Как можно снизить содержание углерода в стали Q345, сохранив при этом ее прочность?

Как можно снизить содержание углерода в стали Q345, сохранив при этом ее прочность?
Ключом к снижению содержания углерода при сохранении прочности стали Q345 (предел текучести больше или равный 345 МПа) является замена эффекта упрочнения твердого раствора углерода «другими механизмами упрочнения». Благодаря синергии легирующих элементов и оптимизации процесса можно достичь «снижения содержания углерода без снижения прочности». Этого можно достичь с помощью следующих четырех технических подходов, каждый из которых должен соответствовать требованиям Q345 к механическим свойствам, указанным в GB/T 1591-2018:
1. Усиление эффекта упрочнения твердого раствора марганца (Mn) для частичной замены вклада углерода в прочность.
Марганец является основным легирующим элементом в Q345. Его эффект упрочнения твердого раствора значителен, а его негативное влияние на свариваемость намного меньше, чем у углерода, что делает его «предпочтительным элементом замены» для снижения содержания углерода.
Принцип: Марганец, растворенный в феррите, значительно увеличивает искажение решетки и повышает сопротивление движению дислокаций, тем самым увеличивая предел текучести (каждое увеличение Mn на 0,1% увеличивает предел текучести примерно на 5-8 МПа). Практическое решение: Когда содержание углерода снижается с 0,20% до 0,16% (снижение на 0,04%), содержание Mn может быть увеличено с 1,30% до 1,50% (все еще в пределах стандартного диапазона 1,00-1,60%). Такое усиление Mn компенсирует потерю прочности, вызванную уменьшением количества углерода (потеря прочности от 0,04% углерода составляет примерно 20-30 МПа, тогда как увеличение Mn на 0,2% может компенсировать 10-16 МПа, что можно компенсировать другими мерами).
Преимущества: Mn имеет низкую-цену и легко доступен. Кроме того, умеренное увеличение Mn (менее или равное 1,60%) не приводит к значительному увеличению склонности к упрочнению сварного шва (в отличие от углерода) и оказывает минимальное влияние на свариваемость.
Во-вторых, добавление микролегирующих элементов (V/Ti/Nb) обеспечивает двойное упрочнение за счет «дисперсионного упрочнения + измельчения зерна».
Микролегирующие элементы (V, Ti и Nb) являются ключевыми упрочняющими добавками при восстановлении углерода. Они повышают прочность за счет двух механизмов, независимых от содержания углерода:
Дисперсионное упрочнение: V, Ti и Nb реагируют с углеродом и азотом в стали с образованием наноразмерных карбонитридов (таких как VC, TiN и NbC). Это ускоряет движение штифтовых дислокаций, значительно увеличивая предел текучести (каждое добавление 0,01% V/Nb увеличивает прочность на 5-10 МПа).
Например, добавление 0,05% Nb обеспечивает прочность примерно на 30–50 МПа, что более чем компенсирует потерю прочности (приблизительно 25–35 МПа), связанную со снижением содержания углерода с 0,20% до 0,15%.
Измельчение зерна: Ti и Nb подавляют рост зерен аустенита (например, частицы TiN закрепляют границы зерен), что приводит к более мелкозернистой структуре после прокатки (уменьшение размера зерна с 8 до 10). Согласно зависимости Холла-Пейджа, измельчение зерна повышает как прочность, так и ударную вязкость (уменьшение диаметра зерна вдвое увеличивает предел текучести примерно на 20%).
Например, измельчение зерна Ti (0,02-0,05 %) позволяет стали сохранять предел текучести выше 350 МПа даже при снижении содержания углерода до 0,14 %.
Ключевые контрольные точки: Микролегирующие элементы должны поддерживаться в указанных верхних пределах (V менее или равно 0,15 %, Ti менее или равно 0,20 %, Nb менее или равно 0,06 %), чтобы избежать чрезмерного количества, которое может снизить ударную вязкость или увеличить затраты.