2　新型機械結構用鋼——性能“強韌化”

2.1　高效節能的微合金非調質鋼

2.1.1　微合金非調質鋼概述

眾所周知，調質是機械制造行業常用的熱處理工藝，中碳鋼零件的良好綜合力學性能通常通過調質工藝獲得。據統計，調質件數量約占熱處理件總量的1/3。調質處理消耗了大量能源，對環境造成一定污染。若省略調質處理，可消除熱處理造成的廢品，節約材料1％～10％，節省工具費30％～40％，縮短生產周期25％～30％，節約工時10％～20％。而微合金非調質鋼無淬火和高溫回火工序其性能即能達到中碳調質鋼的水平，同時也省去了熱處理設備，簡化了生產工藝并降低了能耗，使制造成本相比調質鋼降低了25％～38％，具有良好的經濟和社會效益，因此是一種高效節能鋼。

（1）非調質機械結構鋼的概念

何謂“非調質機械結構鋼”？如圖2-1所示為調質鋼［圖（b）］和非調質鋼［圖（a）］這兩類鋼典型的生產工藝流程。可見，非調質鋼由于取消了淬火回火等工序，從而簡化了生產工藝流程，提高材料利用率，改善零件質量，降低能耗和制造成本（25％～38％），減少污染，綠色環保。因此，通過微合金化、控制軋制（鍛制）和控制冷卻等強韌化方法，取消了調質處理，達到或接近調質鋼力學性能的一類優質或特殊質量結構鋼稱為非調質機械結構鋼，即微合金非調質鋼，簡稱“非調質鋼”。

（2）微合金非調質鋼的分類

①按用途分類　除表2-1所列的熱鍛用、冷作強化（冷鍛）用非調質鋼外，還有直接切削用和高韌性非調質鋼等。熱鍛用非調質鋼用于熱鍛件，如熱鍛螺栓等緊固件；冷作強化非調質鋼主要用于標準件如螺栓、螺母等；直接切削用非調質鋼是用熱軋鋼直接加工成零部件；高韌性非調質鋼用于要求韌性較高的零部件。

②按化學成分分類　如表2-2所示，可分為兩大類。

a.低碳非調質鋼　此類非調質鋼的碳含量一般控制在0.25％以下，即在低碳鋼的基礎上，加上微合金元素如V、Nb、Ti、N等。

b.中碳非調質鋼　而此類非調質鋼的碳含量一般控制在0.25％～0.55％之間。在此基礎上加入微合金元素V、Nb、Ti、N、Al等，有的還要加上Cu、Si等。

③按顯微組織分類　如表2-3所示。

a.F-P型　其在非調質鋼中占據的比重最大，除滿足某些特殊用途而采用其他組織為基的非調質鋼外，一般非調質鋼均為P-F類非調質鋼。這是由其化學成分和加工狀態所決定，當然也與其使用性能（狀態）有關。

b.晶內鐵素體（F）型　這是一種高強度高韌性的新型非調質鋼。

c.低碳貝氏體（B）型　在鍛后空冷狀態下，可獲得低碳貝氏體，借以進一步改善鋼的強度、韌性和可焊性。組織中除B外，有時也夾雜有P和F，形成一種混合組織。

d.低碳馬氏體（M）型　利用鍛造余熱進行淬火、回火，獲得低碳M來增加強韌性。

④按產品形狀分類　可分為：微合金非調質鋼棒材、板材、管材及線材等。

⑤按新國標分類　可分為：直接切削加工用鋼，其強調購進的鋼材，不經任何加熱、加壓等處理而直接進行切削加工；熱壓力加工用鋼。

常用非調質鋼的分類及牌號表示方法如表2-4所示。

⑥按力學性能分類　可分為普通強度非調質鋼和高強度非調質鋼等。

（3）非調質機械結構鋼的發展歷程

1972年德國蒂森特鋼公司首先研發了49MnVS3（F49MnVS）非調質鋼，法國研發的含V、Nb的45Mn6等均屬微合金非調質鋼。以49MnVS3為代表的沉淀硬化鐵素體-珠光體鋼，稱為第一代非調質鋼。因其韌性差，只能用于受沖擊負荷小的部件，限制了其應用范圍。

第二代非調質鋼開發于20世紀80年代初，主要有鐵素體-珠光體（F-P）和貝氏體（B）型兩大類，是當前用量最大的非調質鋼，為提高F-P型非調質鋼的韌性，開發了一系列新技術：晶粒細化法、促進晶內鐵素體（IGF）形成技術、氧化物冶金技術；貝氏體（B）型非調質鋼具有良好的強韌性，適合于代替合金調質鋼；為改善非調質鋼切削性能，各國又研制了直接切削非調質鋼。

