Ti微合金化對3.5Ni鋼低溫韌性的影響

李建華，吳開明，邱金鰲

（1.武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；2.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北武漢，430080）

Ti微合金化對3.5Ni鋼低溫韌性的影響

李建華1，2，吳開明1，邱金鰲1

（1.武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；2.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北武漢，430080）

利用光學(xué)顯微鏡和透射電鏡觀察不同Ti含量3.5 Ni鋼試樣的組織及析出物，并通過測定其－80～－120℃的夏比沖擊功來研究Ti微合金化對3.5Ni鋼低溫韌性的影響。結(jié)果表明，與0.042Ti試樣相比，0.079Ti試樣在熱軋態(tài)和正火＋回火態(tài)時(shí)晶粒大小相同，但其熱軋態(tài)組織中珠光體細(xì)化，且正火＋回火態(tài)組織中TiN數(shù)量增多，平均尺寸約為150 nm；正火＋回火處理后，0.079 Ti試樣在－80～－120℃的夏比沖擊功為233～23 J，均低于0.042Ti試樣相應(yīng)值（234～66 J）；對于正火＋回火態(tài)試樣，較粗大TiN粒子的析出是造成其低溫韌性降低的主要原因。

3.5Ni鋼；Ti微合金化；珠光體；TiN；低溫韌性

3.5Ni鋼是一種低溫壓力容器用鋼，工作溫度為－80～－101℃，因其制造成本低、力學(xué)性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于能源、化工等行業(yè)［1］。但3.5Ni鋼在低于轉(zhuǎn)變溫度或脆性狀態(tài)下使用時(shí)，在較低應(yīng)力作用下即會(huì)發(fā)生脆性破壞。因此，對于低溫鋼，除要求一定的強(qiáng)度外，還要求有足夠的低溫韌性。低溫韌性是衡量3.5Ni低溫鋼性能的重要指標(biāo)。

在降低碳含量的前提下，通常需要在鋼中加入一定量的微合金元素，利用微合金元素在鋼中的晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化作用，實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)韌性的良好配合［2］。與Nb和V微合金化相比，Ti微合金化的應(yīng)用相對較少［3］，其主要原因有：①Ti的性質(zhì)活潑，易與鋼中的O、S和N等雜質(zhì)元素結(jié)合形成尺寸較大的化合物，它們既不能細(xì)化晶粒，也不能起到沉淀強(qiáng)化作用，故鋼中O、S和N元素含量波動(dòng)即會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能波動(dòng)；②TiC的析出對溫度和冷卻速度較敏感，容易造成鋼板不同部位力學(xué)性能的波動(dòng)。然而，鈦鐵價(jià)格相對低廉，采用Ti微合金化能大幅降低生產(chǎn)成本，同時(shí)在焊接過程中細(xì)小的TiN粒子可以阻止焊接熱影響區(qū)晶粒的粗化，降低材料的韌性損失［4］。本文通過分析Ti微合金化3.5Ni低溫鋼熱軋態(tài)試樣的組織變化和正火＋回火態(tài)試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)以及第二相的析出行為，測定其不同溫度下的沖擊功，來研究Ti對3.5Ni鋼低溫韌性的影響，以期為Ti微合金化3.5Ni低溫鋼的研制提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)鋼采用含基本成分的3.5Ni鋼，調(diào)節(jié)其中Ti元素的含量，利用工業(yè)純鐵冶煉、軋制而成，其工藝流程為：50 kg真空感應(yīng)電爐冶煉→鑄錠→鑄錠于1 250℃均熱→在500 mm兩輥軋機(jī)上進(jìn)行奧氏體再結(jié)晶和未再結(jié)晶軋制→快冷至Ar1溫度→空冷。鋼板厚度為14 mm，化學(xué)成分如表1所示。對鋼板進(jìn)行正火＋回火熱處理，正火溫度為860℃，保溫15 min；回火溫度為630℃，保溫25 min。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of testing steels

采用Olympus PME3－3光學(xué)顯微鏡觀察熱處理后試樣的組織（珠光體量用珠光體團(tuán)數(shù)目與觀察到的顯微區(qū)域面積的百分比表示）；采用Tecnai G2 F20 S－TWIN場發(fā)射透射電鏡（TEM）及能譜儀（EDS）觀察析出相和分析析出物的成分；采用WE－60液壓萬能試驗(yàn)機(jī)和JB－30B沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊溫度為－80～－120℃。

