600 M Pa級鈦微合金化高強鋼的組織與性能研究

王建鋒,李光強,溫德智,肖愛達,,鄧 深

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室,湖北武漢,430081; 2.漣源鋼鐵集團有限公司技術(shù)中心,湖南婁底,417009; 3.柳州鋼鐵集團公司技術(shù)中心,廣西柳州,545002)

600 M Pa級鈦微合金化高強鋼的組織與性能研究

王建鋒1,李光強1,溫德智2,肖愛達1,2,鄧 深3

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室,湖北武漢,430081; 2.漣源鋼鐵集團有限公司技術(shù)中心,湖南婁底,417009; 3.柳州鋼鐵集團公司技術(shù)中心,廣西柳州,545002)

采用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡以及能譜分析等對轉(zhuǎn)爐CSP流程600 MPa級鈦微合金化高強鋼的組織及性能進行研究。結(jié)果表明,試驗鋼具有良好的綜合力學(xué)性能,其典型組織為多邊形鐵素體加粒狀貝氏體;位錯和位錯胞的強化作用成為鈦微合金鋼的主要強化機制之一;鋼中M/A島在增加試驗鋼強度的同時并未明顯降低其韌性和塑性;試驗鋼中存在TiN、TiC和TiS等析出物,為鋼的細晶強化和析出強化提供了保證;試驗鋼中存在大量納米級鐵碳析出物,其沉淀強化作用不容忽視。

鈦;微合金鋼;析出物;組織;性能

微合金鋼是具有高性能的新型低合金高強度鋼,其采用鈮、釩、鈦進行微合金化,以晶粒細化和析出強化為主要強韌化機制[1]。與鈮、釩相比,鈦微合金化的成本最低[2],我國鈦資源總量為9.65億t,占世界總量的38.85%,研究和發(fā)展鈦微合金鋼可以發(fā)揮我國的資源優(yōu)勢[3]。由于 Ti的化學(xué)活性很大,微Ti與N、O、S等形成穩(wěn)定化合物,可改善鋼板韌性和焊接性能。當Ti含量較高時,鋼材在軋制過程中析出的 Ti(C,N)通過阻止奧氏體晶粒長大而細化鐵素體晶粒,在冷卻和卷取過程中析出的 TiC具有較強的沉淀強化作用[4-5]。

漣源鋼鐵集團有限公司(以下簡稱漣鋼)結(jié)合轉(zhuǎn)爐CSP流程的設(shè)備和工藝特點,在不顯著增加成本的基礎(chǔ)上,開發(fā)出綜合性能優(yōu)良、屈服強度在600 M Pa級以上的鈦微合金化高強鋼系列產(chǎn)品。本文針對漣鋼試制的轉(zhuǎn)爐CSP流程600 M Pa級鈦微合金化高強鋼,對其組織、性能及析出物進行分析研究,以期為拓展鈦微合金鋼的應(yīng)用范圍提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

漣鋼鈦微合金化高強鋼采用低碳(w(C)< 0.05%)、高錳、低硫(w(S)<0.003%)、高鈦、低鈮或者不加鈮的微合金化方案,其成分及力學(xué)性能如表1所示。從表1中可以看出,試驗鋼具有良好的綜合力學(xué)性能,且隨著鈦含量的增加,其強度也在提高。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能Table 1 Chem ical compositionsand mechanical properties of test strips

試驗鋼的生產(chǎn)工藝流程為:優(yōu)質(zhì)鐵水和廢鋼→轉(zhuǎn)爐冶煉→氬站吹氬→鋼包爐精煉→薄板坯連鑄→均熱→控制軋制→層流冷卻→卷取。試驗鋼的軋制工藝參數(shù)如表2所示,通過控制開軋溫度、道次變形量、終軋溫度和卷取溫度,使試驗鋼獲得最佳組織。在軋制過程中,盡量加大F1、F2機架變形量,提高開軋溫度,使鑄造粗大奧氏體組織盡可能發(fā)生再結(jié)晶。同時,利用機架間冷卻和道次變形量的合理分配,使試驗鋼組織完成枝晶再結(jié)晶細化后,在未再結(jié)晶區(qū)實施充分變形,使奧氏體扁平化,以提高奧氏體有效晶界面積。通過加速冷卻和卷取,實現(xiàn)晶粒細化和組織均勻化,卷取溫度為600℃左右時,組織中的沉淀析出物質(zhì)點最為細小,可起到最大的沉淀強化作用[6]。