1998年美國的Wright提出第三代非調質鋼概念，特點是碳含量低，組織為回火馬氏體，具有較高強度和良好韌性，稱為低碳馬氏體型高強度高韌性非調質鋼，現已在汽車、機械行業得到應用。

第一代至第三代非調質鋼，使鋼的綜合性能得到很大提高，尤其是第二代、第三代復合微合金化非調質鋼，大大拓展了非調質鋼的應用范圍。德國、瑞典和日本等幾個國家在對非調質鋼研究與應用方面取得了較好的成果。非調質鋼以其性能優良、高效節能、使用成本較低，并且有利于環境保護等突出優點，在國際和國內得到大力推行，已被譽為“綠色鋼材”，尤其是在汽車零件中的應用更為突出。近年來，日本在非調質鋼的推廣應用和新鋼種、新技術的開發方面已占據世界領先地位。日本55％的軸類零件、75％的鍛造結構件均已采用非調質鋼制造，其中三菱汽車公司的轉向系統和傳動系統所用的熱鍛調質件幾乎全部非調質化，還有豐田、住友等公司有90％的曲軸、75％連桿用非調質鋼制造，如住友金屬已經采用S43CV、S45CV、S50CV非調質鋼制造汽車連桿。目前，日本80％以上的汽車企業都開始采用非調質鋼，絕大多數企業已完全取消了熱處理工廠。近幾年，日本汽車用非調質鋼每年用量約在200萬噸，占日本汽車用特殊鋼總量的64％。采用的零部件主要以汽車結構件為主，汽車底盤、部分重要傳動系統、動力系統、排氣系統中主要零部件都開始使用非調質鋼。

我國非調質鋼的研究工作始于20世紀80年代初，起步相對較晚，20多年時間已研發了十多種非調質鋼，應用于汽車以及拖拉機、機床等行業，取得顯著的經濟成效。傳統調質鋼，如45、40Cr等中碳鋼需經淬火和高溫回火才能達到較理想的力學性能，消耗能源多，生產周期長。而非調質鋼的力學性能則取決于基體顯微組織和析出相的強化，不經調質處理。因此，具有節能、環保特點，可降低能耗和制造成本25％～38％。如國產V系、Mn-V系非調質鋼、包括微Ti處理的非調質鋼，經常規力學、工藝、疲勞斷裂韌性性能測定，基本可與相同碳含量的優碳鋼（35鋼、45鋼）及低合金鋼（40Cr鋼）調質態相當或接近。相關企業采用非調質鋼代替調質鋼生產零部件可大幅降低生產成本。非調質鋼已廣泛應用于汽車工業鍛件、熱處理件，并在工程結構、輸送管線等領域得到應用。近年來隨著精煉工藝、微合金化、控軋-控冷、氧化物冶金技術（晶內鐵素體析出、鐵素體-貝氏體及-馬氏體）等技術的采用，其應用領域涉及建筑、重型機械、高壓輸送管道、橋梁等。

近年來，我國自行開發的鐵素體-珠光體、貝氏體、低碳馬氏體型等微合金非調質鋼已成功應用于汽車發動機曲軸、連桿、汽車前橋等零部件。其中，一汽公司先后應用35MnVS，38MnVTi、42MnVS、40MnVS代替55鋼、40MnB、45鋼、40Cr鋼在CA6102連桿、CAl41半軸、滑動叉、輕型車扭臂等零件進行了試驗研究；二汽公司自1978年開發應用微合金非調質鋼以來，已先后對東風系列汽車的20余種零件采用微合金非調質鋼進行了試制，采用35MnV代替40MnB生產EQ6100發動機連桿、采用48MnV代替40Cr生產康明斯發動機曲軸等，部分已實現大批量生產。另外，江鈴汽車、南京汽車、天津汽車等汽車制造廠的微合金非調質鋼用量也逐年大幅度增加。從用材工藝技術分析，在汽車車身、變速箱總成、驅動橋總成、懸掛減震器、離合器部件、轉向系統及零件中有15％的鋼結構零件可用微合金非調質鋼代替。目前，我國非調質鋼的年用量約100萬噸。