2 結(jié)果與分析

圖1為熱軋態(tài)時(shí)兩種試樣的光學(xué)顯微組織。由圖1中可以看出，兩種熱軋態(tài)試樣的組織均為貝氏體＋鐵素體＋珠光體；不同Ti含量試樣的平均晶粒尺寸大小相當(dāng)，晶粒度均為10級；Ti含量較高時(shí)，試樣中珠光體（黑色箭頭標(biāo)記）的數(shù)量減少，試樣中珠光體組織細(xì)化。計(jì)算可得0.042Ti和0.079Ti試樣中珠光體量分別為2.26×10－3個(gè)／μm2和5.65×10－4個(gè)／μm2。

圖1 熱軋態(tài)試樣的光學(xué)顯微組織Fig.1 Optical microstructure of the as－rolled steels

圖2所示為正火＋回火后兩種試樣的光學(xué)顯微組織。由圖2中可以看出，正火＋回火后兩種試樣的主要組織均為貝氏體＋鐵素體，平均晶粒尺寸大小相當(dāng)，晶粒度均為10級。

圖2 正火＋回火態(tài)試樣的光學(xué)顯微組織Fig.2 Optical microstructure of the normalized and tempered steels

0.079Ti試樣中析出粒子的TEM形貌（復(fù)型）和能譜分析如圖3所示。由圖3中可以看出，0.079Ti試樣主要析出相為TiN，尺寸約為150 nm。而0.045Ti微合金化鋼中析出物尺寸為幾納米至幾十納米［3］，0.042 Ti試樣中析出粒子大小與之相當(dāng)。

用JMatPro軟件模擬0.042Ti和0.079Ti試樣中第二相的析出曲線，結(jié)果如圖4所示。由圖4中可以看出，在較寬的回火溫度范圍內(nèi)，Ti含量增加后，3.5Ni鋼中析出物相含量增加；在630℃時(shí)，0.079Ti試樣析出相含量約為0.042Ti試樣的兩倍。

0.042Ti試樣和0.079Ti試樣的力學(xué)性能如表2和圖5所示。由表2中可以看出，0.079Ti試樣的屈服強(qiáng)度ReL和抗拉強(qiáng)度Rm均略高于0.042Ti試樣；延伸率A和斷面收縮率Z均略低于0.042Ti試樣。從圖5中可以看出，在－80～－120℃溫度范圍內(nèi)，0.079Ti試樣的低溫沖擊功為233～23 J，均低于0.042Ti試樣相應(yīng)值。由此可見，增加Ti含量，3.5Ni鋼強(qiáng)度略有提高，但其低溫韌性明顯降低。

圖3 0.079Ti試樣中析出粒子的TEM形貌（復(fù)型）和能譜圖Fig.3 TEM morphology（carbon replica）and EDS pattern of the precipitated particle in the steel containing 0.079Ti

圖4 不同Ti含量試樣中析出相的含量Fig.4 Phase content of the precipitate in the steel containing different Ti contents

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of tensile test at room temperature

圖5 不同Ti含量試樣的低溫沖擊功Fig.5 Low temperature impact energy of the steel containing different Ti contents

3 討論

3.1 Ti對珠光體形成的影響

一方面，Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，當(dāng)Ti溶入奧氏體后能推遲珠光體的轉(zhuǎn)變，降低珠光體長大速率；另一方面，由于Ti與3.5Ni鋼中的S、N、O等具有很強(qiáng)的親和力，微量Ti便能與S、N、O等作用形成高度彌散的高熔點(diǎn)粒子，這些粒子提供共晶團(tuán)的核心，從而有利于增加共晶的團(tuán)數(shù)、減小共晶團(tuán)的球徑并使共晶團(tuán)的分布更均勻，即細(xì)化了共晶團(tuán)；此外，Ti還能與Fe、C相互作用，改變碳化物的數(shù)量及分布，促進(jìn)珠光體組織的細(xì)化［5］。

