Nb元素對微合金鋼熱處理組織和性能的影響

王子瑜

摘 要： 本文設(shè)計了三種含鈮量不同的微合金試驗鋼，采用熱處理模擬方法研究了900 ℃奧氏體化550 ℃等溫處理后試驗鋼的組織與性能，結(jié)果表明：低鈮鋼熱處理后組織為多邊形鐵素體加少量板條貝氏體鐵素體，隨著鈮含量增加，試驗鋼組織中板條貝氏體鐵素體含量明顯增加，且組織細(xì)化，同時隨著鈮含量的增加強度提高，中高鈮試驗鋼的屈服強度可達(dá)到400MPa水平，且屈強比較小。

關(guān)鍵詞： 鈮微合金鋼 熱處理 板條貝氏體鐵素體

低碳微合金高強度鋼是目前高強度鋼材研究的熱點之一。通過單獨或復(fù)合加入微量合金化元素Nb、V或Ti，達(dá)到晶粒細(xì)化、提高力學(xué)性能的目的。其中Nb在鋼中能顯著提高奧氏體的粗化溫度和再結(jié)晶溫度，具有細(xì)化晶粒和彌散強化的作用，是提高材料強韌性最為有效的合金元素之一[1，2]。同時，Nb的加入能使鋼實現(xiàn)高溫軋制，并且Nb的價格相對穩(wěn)定和相對于V與Ti的低廉，讓Nb更具有經(jīng)濟性和競爭力[3]。因此，鈮微合金化鋼的研究具有重要意義。

本文設(shè)計了三種含鈮量不同的微合金試驗鋼，并參照實際軋制過程中高溫固溶、終軋溫度及卷曲溫度這個關(guān)鍵溫度參數(shù)，采用了熱處理模擬方法研究試驗鋼組織與性能。

1.實驗材料及方法

表1為三種含鈮試驗鋼的實際成分，三種試驗鋼由低鈮到高鈮的順序標(biāo)定為Nb1、Nb2、Nb3。

表1 試驗用鋼的實際成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

將試驗鋼圓柱錠在箱式爐中加熱，加熱溫度為1150 ℃～1250 ℃，在560 kg的空氣錘上進行鍛壓變形，鍛成寬120 mm×厚8 mm的試驗鋼鋼板。將鍛壓后的鋼板試樣加熱至1230 ℃保溫25 min，鹽水淬火進行固溶處理。然后將試樣加熱至900 ℃奧氏體化5 min，迅速分別放入550 ℃硝鹽浴保溫10 min，空冷。

在熱處理后的鋼板割取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡對試樣顯微組織進行觀察。另取試樣，經(jīng)研磨、沖片、減薄制取透射試樣，利用透射電鏡觀察試樣的精細(xì)組織與粒子析出情況。

利用網(wǎng)格法[4]對試樣進行組織中鐵素體含量的測定。

為了對比分析，將SPHC鋼放在相同條件下進行試驗，其成分為0.05%C、0.02%Si、0.22%Mn。

2.實驗結(jié)果與分析

圖1所示為SPHC鋼和三種含鈮試驗鋼熱處理后的金相組織。如圖1（a）所示，SPHC鋼的組織為多邊形鐵素體加極少量珠光體。如圖1（b）所示，Nb1的組織為多邊形鐵素體加少量板條狀組織。Nb2的組織為多邊形鐵素體加板條狀組織加少量粒狀組織，但板條狀組織的含量明顯增多，如圖1（c）所示。Nb3的組織為板條狀組織加粒狀組織加少量多邊形鐵素體，板條狀組織的含量大大增多且出現(xiàn)不少的粒狀組織（如圖1（d）所示）。

圖1 SPHC鋼與三種含鈮試驗鋼熱處理后的金相組織

（a） SPHC；（b） Nb1；（c） Nb2；（d） Nb3

利用網(wǎng)格法對試樣進行組織中鐵素體含量的測定，結(jié)果如圖2，可見隨著鈮含量的增加鐵素體含量減少。

圖2 SPHC鋼與三種含鈮試驗鋼鐵素體的體積分?jǐn)?shù)

（a） Nb1；（b）Nb2；（c） Nb3

表2所示的是熱處理后三種含鈮試驗鋼的力學(xué)性能結(jié)果?？梢钥闯?，三種含鈮試驗鋼在550 ℃等溫溫度條件下，隨著含鈮量增加，強度提高，而延伸率有所下降，但下降不大。中高鈮鋼σs>400 MPa，且三種含鈮試驗鋼均有較低的屈強比（<0.8）。

表2 熱處理工藝下三種試驗鋼的力學(xué)性能

對比含鈮鋼和SPHC表明鈮可以明顯促進貝氏體鐵素體的轉(zhuǎn)變，而對比含鈮鋼隨含鈮量的增加貝氏體鐵素體明顯增加。由于貝氏體鐵素體相對于鐵素體有更高的強度，貝氏體鐵素體含量的增加，使含鈮鋼隨著含鈮量增加強度提高而延伸率下降不大，加上貝氏體鐵素體與鐵素體雙相共存，使含鈮鋼有較低的屈強比（<0.8）。在轉(zhuǎn)變溫度下，當(dāng)在奧氏體中有大量的Nb固溶，固溶鈮通常對連續(xù)冷卻過程中的CCT曲線與隨后的相變有重要的影響。微量鈮與碳、氮形成鈮的碳氮析出物，在奧氏體化中，原先固溶鈮形成的這類化合物在奧氏體內(nèi)和晶界析出，這些鈮的碳氮析出物會推遲鐵素體相轉(zhuǎn)變，促進貝氏體鐵素體形成。結(jié)果是轉(zhuǎn)變開始溫度降低，獲得非多邊形鐵素體組織的可能性更高，在高的冷速下更是如此。已有的研究表明，溶質(zhì)Nb改變的不僅是轉(zhuǎn)變溫度，淬透性的提高也意味著，對相同的一般性條件，尤其在高的冷速下，Nb鋼將有更多量的低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，如針狀鐵素體、Widmanstatten鐵素體和貝氏體型鐵素體[5]。在較高鈮含量的條件下，鈮更有效地阻止鐵素體相轉(zhuǎn)變和促進形成更高體積分?jǐn)?shù)貝氏體鐵素體的形成及在鐵素體中鈮的碳氮化物析出，從而進一步提高了鋼的強度[6]。從表2可以看出，Nb3中高鈮含量并沒有帶來高的性能，這是因為Nb3中的C含量為0.095%。高的C含量使Nb在固溶階段固溶不完全。由于C含量高，使奧氏體中鈮的溶解度下降，無法更有效地促進鐵素體中鈮的碳氮化物析出。這是Nb2和Nb3的力學(xué)性能相近的原因。

3.結(jié)語

（1）試驗鋼在550 ℃等溫后，含鈮試驗鋼與SPHC鋼組織有明顯變化，低鈮鋼熱處理后組織為多邊形鐵素體加少量貝氏體鐵素體，隨著鈮含量增加試驗鋼組織中貝氏體鐵素體含量明顯增加，且組織細(xì)化。

（2）含鈮試驗鋼在550 ℃等溫后，含鈮鋼中隨著鈮含量增加強度提高而延伸率卻有所下降，中高鈮試驗鋼的屈服強度可達(dá)到400MPa水平，且屈強比小于0.8。

參考文獻：

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[4]孫業(yè)英. 光學(xué)顯微分析[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，2003： 78-79.

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[6]付俊巖. Nb微合金化和含鈮鋼的發(fā)展及技術(shù)進步[J]. 鋼鐵，2005，40（8）： 1-6.