現階段國內非調質鋼還存在性能不穩定、韌性較低、材料成本較高等缺點。如何獲得高強度與高韌性相匹配的非調質鋼是國內外科技工作者研究的熱點課題。

2.1.2　微合金非調質鋼的特點

（1）強韌化特點

①優化成分，提高強韌性

a.“降C增Mn”在一定范圍內，鋼的強度隨著碳含量的增加而提高，但碳含量的增加在提高強度的同時也降低了鋼的韌性。因此，降C可明顯提高鋼的韌性，其強度損失可由增加Mn含量補償，同時通過細晶強化、沉淀強化和固溶強化進一步提高強度。

b.“多元適量，復合加入”的合金化基本原則　微合金化元素V、Ti、Nb和N等，以細晶強化和沉淀強化等方式同時提高材料的強度和韌性。但最常用的是V，通常V的質量分數在0.06％～0.13％；N是十分有益的元素，N以化合物的形式存在，其主要作用是促進V的析出，提高沉淀析出強化效果，細化晶粒，提高TiN的穩定性用和節約V合金等。S可細化晶粒，促進晶內F析出，提高強韌性，同時也可改善切削加工工藝性能。

c.均含有一定量Mn元素　含0.60％～1.00％或1.00％～1.50％的Mn（因>1.5％時，將降低其韌性）。Mn、Cr以固溶強化方式強化基體組織，提高淬透性，增加鋼的強韌性。

②晶粒細化法　常加入Al、Ti等，通過析出AlN、TiN等來釘扎奧氏體晶界，在加熱時起到阻止晶粒長大的作用；細化晶粒。如用Ti-V復合合金化，控制晶粒尺寸更好。

③沉淀強化法　微合金元素（如Nb、Ti、V和N等）在鋼中除細化晶粒外，還有很強的沉淀強化作用，取決于這些合金化合物在奧氏體中的固溶度、沉淀析出速度及沉淀析出物的數量、尺寸和分布等。

④正火、回火　正火和回火是非調質鋼常用的強韌化工藝，用以調整軋件或鍛件的力學性能。正火、回火工藝比較簡單、操作方便，對提高（調整）非調質鋼零件的強韌性有事半功倍的效果。通過選擇不同的化學成分和相應的軋制（鍛造）工藝，非調質鋼可達與經調質處理的碳鋼及合金結構鋼相當的強度。雖其韌性稍差，但在采取某些韌化措施后，也可達到較高的韌性水平。

正火可使中碳非調質鋼的顯微組織進一步細化，改變F-P的組織形態，有效地提高鋼的沖擊韌度，最大限度地改善非調質鋼的性能。表2-5列出了0.46C-1.04Mn-0.084V（質量分數，％）非調質鋼不同狀態的力學性能，圖2-2是不同狀態的顯微組織。

回火一般用于貝氏體非調質鋼。具有優良韌性的貝氏體型非調質鋼可通過回火進一步顯著提高韌性。表2-6系12Mn2VB貝氏體非調質鋼鍛態及鍛后經中溫回火后的力學性能。表2-7為0.28C-1.9Mn-1.2Ni-0.15V（質量分數，％）貝氏體（B）非調質鋼熱軋件及熱軋后經220℃回火的力學性能，圖2-3是其回火后的顯微組織。

⑤促進晶內鐵素體（IGF）組織的形成　非調質鋼鍛件在冷卻過程產生相變時，鐵素體沿奧氏體晶界析出呈網狀分布，損害鋼的韌性。現在通過控制冶金工藝（如先進的TMCP技術），在奧氏體晶內提供大量鐵素體形核位置，使其不僅在晶界，而且在晶內析出，分割奧氏體從而形成細小、均勻的等軸鐵素體組織，能顯著改善鋼的韌性。

如圖2-4所示，螺栓用鋼的細晶強化可通過TMCP技術，軋后施以適當冷卻工藝，獲得細晶F+P組織，從而達最佳強韌性配合，對MFT8非調質鋼采用TMCP工藝，其組織以細化F+P為主，F的晶粒度13級，平均晶粒直徑5μm左右。

⑥非調質鋼的表面強化　與調質鋼制零件相同，許多非調質鋼零件也可進行表面強化以滿足使用要求。

a.感應淬火　圖2-5是幾種非調質鋼的感應淬火（250kHz）后的硬度分布曲線。

b.氮碳共滲　幾種非調質鋼及42CrMo鋼經10h氣體氮碳共滲后的結果見表2-8。非調質鋼的氮碳共滲化合物層較薄而擴散層較厚。

c.離子滲氮　40MnSiV、48MnV、38MnVS6、12Mn2BV非調質鋼經540℃×8h離子滲氮后的結果見表2-9。

d.激光淬火　38MnVS6、48MnV、40MnSiV非調質鋼圓柱試樣激光淬火后表面硬度及淬硬層深度見表2-10。激光淬火設備為帶控溫裝置的半導體激光器，加熱溫度1200℃。