表2 試驗鋼的軋制工藝參數(shù)Table 2 Rolling parameters of test strips

采用光學(xué)顯微鏡觀察試驗鋼的顯微組織,利用定量金相技術(shù)測定鐵素體晶粒尺寸;制取薄膜金屬樣及碳復(fù)型樣品,采用附帶OXFORD INCA能譜儀的JEOL JEM-2100F場發(fā)射透射電鏡觀察與分析試驗鋼的精細組織及析出物。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)顯微組織

圖1為在光學(xué)顯微鏡下觀察到的試驗鋼板縱截面距離邊部1/4厚度處的顯微組織。從圖1中可以看出,試驗鋼組織均由多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量M/A島+極少量的細微珠光體組成,組織中沒有大塊殘余奧氏體和馬氏體組元。試驗鋼晶粒均勻細小,3個試樣的晶粒尺寸差別不大,晶粒度為11.5～12級。

2.2 位錯組態(tài)及亞結(jié)構(gòu)

圖1 試驗鋼的金相組織Fig.1 M icrostructures of test strips

位錯強化是金屬材料最有效的強化方式之一,晶體中的位錯達到一定程度后,位錯間的彈性交互作用增加了位錯運動的阻力,可有效提高金屬強度。采用透射電鏡對試驗鋼的組織進一步觀察,結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)中可以看出,組織中位錯線很長,貫穿整個晶粒,有纏結(jié)在一起的傾向,位錯密度較高,并且在位錯線的周圍有大量細小沉淀析出物粒子。從圖2(b)中可以看出,組織中位錯密度很高,這些位錯互相纏結(jié)、分布混亂,有些地方已經(jīng)形成較為完整的位錯胞界并且排列較為齊整。從圖2(c)中可以看出,片狀鐵素體晶粒具有高密度位錯并排列成束,每束包括5片以下鐵素體晶粒,并且沿鐵素體晶粒的方向稍微延長,每片鐵素體晶粒長為2～5μm,寬為0.5～1μm,同一束中鐵素體晶粒具有幾乎相同的晶體取向,束之間的晶界為亞晶界,不同的束具有不同的晶體取向,束的邊界為大角度晶界。

圖2 試驗鋼的位錯組態(tài)Fig.2 Dislocation configurations of test strips

通過對位錯強化問題進行理論分析可知,從位錯、位錯胞到亞晶和晶界,它們之間的作用是相互聯(lián)系和相互影響的[7]。位錯密度很低時,僅需考慮晶界的作用;位錯密度很高時,主要考慮位錯或位錯胞結(jié)構(gòu)的作用;當這些位錯重新排列成發(fā)達的亞晶時,亞晶內(nèi)部的位錯密度會相當?shù)?這時主要考慮亞晶的作用;而當位錯或亞結(jié)構(gòu)與晶界的作用大致相當時,就要通過均方根疊加來計算它們對強度的總影響。位錯和位錯胞的強化作用已成為鈦微合金化鋼的主要強化機制之一。

2.3 馬氏體-奧氏體組織

圖3為采用透射電鏡觀察到的試驗鋼中M/ A島的微觀形貌。從圖3(a)中可以看出,小島形狀狹長而不規(guī)則,與片狀鐵素體近似平行分布,尺寸為幾十納米至幾百納米不等。從圖3(b)中可以看出,殘留奧氏體與馬氏體交錯分布構(gòu)成M/A島,黑色部分為馬氏體,部分出現(xiàn)孿晶組織。在M/A島內(nèi)首先形成的馬氏體片分割了殘留奧氏體,不同階段形成的馬氏體片具有不同的尺寸和方向,當它們逐漸生長后發(fā)生相互作用,在馬氏體片內(nèi)形成形變孿晶[8]。