鋼的脆性斷裂強(qiáng)度主要取決于鐵素體晶粒的大小，珠光體并無阻礙裂紋擴(kuò)展的能力，但珠光體組織的細(xì)化能增大P（珠光體）／F（鐵素體）相界面的面積，減少應(yīng)力集中，一定程度上能提高材料的低溫韌性［6－7］。本研究試樣經(jīng)正火＋回火處理后，沒有出現(xiàn)珠光體組織，因此，從珠光體轉(zhuǎn)變和細(xì)化的角度來看，Ti的含量對正火＋回火樣品的韌性幾乎無影響。不同Ti含量3.5Ni鋼的韌性可能更多取決于其晶粒的大小和析出相的含量。

3.2 Ti對晶粒大小的影響

細(xì)晶強(qiáng)化是惟一脆化矢量為負(fù)值的有效強(qiáng)化方式，它在使材料強(qiáng)度升高的同時(shí)還使材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。在低溫鋼的開發(fā)過程中，細(xì)化晶粒是一種重要手段。含鈦鋼中的第二相粒子能細(xì)化晶粒，通常表現(xiàn)在［8］：

（1）延緩或抑制奧氏體再結(jié)晶。Ti元素的固溶塞積和拖拽作用以及鈦的碳氮化物的析出，會(huì)顯著延緩或抑制奧氏體的再結(jié)晶。Ti元素的這種作用是由于形變奧氏體晶內(nèi)的位錯(cuò)排列或者回復(fù)的亞晶界被釘扎所致。

（2）阻礙晶粒的長大。Ti元素形成的高度彌散的第二相粒子，可以阻礙奧氏體晶界的遷移以及晶粒的長大。

然而Ti含量對細(xì)化晶粒作用不是無限的。當(dāng)Ti含量較低時(shí)，Ti以Ti（C，N）的形式在奧氏體晶界析出；當(dāng)Ti含量增加時(shí)，多余的Ti將依次在奧氏體中、相間和鐵素體中以Ti（C，N）的形式析出；繼續(xù)增加Ti含量，Ti以Ti（C，N）的形式完全在奧氏體中和相間析出，但由于Ti含量較高時(shí)其析出溫度也較高，Ti（C，N）粒子容易長大和粗化，因而晶粒細(xì)化效果變差［8］。本研究中0.042Ti和0.079Ti試樣熱軋態(tài)和正火＋回火后晶粒大小均相當(dāng)，韌性則主要取決于其析出相。

3.3 Ti對第二相析出的影響

Ti與鋼中C、N具有很強(qiáng)的親和力，Ti在鋼中的析出物TiN、TiC等可以細(xì)化鋼的組織和晶粒，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性［9］。TiN的平衡析出溫度較高，在凝固過程中會(huì)優(yōu)先析出。圖6所示為TiN在奧氏體中的溶解度積［10－11］。從圖6中可見，在1 250℃均熱過程中，已有TiN粒子從鋼中析出；隨著溫度的降低，溶解度積減小，平衡狀態(tài)下TiN的析出量增加。

圖6 TiN在奧氏體中的溶解度積Fig.6 Diagram for TiN solubility in austenite

在回火過程中，析出相含量進(jìn)一步增加，630℃時(shí)0.079Ti試樣中析出相含量達(dá)0.09%（如圖4所示）。當(dāng)鋼中Ti含量超過0.044%時(shí)，鋼中易形成粒徑為1～3μm的TiN夾雜物，TiN粒子粗大且分布稀疏時(shí)，不能有效地阻止晶粒生長，會(huì)對鋼的韌性產(chǎn)生不利影響［12］。當(dāng)w［Ti］／w［N］超過3.42時(shí)，TiN析出粒子粗化速度加快，粗大的TiN粒子容易造成應(yīng)力集中，引發(fā)脆性斷裂，導(dǎo)致試樣的低溫韌性急劇減?。?3］。如前所述，0.079 Ti試樣中析出物平均尺寸約為150 nm，與0.042Ti試樣相比可知，其Ti含量增加后鋼中析出粒子明顯粗化。0.079Ti試樣中較大尺寸TiN的析出是造成3.5Ni鋼低溫韌性下降的主要原因。

4 結(jié)論

（1）與0.042Ti試樣相比，0.079Ti試樣熱軋態(tài)組織中珠光體細(xì)化，正火＋回火態(tài)組織中粗大的TiN粒子（平均尺寸約為150 nm）數(shù)量增加。正火＋回火后，從－80～－120℃，0.079Ti試樣低溫沖擊功為233～23 J，均低于0.042Ti試樣相應(yīng)值。

（2）0.079Ti試樣正火＋回火后，粗大的TiN粒子析出是造成3.5Ni鋼低溫韌性下降的主要原因。

［1］ 徐道榮，李平瑾.3.5Ni鋼的熱成形工藝試驗(yàn)研究［J］.材料工程，1999（3）：23－26.