（2）成分與組織特征

①珠光體（P）-鐵素體（F）型非調質鋼　其碳含量一般為0.3％～0.5％，又稱中碳非調質鋼。其組織主要是：F+P或F+P+彌散析出的碳化物K。圖2-6為化學成分（質量分數，％）為0.37C、0.22Si、1.43Mn、0.048S的F-P型非調質鋼的軋后空冷組織。由圖中可看出，F呈網狀，F的形態取決于碳和微合金元素的含量、形成溫度、時間和晶粒尺寸等。強化的主要作用是細化組織和相間沉淀析出。其典型鋼種是49MnVS3，其σb>770MPa，σs>540MPa，室溫U形缺口沖擊吸收功AK>31J。

②貝氏體（B）型非調質鋼　亦稱低碳貝氏體非調質鋼。其顯微組織有2種，B或B+少量（F+P）。該類鋼的特點是不但有高強度，而且有較好韌性，σb≥830MPa，σs≥540MPa，室溫U形缺口AK>47J。

③馬氏體型非調質鋼　低碳馬氏體非調質鋼的組織為板條狀馬氏體，具有更優良的強韌性匹配、高的疲勞強度以及異常好的韌性，強韌性達優質調質鋼的水平，-30℃時的韌性是第二類鋼的5～6倍，-60℃時的AK>16J。

這三類非調質鋼也可被認為是非調質鋼發展的三個階段。

（3）冶金工藝特點

①冶煉　冶煉非調質鋼時，均要首先充分脫氧，然后再進行合金化。保證鋼中含有穩定和適量的N，對控制微合金非調質鋼的性能是十分重要的。非調質鋼在冶煉時常加入Al、Ti等元素，通過析出AlN、TiN來釘扎奧氏體晶界，提高奧氏體晶粒長大激活能量，在加熱時阻止晶粒長大，在形變過程中抑制奧氏體再結晶，細化晶粒。微合金元素的復合加入比單獨加入作用更大。

a.窄成分范圍和成分偏析的穩定控制技術　非調質鋼因其省略調質熱處理工序，對鋼的化學成分及成分偏析控制有很高的要求。化學成分微小波動就會使非調質鋼的微觀組織產生較大的變化，從而影響鍛件性能的穩定性和零件服役的安全性。早期的非調質鋼主要釆用電爐流程（電爐→爐外精煉→連鑄→控軋控冷）生產，近年來為進一步降低成本而逐漸采用轉爐流程（轉爐→爐外精煉→連鑄→控軋控冷）生產非調質鋼。但采用轉爐冶煉由于周期短（約30min）而增大了成分精確控制的難度；另外，由于出鋼下渣量大，精煉十分困難。對此，通過選用精料、穩定出鋼量、優化脫氧方式、規范過程準確取樣和成分調整規范等方法以及低過熱度澆注、電磁攪拌及優化連鑄工藝參數等全系統的精確控制技術，在困擾多年的非調質鋼窄成分范圍和成分偏析的穩定控制技術方面取得重要進展。大量的生產統計數據表明，成分波動范圍顯著收窄（降低幅度在30％以上），達到了國外同類產品的先進水平（表2-11）。此外，對于含氮非調質鋼，開發出一種直接采用氮氣部分取代氬氣底吹的工藝，可以在滿足氮含量穩定控制及對潔凈度的要求條件下，以較低的成本增加鋼液中的氮含量。

b.硫化物細化和均勻分布技術　為改善非調質鋼的切削加工性能，鋼中通常要求加入較高含量的硫（一般質量分數為0.04％～0.06％）并形成細小且均勻分布的硫化物。對此，國內外開展了硫化物細小及均勻分布技術的大量研究。然而，為保證非調質鋼零部件的服役壽命，對鋼材的潔凈度提出了越來越嚴格要求。為此，開發出含硫非調質鋼的新型脫氧工藝、增硫技術和硫含量穩定控制技術，并通過降低澆注過熱度、加大坯材壓縮比及優化控軋工藝等措施，獲得了細小且均勻分布的硫化物，從而保證了含硫非調質鋼具有較低的硫化物級別和高的潔凈度，如硫質量分數0.04％～0.06％的非調質鋼棒材中的硫化物夾雜級別由原3.5～4.5級降低到2.5～3.0級，硫化物長寬比低（約2）且分布較均勻，達到國外同類進口材料的水平（圖2-7和表2-12）。

