這會提高結構型鋼的抗拉強度，使它接近或超過550MPa，而當滿足A572-50的技術要求時，又超過了A36所允許的要求。其它ASTM鋼的技術要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36與A709-50等多級別鋼滿足。
鋼筋

該產品用於大型混凝土結構以提高抗拉能力。大直徑高強度級別鋼筋添加了V和Nb。一些現代軋鋼廠採用水冷技術取代微合金化提高強度。圖29為V和Nb在焊接用鋼筋中的強化效果。
世界微合金化鋼的發展

世界微合金化鋼的發展可由Nb的總消耗量來描述，因為Nb是一種主要微合金化元素，並且75%的Nb用於微合金化鋼，見圖30。70年代Nb的消耗量急劇上升。當時控軋工藝在全世界范圍內被採用，同時汽車工業使用量也在增加。80年代是穩定期，但微合金化鋼產量繼續增加。Nb消耗量的穩定是因為鋼鐵廠效率的提高，如連鑄設備的安裝、加速冷卻，對給定量的最終產品，這可節省原材料。然而在Nb消耗量達到飽和點後，在90年代Nb的需求又顯著增加。這是受許多重要的鋼鐵公司產品結構調整的影響，他們的品種集中在附加值產品，包括微合金化鋼。圖31很好的顯示出在歐洲微合金化鋼增加情況。從圖中明顯看出，在該地區，與粗鋼相比，FeNb的消耗量顯著增加。在歐洲，每噸鋼中的FeNb為60g。

除了微合金鋼產量增加外，Nb使用領域也在增加。如圖32所示，在70年代中期，Nb主要用在管線鋼產品。為開發該產品中而發展起來的微合金化技術在隨後的時間里被應用在其他領域，如該圖所示的2000年情況。
結論
微合金化技術是一條生產高強度和其它所需性能的高質量產品的經濟有效途徑。
世界范圍內的微合金化鋼的產量不斷增加。新的鋼種已開發出來，並應用在許多領域，保持著鋼在材料領域的良好競爭能力。

10. 合金化的介紹

通過加入元素， 使金屬成為（在一定的工藝條件下） 具有預期性能的合金。為保證鋼的各種物理、化學性能，向鋼中加入合金添加劑將其成分調整到規定范圍的操作。那些在普通鋼中沒有的或含量較少的元素(C、Si、Mn、S或P)都屬於合金元素。合金添加劑既可以是純的材料(鎳、銅、鋁、石墨粉等)，也可以是鐵合金(錳鐵、硅鐵、釩鐵、鉻鐵等)，也可是合金元素的化合物(氧化物、碳化物、氮化物等)。在煉鋼生產中，一般脫氧與合金化幾乎同時進行，有時不可能把脫氧元素與合金元素截然分開。但脫氧與合金化二者的目的和物理化學反應過程是不同的。