圖3 試驗鋼的M/A島形貌Fig.3 Morphologies of M/A island of test strips

微合金鋼中的M/A島是低碳貝氏體鋼的一個重要組織特征,其含量、形狀、尺寸及分布等對鋼材性能都有影響[9]。適當提高 M/A島的體積分數(shù)可以提高鋼材的強度,但 M/A島太多又對材料韌性不利。當M/A島體積分數(shù)一定時,細小分布的M/A島組織能阻礙位錯運動和疲勞裂紋的擴展,使鋼材不易因應(yīng)力集中而誘發(fā)裂紋,可提高其強度和DW TT值。文獻[10]認為,雖然M/A島為脆性組成物,對鋼的韌性可能有不利影響,但均勻細小的M/A島有利于改善鋼板的韌性。因此,針狀鐵素體加少量細小的彌散分布M/A島組織具有優(yōu)良的韌性。在本文試驗鋼中形成的M/A島主要受鋼的成分和工藝的影響。首先,鋼的含碳量直接影響到島狀物的相對數(shù)量,由于本文試驗鋼的含碳量相對較低,一定程度上減少了島狀組織的形成。其次,在熱軋過程中采用了較大的冷卻速度,這可以減小島狀物的相對數(shù)量及尺寸,有利于改善試驗鋼的韌性。另外, M/A島在基體中是以不連續(xù)的方式分布,島與島之間具有一定的距離,由于中間是具有良好韌性的板條鐵素體,裂紋更不易擴展,即不連續(xù)分布的M/A島避免了裂紋連續(xù)擴展通道的形成,因此M/A島在提高試驗鋼強度的同時并未明顯降低其韌性和塑性[11]。

2.4 含鈦析出物

鈦微合金化鋼中存在大量 TiN、TiC和Ti4C2S2等析出物[12]。在CSP工藝條件下,由于連鑄薄板坯不經(jīng)過γ→α及α→γ兩個相變過程,而是直接進行在線連軋,因此在其熱軋之前有高達80%的鈦保持在奧氏體組織中[13],這為后續(xù)碳氮化物的析出提供了條件。圖4為試驗鋼中典型析出物的TEM照片及對應(yīng)的成分分析。它們是在不同階段、不同溫度下析出的,起的作用也各不相同。

圖4(a)所示為尺寸相對較大的析出物,其尺寸為幾百納米至1微米。這些析出物是高溫時在鑄坯中形成的,經(jīng)過軋制后保留在鋼中,由于其顆粒尺寸較大,既不能阻止奧氏體晶粒長大,也不能起到沉淀強化作用。圖4(b)所示為 TiC及 TiS析出,析出顆粒近似圓形,尺寸在十幾納米至幾十納米不等,其屬于固相析出,分別在連鑄及冷卻、均熱、連軋、層冷、卷取等階段產(chǎn)生。這些粒子直徑小而且數(shù)量多,將產(chǎn)生顯著的沉淀強化作用。由于試驗鋼中含有微量微合金元素鈮,因此在成分測定中也檢測到含鈮的析出物。

薄板坯凝固、冷卻速度快的特點增加了 TiN形核的過冷度,顯著提高了其形核率,析出粒子的長大時間短,粗化不明顯,因此采用薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)的鈦微合金化高強鋼中 TiN粒子更加細小,可以成為阻止晶粒長大的有效質(zhì)點[14]。薄板坯連鑄連軋的總壓縮比雖然較小,但變形速率卻大于傳統(tǒng)工藝,且道次變形量大,層流冷卻使帶鋼迅速降溫,位錯線上形核沉淀的微合金碳氮化物能釘扎位錯線以及有效阻止形變奧氏體的再結(jié)晶,也能阻止奧氏體晶粒粗化,并且這些質(zhì)點尺寸細小、彌散分布 ,能阻止位錯移動 ,通過Orawan機制可以起到明顯的沉淀強化作用,這也是鈦微合金化高強鋼強度提高的主要機制。