②先進的TMCP技術　微合金化與TMCP相結合，才能充分發揮微合金化元素的作用，從而達到最佳的強韌化效果。對于軋制（鍛制）并經切削加工后使用的非調質鋼來說，軋制（鍛制）工藝將決定零件的最終性能。制定合適的鍛造工藝，如鍛造加熱溫度、始鍛溫度、終鍛溫度、鍛造比（變形量）、冷卻速度（冷卻方式）等，以使鍛坯力學性能符合零件的使用要求。圖2-8系成分為0.37C-0.048S-1.43Mn-0.080V（質量分數，％）非調質鋼加熱至不同溫度快速冷卻后的顯微組織及其數量，它突出顯示了熱加工工藝（加熱溫度）的影響，即隨加熱溫度的提高，所獲得的組織由細小變為粗大。

（4）性能特點

①力學性能　具有與碳素及合金結構鋼調質后同樣強度。雖其韌性稍差，但采取某些韌化措施后，也可達到相應韌性水平。與調質態使用的機械結構鋼相比，微合金非調質鋼對尺寸（體積）效應不敏感，使其力學性能尤其硬度值在零件截面上分布較均勻，這一點對大型零、部件尤為可貴和重要。表2-13列出了常用非調質鋼的力學性能及其應用。

②工藝性能　良好的切削加工性能。在硬度相同情況下，具有F-P組織的非調質鋼，其切削加工性能比具有回火S組織的調質鋼好。為進一步改善非調質鋼的切削加工性，可適量單獨添加某易切削元素如S或Pb及Ca、Te（碲）、Se（硒）等，或復合添加這些元素。

③良好的表面強化特性　如前所述，非調質鋼具有良好的表面強化特性。為提高其表面耐磨性和疲勞強度，都進行表面強化處理。其具有良好高、中頻感應加熱淬火特性；與同等強度級別調質鋼相比，在同樣氮化和軟氮化工藝條件下，非調質鋼的滲層可得到更高硬度、更深滲層深度，氮化處理后心部硬度也不降低等。

（5）技術經濟性能特點

表2-14列出了非調質鋼與調質鋼零件的大致制造工藝流程比較。可以看出，采用非調質鋼制造零件，與調質鋼相比，最大的不同就是省去了熱處理工序。對于冷拉成形非調質鋼，不但省去調質處理，還省去了退火處理。因此，非調質鋼的技術經濟性能特點可歸納為以下幾點。

①非調質鋼的規格（尺寸）效應較小，其強度和硬度沿零件截面的分布較為均勻，提高了零件的整體強度。

②避免了調質過程中因工件畸變、開裂而產生廢品的風險，提高了成品率。

③減少了高能耗的熱處理工序，節能減排。

④縮短生產周期，提高勞動生產率，節約生產管理費用，即降低制造成本，提高企業的效益。

⑤良好的切削性能和表面強化性能。

2.1.3　典型新型非調質鋼品種的研發應用實例

（1）大桿徑汽車半軸用高強度中碳非調質鋼

傳統大桿徑載重商用車半軸采用調質鋼42CrMo等生產，包括熱鍛成形、調質處理和感應淬火等工序。為降低熱處理成本特別是減少淬火變形，開發出一種大桿徑軸類用、適應表面感應淬火的高強度中碳非調質鋼FAS2340（Mn-Cr-V-B系）。該鋼的各項性能指標與日本生產的同級別材料相當，材料疲勞性能接近調質鋼（表2-15）。特別是半軸經表面感應淬火處理后，具有獨特的微觀組織特征和疲勞性能，靜扭轉疲勞壽命較調質鋼42CrMoH提高了100％以上，可代替42CrMoH鋼用于制造52～62mm的大桿徑重載商用車汽車半軸，已定型批量應用。

（2）脹斷連桿用高性能中碳非調質鋼

目前普遍采用的高碳鋼C70S6（歐美目前普遍釆用的脹斷連桿用鋼是在0.70％碳鋼基礎上開發的C70S6，其成分特點是低硅、低錳、添加微合金元素V和易切元素S，合金元素范圍很窄，潔凈度要求嚴格）雖易發生脆性裂解，適合采用脹斷工藝來生產連桿，但仍存在如屈強比偏低、疲勞性能比相同強度水平的調質鋼低、較多高硬度脆性片層狀滲碳體使鋼的切削加工性能較差等明顯缺點。因此，國際上開展了改善傳統脹斷連桿用鋼性能的研究，其主要思路是：降低傳統高碳鋼C70S6的碳含量，以復相的F+P組織代替較單一P組織。然而，傳統F+P組織中，F的韌性和塑性較好，缺口根部的F區域容易發生延性斷裂，脹斷性能很差。

