碳素钢以低廉的成本,良好的冷热加工性成为使用范围最广泛的钢种,在机械、汽车、铁路、船舶、航空航天、化工、电子等行业大量使用。在当今时代背景下,如何更加有效地、绿色地提高钢铁材料的强度和韧性,是现阶段研究的一个热点。本实验中通过在高碳钢中添加0.04%的Nb(2#钢),和不添加Nb的1#钢行能进行对比,探讨Nb在高碳钢相变过程中对组织性能的影响。同时,研究不同热处理工艺对含Nb高碳钢组织性能的影响,探讨Nb在高碳钢中的作用机理,并得到含Nb高碳钢的最佳热处理工艺。高碳钢淬火后组织主要针状马氏体,同时有少量的残余奥氏体以及、碳化物析出和板条马氏体。并且还发现在低温时,组织中针状马氏体要比板条马氏体多一些,但是随着淬火温度的升高,板条马氏体的数量是逐渐增加的。原因是奥氏体化温度较低的时候,奥氏体晶粒内化学成分不均匀,有利于马氏体按照孪晶的机制来形核和长大,从而形成外形不规则的针状马氏体。而在淬火加热温度很高时,奥氏体晶粒中的化学成分可以充分地扩散,同时晶体中的缺陷也会减少,会促进板条马氏体的形成。随着淬火温度的升高,淬火组织硬度增大明显,但是对组织韧性降低也非常明显。高碳钢淬火组织随着回火温度的升高,组织演变的趋势是回火马氏体(低温回火)→回火屈氏体(中温回火)→回火索氏体(高温回火)。其组织演变机制可以分为两个方面：一是孪晶马氏体的及位错的回复、再结晶过程。二是马氏体中过饱和的碳的脱溶,第二相的析出,碳化物的演变过程。随着回火温度的升高,组织强度,硬度下降,而韧性则出现了先增加再减小的趋势。通过在珠光体相变过程中对组织进行形变,可以获得超细晶复相组织(α+θ),球化的渗碳体弥散分布在基体中。在温形变过程中发现：(1)形变量越大,组织珠光体球化越明显。原因是形变量增大,铁素体基体和渗碳体片层间的界面能就会增大,促进促进珠光体的球化；同时形变量增大后,会造成珠光体中片层渗碳体发生断裂,扭曲,增加了珠光体中的位错密度,使珠光体发生球化的位置增多；形变量增大会提高铁素体内的位错密度和空位密度,有利于碳原子和铁原子的扩散,促进珠光体的球化。(2)应变速率太大的时候,形变时间短,组织中铁原子和碳原子来不及扩散,所以不容易发生渗碳体的球化；而应变速率比很小的时候,形变时间过长,渗碳体的球化后会发生粗化。Nb的加入在热处理的过程中对组织性能的影响主要是：添加Nb可细化晶粒(原奥氏体晶粒和马氏体亚结构尺寸、再结晶铁素体晶粒大小)、抑制位错回复提高位错密度提高强度；另外组织中Nb (CN), NbC的析出可以通过沉淀强化作用对强度有一定的贡献；晶粒的细化、以及碳化物的大量析出,可以提高组织的塑性；Nb的加入推迟了珠光体相变的时间,使珠光体的领域变小,减小珠光体中片层间距,促进了渗碳体的球化。