［2］ Cohen M，Owen W S.New microalloying steel and its development［C］∥Microalloying 75.New York：Union Carbid Corporation，1977：2－8.

［3］ 毛新平，孫新軍，康永林.薄板坯連鑄連軋Ti微合金化鋼的物理冶金學(xué)特征［J］.金屬學(xué)報(bào)，2006，42（10）：1 091－1 095.

［4］ Lee J L，Pan Y T.Microstructure and toughness of the simulated HAZ in Ti and Al killed steels［J］.Material Science and Engineering A，1991，136：109－119.

［5］ 劉宏，郭榮新.銅－鈦合金化球墨鑄鐵的研究與應(yīng)用［J］.機(jī)械工程材料，2004，24（2）：41－44.

［6］ 翁宇慶.超細(xì)晶鋼－鋼的組織細(xì)化理論與控制技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：380－381.

［7］ Vaynman S，Chung Y W，F(xiàn)ine M，et al.Effect of Ti on charpy fracture energy and other mechanical properties of ASTM A 710 grade B Cu－precipitation strength steel［J］.Materials Science and Technology，2009，3（11）：1 625－1 632.

［8］ 康永林，傅杰，柳得櫓，等.薄板坯連鑄連軋鋼的組織性能控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006：146.

［9］ 許峰云，白秉哲，方鴻生.低合金高強(qiáng)度鋼鈦微合金化進(jìn)展［J］.金屬熱處理，2007，32（12）：92－99.

［10］Joachim Kunze.Solubility of titanium nitride in delta iron［J］.Steel Research，1991，62（10）：430－432.

［11］Taylor K A.Solubility of products for titanium，vanadium，and niobium carbide in ferrite［J］.Scripta Metallurgica et Materialia，1995，35（1）：7－12.

［12］傅杰，朱劍，迪林，等.微合金鋼中TiN的析出規(guī)律研究［J］.金屬學(xué)報(bào)，2000，36（8）：801－806.

［13］Yan W，Shan Y Y，Yang K.Effect of TiN inclusions on the impact toughness of low－carbon microalloyed steels［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2006，37A：2 147－2 152.

Effect of Ti miroalloying on the low temperature toughness of 3.5Ni steel

Li Jianhua1，2，Wu Kaiming1，Qiu Jin’ao1

（1.International Research Institute of Steel Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Research and Development Center，Wuhan Iron and Steel Corporation，Wuhan 430080，China）

The effect of Ti microalloying on the toughness of the cryogenic pressure vessel 3.5Ni steel was investigated by examining the microstructure and precipitates of the steel using optical microscopy and transmission electron microscopy and by measuring the charpy impact energy from－8 0℃to－120℃.The results show that the steel containing 0.079%Ti has the same average grain size with the steel containing 0.042%Ti，but has fewer pearlite in the as－rolled steel and more coarse TiN particles（the average size about 150 nm）in the normalized and tempered steel than the latter.The charpy impact energy of the steel containing 0.079%Ti has a lower level（233～23 J）than that of the steel containing 0.042%Ti（234～66 J）.In the normalized and tempered steel，a large number of coarse TiN results in a decrease in the low temperature toughness.

3.5Ni steel；Ti microalloying；pearlite；TiN；low temperature toughness

TG111；TG142

A

1674－3644（2012）03－0169－05

［責(zé)任編輯 鄭淑芳］

2011－10－31

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50734004）.

李建華（1966－），男，武漢科技大學(xué)博士，武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院教授級高級工程師.E－mail：jianhua－li＠163.com

吳開明（1966－），男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E－mail：wukaiming2000＠yahoo.com