在吸收上述兩類非調質鋼優點的基礎上，通過在中碳鋼中復合添加B與P元素而適度增加鋼的脆性和降低塑性，開發出一種新型的綜合性能優異的脹斷連桿用中碳非調質鋼ADVANS850FS。該鋼不但具有較高的強度水平和屈強比，同時具有遠高于C70S6鋼的高周疲勞性能（圖2-9和表2-16）。此外，模擬實際脹斷試驗結果表明（圖2-10），傳統連桿用非調質鋼F38MnVS不僅硬度低，而且試樣脹斷前后的變形量很大，不適宜應用脹斷技術制造連桿；開發鋼的斷口斷面平整，斷口邊沿無剪切唇，呈典型的脆性解理斷裂，脹斷前后的變形量很小，具有優于C70S6鋼的脹斷性能，可采用脹斷工藝制造對疲勞性能等要求較高的汽車發動機連桿。

（3）少（無）微合金化，低成本、高品質非調質鋼

傳統的非調質鋼中往往需添加昂貴的V和Nb等微合金元素，為進一步提高非調質鋼的技術經濟性，近年來國內外開始了少添加或不添加微合金元素的新型低成本非調質鋼的研發工作。途徑之一是運用組織細化的思路，使碳素結構鋼的強度達到微合金非調質鋼的強度水平，這樣就有可能以碳素非調質鋼替代微合金非調質鋼。

此外，合理運用Mn、N和Ti等元素應是一未來的發展方向，例如，通過增加N含量提高V的微合金析出強化作用，可起到降低鋼中V含量效果；利用Ti的TiN析出控制高溫奧氏體晶粒狀態，優化Si和Mn含量調整相變動力學，為在少無微合金化非調質鋼中獲得細小F+P組織提供條件。這種在對合金體系進行系統熱力學和動力學分析的基礎上，結合現代先進的冶金工藝流程和控軋（鍛）技術，利用上述思路開發的一種少無微合金化元素的低成本非調質鋼ADVANS800F的軋材和試制汽車鍛件的力學性能見表2-17和表2-18。該鋼的疲勞性能［疲勞強度與抗拉強度的比值（σ-1/Rm=0.49）］達到了調質鋼的水平（σ-1/Rm=0.50），但與V微合金化非調質鋼（σ-1/Rm=0.55）仍有一定程度的差距，有待改善。該鋼可替代部分含釩非調質鋼和40Cr等調質鋼來制造部分汽車用鍛件。

①正火樣品依據GB/T15712—2008。

（4）非調質鋼長疲勞壽命化技術

國內外非調質鋼研發工作的側重點大多是研究進一步提高其強度和改善韌性。然而，由于非調質鋼制零件如曲軸和連桿等是在交變應力狀況下長時間運轉，容易產生疲勞斷裂，故提高非調質鋼的疲勞性能十分重要。

F-P型非調質鋼由于存在F軟相，其疲勞裂紋基本上萌生于試樣表面的F/P邊界，并優先沿著F/P邊界擴展，因而強化F、改善F的分布狀態和組織均勻化是改善此類鋼疲勞性能的關鍵。對微合金元素V的研究結果則證實了上述思路的正確性。V元素主要通過析出強化和組織細化的機制來改善F-P型非調質鋼的疲勞性能。即在熱鍛態，V（C，N）呈細小彌散分布，且與鐵素體間具有特定位向關系，具有明顯的析出強化和細化組織作用，鐵素體的強化使得疲勞裂紋萌生和擴展的抗力提高，因而38MnVS鋼的疲勞性能明顯優于38MnS鋼；V含量更高的22MnVS鋼則具有特別優異的疲勞性能（疲勞極限比高達0.60）。

由此可見，F-P型非調質鋼的強度及疲勞極限均明顯高于碳素鋼正火態的水平，而與碳索鋼調質態的水平相當，甚至部分達到了合金結構鋼調質態的水平。這表明組織精細控制的F-P型非調質鋼的疲勞性能達到了調質鋼的水平，可用來代替中碳調質鋼制造曲軸、連桿、半軸等汽車運動部件。