圖4 試驗鋼析出相的TEM照片及其能譜Fig.4 TEM imagesand EDS spectra of precipitations in test strips

2.5 納米鐵碳析出物

通過RTO金屬包埋切片微米-納米表征法對試驗鋼板中鐵碳析出物進行分析研究,主要檢測過程為:試樣電解→超聲波清洗陽極泥→淘洗磁分離→洗滌烘干→稱重→夾雜物組成檢測,鐵碳析出物的形貌及 EDS能譜如圖5所示。從圖5中可以看出大量棒狀析出物,其長度為幾十納米至幾百納米不等,能譜分析表明其主要是鐵的碳化物及氧化物。文獻[15]認為此類碳化物為三次滲碳體,文獻[16]認為納米級鐵碳化物在鋼中可能起沉淀強化作用,因此在討論微合金鋼強化作用機理時不應(yīng)忽視納米級鐵碳析出物的貢獻。

圖5 鐵碳析出物的形貌及EDS能譜Fig.5 Morphology and EDS spectrum of iron-carbon precipitations

3 結(jié)論

(1)試驗鋼的典型組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量M/A島+極少量的細微珠光體,晶粒度為11.5～12級。

(2)試驗鋼組織中位錯密度較高,這些位錯互相纏結(jié)、分布混亂,有些已形成較為完整的位錯胞界,位錯和位錯胞的強化作用是鈦微合金化鋼的主要強化機制之一;試驗鋼中的M/A島在提高其強度的同時并未明顯降低其韌性和塑性。

(3)試驗鋼中存在大量TiN、TiC和 TiS析出物,為細晶強化和析出強化提供了保證。細小、彌散分布的析出物能阻止位錯移動,通過O rawan機制起到明顯的沉淀強化作用,這是鈦微合金化鋼強度提高的主要機制。

(4)試驗鋼中存在大量納米級鐵碳析出物,其對鈦微合金化鋼也有一定的強化作用。

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M icrostructure and properties of 600 M Pa Ti-m icroalloyed high strength strip

W ang Jianfeng1,L i Guangqiang1,W en Dezhi2,Xiao A ida1,2,Deng Shen3
(1.Key Labo rato ry fo r Ferrous M etallurgy and Resources U tilization of M inistry of Education,W uhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Technological Center,Lianyuan Iron and Steel Co.,L td., Loudi 417009,China;3.Technological Center,Liuzhou Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Liuzhou 545002,China)

Themechanical p roperties and microstructure of Ti-microalloyed high strength steelwere investigated by means of op tical electron microscope,energy dispersive X ray detector,and transmis sion electron microscope.It is found that the microstructures of the target steel are fine grains of polygon ferrite and granular bainite w ith good mechanical p roperties.Dislocation and dislocation cell strengthening function become one of the main reinfo rced mechanism s.The existing M/A island in steel increases its strength w hile not significantly reducing its toughness and p lasticity.TiN,TiC and TiS p recipitates p rovide guarantee for fine grain strengthening and p recipitation strengthening.In addition,there are a lot of nanoscale Fe3C p recipitates in the steel,w hose p recipitation strengthening should not be igno red.

Ti;microalloyed steel;p recipitate;microstructure;p roperty

TG115.21

A

1674-3644(2010)06-0561-05

[責(zé)任編輯 尚 晶]

2010-06-06

湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體資助項目(2008CDA 010).

王建鋒(1979-),男,武漢科技大學(xué)博士生.E-mail:agw jf@163.com

李光強(1963-),男,武漢科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.E-mail:ligq-wust@w ust.edu