（5）高強高韌貝氏體型非調質鋼

目前，應用最成功的F-P型非調質鋼的抗拉強度低于1000MPa，并且韌性偏低，難以滿足汽車輕量化對鋼材強韌性的更高要求，因而多用來制造曲軸、連桿等對韌性要求相對較低的部件。因此，設計開發出一種新型的1000MPa級高強高韌貝氏體型非調質鋼FAS2225（Mn-Cr-V系），可用來替代傳統的Cr及Cr-Mo型調質鋼制造汽車前軸等對強度和韌性要求更高的零件。該鋼采用較高的Mn含量以獲得粒狀貝氏體組織（如圖2-11所示），從而避免Mo等貴重金屬的應用，同時添加適量微合金化元素V來改善鋼的強韌性。應用結果表明，該鋼具有良好的強韌性配合，同時具有優異的疲勞性能，各項性能指標均達到載重汽車的設計要求，與日本進口的同類調質鋼性能相當（表2-19），并且與傳統調質鋼（45，42CrMo）及非調質鋼（16Mn2VB，32SiMnVTiS）等相比，采用該鋼生產的汽車前軸的疲勞壽命最高。目前已采用該鋼批量生產載重汽車前軸。

研究表明，在同樣的碳當量下，貝氏體鋼的抗拉強度比F-P鋼高200MPa以上，具有明顯的優勢。安賽樂公司開發的中碳Mn-Si-Cr系空冷貝氏體鋼在實驗室獲得的最佳性能為抗拉強度1150MPa，伸長率20％。韓國浦項制鐵公司開發的低成本的空冷微合金化低碳貝氏體鋼（0.15％C-1.8％ Mn-0.002％B）的抗拉強度為825MPa，伸長率11.1％，完全滿足汽車轉向節拉桿的技術要求。在汽車產業很發達的日本，貝氏體非調質鋼的應用是很常見的。日本新日鐵公司研制的貝氏體非調質鋼，添加較多的微合金元素，使鋼在很寬的冷卻速度范圍內獲得貝氏體組織，且冷卻速度越慢，可獲得的低溫性能越好，適用于要求強度高、韌性好的汽車行走系部件。我國使用貝氏體鋼制作的各種車輛、機車、農機等機械的各類彈簧與常用的彈簧鋼相比，也具有更長的使用壽命和更高的安全性。而且利用貝氏體鋼制作的車輛前橋、轉向臂、彎直臂等已在一汽、東風和中國重汽等廠家生產使用，性能穩定。

在工程機械使用到齒板、沖擊錘、襯板、護鉤、護甲等機械構件的冶金、電力、礦山、化工和建材等行業，僅中國一年的消耗量就達到100萬噸以上。在工件磨損方面，我國每年經濟損失高達約400億元人民幣。在以上這些領域，由于此類工具都承受著較大的沖擊力，因此對鋼要求要有好的強韌性配合。例如，我國礦山機械上使用的貝氏體+馬氏體復相組織的磨球，其表面硬度達56～62（HRC），心部達54～57（HRC），沖擊韌度達到17J/cm2；礦山掘進機和采煤運輸機上大量使用的刮板等也為貝氏體鋼，硬度為40（HRC），沖擊韌度40J/cm2。表2-20歸納總結了可用非調質鋼制造的工程機械零部件。

超低碳貝氏體非調質鋼具有較好的低溫焊接性能和高的強韌性配合，常應用在海洋設備、艦艇和運輸船上。超低碳貝氏體非調質鋼在海洋領域的應用，美國和日本走在世界前列。20世紀，寶鋼和武鋼已經開發出了該鋼種的Cu2Nb2BT系和Mn2Nb2B系非調質鋼，隨后鞍鋼和上鋼三廠也相繼開發出了此類型的不同型號的鋼種。

非調質鋼最常見同時用量最多的要數鐵路行業。采用貝氏體非調質鋼所生產的火車車輪比用常見鋼種CL60的強度提高13％，塑性變形能力提高23％，沖擊韌度也提高近3倍，因此大大提高了車輪的抗剝離性能。為達到鐵軌等鐵路設備對鋼的高強度、高韌性和高耐磨性的要求，實際用鋼一般采用高錳鋼，但使用中仍然會出現各種問題。貝氏體非調質鋼以其1300MPa的抗拉強度、90J/cm2的沖擊韌度和達到20％的斷面收縮率使得鐵路設備的使用壽命明顯提高。

貝氏體非調質鋼的優越性能同樣也受到石油業的關注。非調質鋼的運用使得石油采集和輸送過程成本顯著降低。日本鋼鐵公司開發的X70和X80貝氏體鋼，屈服強度高于500MPa，脆性轉變溫度也能夠達到零下80℃，并且成本低廉，使用壽命可提高好幾倍。唐山鋼鐵公司也研制出了工藝簡單且達到國標GB7229要求的非調質鋼FG20。

非調質鋼在模具方面也有較大的應用潛力。過去模具鋼通常采用45鋼、40Cr鋼和Cr12MoV鋼等，但所生產的模具加工性能和耐磨性差、表面粗糙度高、熱處理困難，并且產品外觀質量較差。而貝氏體非調質鋼可不經過熱處理并且性能優越，因此在模具領域具有廣闊的應用前景。

（6）釩（V）-鈮（Nb）微合金化非調質鋼

采用V-Nb微合金化通過微細碳氮化V（Nb）（C，N）的沉淀強化提高鋼材熱軋態或鍛造態的強度水平，是F-P型非調質鋼最重要的強化機制。國外已經研制開發生產了大量的V-Nb復合微合金化的非調質鋼，在汽車零件的使用率已達60％以上。我國多年來也研發了以V微合金化為主的20余個非調質鋼種，用于生產汽車曲軸、連桿、半軸等零件，取得了良好的效果，但由于各方面的原因，至2012年的生產使用量僅為10萬噸。

近年來，Nb對珠光體相變的抑制作用受到重視，Nb-V復合微合金化的非調質鋼不僅強度水平比V微合金化的非調質鋼明顯提高，而且由于滲碳體片層間距細化及展弦比的降低，鋼材組織形貌更接近于調質狀態，從而具有更高的塑韌性。深入研究Nb對珠光體相變的影響規律，使鋼材在熱軋態或鍛造態不僅獲得調質態的強度水平，也得到更為接近調質態的組織，是F-P型非調質鋼未來發展的重要方向。目前，世界上先進國家研發生產了大量V-Nb復合微合金化的非調質鋼，在汽車零件的使用率已達60％以上，在工程機械等領域也獲得重要的應用。

例如研究Nb-V復合非調質鋼在不同鍛造工藝下的組織變化規律，其結果表明：①相對于單獨添加V的非調質鋼，Nb-V復合非調質鋼鍛后晶粒細小，F含量增多、呈塊狀均勻分布，P片層間距減小、且片層分布不規則，如圖2-12所示，可改善鋼的組織韌性；②如圖2-13所示，可看出降低冷卻速度有利于先共析F長大，促使網狀F向塊狀F轉變，分布更均勻，有利于非調質鋼韌性的改善，增大鍛后變形量，可使組織細化。

總之，近年來隨著計算機、控制、傳感及精密測量技術等當代高科技與傳統鋼鐵、制造業的結合，微合金鋼的開發應用獲得新進展，除汽車工業外，應用范圍涉及建材、重型工程結構（起重機、載重車輛）、高壓輸送管道、橋梁、高壓容器、集裝箱、船舶等。而這些用途鋼材一般占社會對鋼材總需求量的60％左右。所以非調質鋼應用前景廣闊，是現代鋼鐵工業中的主力產品之一。

2.1.4　微合金非調質鋼的發展方向

不斷提高非調質鋼的強韌性，是各國非調質鋼研發人員多年來共同追求的目標，并貫穿于整個非調質鋼的發展過程之中。為進一步提高非調質鋼的技術經濟性，非調質鋼正向低成本化、化學成分控制高精度與尺寸控制高精度的方向發展。

現國內已成功開發出大功率發動機曲軸用48MnV和連桿用40MnV、35MnVS等非調質鋼等，各大型鋼廠正在針對非調質鋼的韌性改善進行研發，主要冶金措施有氧化物冶金、硫化物冶金、晶內鐵素體化等，目的是促進晶粒細化和改善韌性。隨著我國市場經濟體制的不斷完善，有顯著節能和環保效果的非調質鋼一定能在機械制造行業得到較快發展，并將逐步擴展到其他領域。

綜上所述，微合金非調質鋼（簡稱非調質鋼）是一種高效節能鋼，經熱鍛或熱軋后其力學性能即達到中碳調質鋼的水平，省去了淬火、高溫回火工序，因而也省去了熱處理設備，簡化了生產工藝，降低了能耗，提高了材料利用率，改善了零件質量，降低了制造成本25％～38％，具有良好的經濟效益和社會效益。