屈服強(qiáng)度700 MPa級冷軋耐候雙相鋼的組織與性能

劉志偉 郭曉宏 張瑞琦 金澤宏 嚴(yán)平沅 鐘莉莉

(1. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司市場營銷中心，遼寧鞍山 114002)

屈服強(qiáng)度700 MPa級冷軋耐候雙相鋼的組織與性能

劉志偉1郭曉宏1張瑞琦1金澤宏2嚴(yán)平沅1鐘莉莉1

(1. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司市場營銷中心，遼寧鞍山 114002)

介紹了鞍鋼連續(xù)退火機(jī)組試制屈服強(qiáng)度700 MPa級冷軋耐候雙相鋼的工藝流程，并對所研究鋼板進(jìn)行了力學(xué)性能測試和顯微組織分析。結(jié)果表明，通過常規(guī)噴氣冷卻連退工藝處理，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到742 MPa，抗拉強(qiáng)度為952 MPa，斷后伸長率為11.5%，屈強(qiáng)比為0.78。試驗(yàn)鋼組織由鐵素體和馬氏體的雙相細(xì)晶組織構(gòu)成，鐵素體位錯密度較高，馬氏體呈板條狀，其體積分?jǐn)?shù)約為65%，馬氏體發(fā)生部分分解，回火過程中有一定量的合金滲碳體析出。通過微合金元素Nb和Ti的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化，提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度。

雙相鋼 耐候 連續(xù)退火 組織 性能

對于集裝箱運(yùn)輸而言，迫切需要輕質(zhì)的集裝箱以增加單次可運(yùn)輸?shù)呢浳镏亓?，發(fā)展趨勢則是越來越多地使用長45至53英尺的集裝箱。因此，制造輕質(zhì)集裝箱首先考慮的一點(diǎn)就是通過制造高強(qiáng)度鋼以減少鋼板厚度。由于受到熱軋機(jī)組厚度方面的限制，采用熱軋生產(chǎn)的耐候鋼板的厚度一般較厚。為了適應(yīng)鋼板減薄的需求，開發(fā)屈服強(qiáng)度700 MPa及以上的超高強(qiáng)度冷軋耐候鋼板越來越受到集裝箱用戶的青睞，這種級別的鋼板能夠有效減少鋼材耗用量以降低制造成本。國外超高強(qiáng)度冷軋雙相鋼連續(xù)退火多采用水淬+回火的方式，對于國內(nèi)大多數(shù)鋼廠還不具備高強(qiáng)鋼專用生產(chǎn)線的條件，如何開發(fā)700 MPa級及以上具有耐候性的超高強(qiáng)度冷軋雙相鋼，成為國內(nèi)科研人員研發(fā)的重點(diǎn)。冷軋雙相鋼一般采用連續(xù)退火機(jī)組生產(chǎn)，其工藝特點(diǎn)是臨界區(qū)保溫、兩段式冷卻及過時效處理。兩段式冷卻包括慢冷段和快冷段，慢冷段有利于鐵素體中碳的進(jìn)一步析出，提高鐵素體的純凈度和奧氏體的淬透性；快冷段則保證了過冷奧氏體充分轉(zhuǎn)變成馬氏體；過時效的作用則是對雙相鋼中淬硬的馬氏體進(jìn)行回火處理，降低馬氏體的硬度，改善綜合力學(xué)性能[1- 2]。本文針對鞍鋼試制的700 MPa級冷軋耐候雙相鋼，對其組織和性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

冷軋雙相鋼的成分通常為不添加微合金元素的C- Si- Mn系或C- Si- Cr系，而本文試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度要求700 MPa以上，由于連退線為常規(guī)噴氣冷卻，冷卻能力不足，所以添加一定量的微合金元素和耐腐蝕性元素，以增加淬透性，降低獲得馬氏體的臨界冷速，并充分發(fā)揮微合金元素的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 熱軋工藝

對熱軋工藝進(jìn)行特殊控制，以獲得目標(biāo)強(qiáng)度的熱軋板。對于含Nb、Ti的微合金鋼，為使鈮、鈦的碳氮化物在加熱過程中充分回溶，板坯加熱溫度應(yīng)高于正常的加熱溫度，一般要求高于1 250 ℃；較低的軋制溫度下，板坯在奧氏體區(qū)的應(yīng)變誘導(dǎo)析出多于在較高終軋溫度條件下的應(yīng)變誘導(dǎo)析出，消耗了大量的析出元素，在隨后的鐵素體區(qū)的析出強(qiáng)化就可能減弱；另外，考慮到軋機(jī)的實(shí)際能力，選擇較高的終軋溫度更有利于軋制的穩(wěn)定性，因此確定終軋目標(biāo)溫度為920 ℃；卷取溫度過高，析出物過分生長會使強(qiáng)度降低，卷取溫度過低時，則析出物的析出不充分，不能獲得期望的強(qiáng)度，因此卷取目標(biāo)溫度選定為630 ℃[3]。熱軋板的最終厚度為3.0 mm，再將熱軋板冷軋至1.2 mm厚，冷軋壓下率為60%。

1.3 連續(xù)退火工藝

根據(jù)LINSEIS L78 RITA相變儀測出的試驗(yàn)鋼相變點(diǎn)(Ac1=706 ℃，Ac3=872 ℃，Ms=401 ℃)，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備能力，制定連續(xù)退火工藝參數(shù)，臨界區(qū)加熱溫度770 ℃，并保溫134 s，以5 ℃/s的冷卻速率緩慢冷卻到700 ℃，再以47 ℃/s的冷卻速率快冷到230 ℃，然后再加熱到340 ℃，過時效545 s后空冷到室溫，退火工藝如圖1所示。本文采用的連退工藝與傳統(tǒng)生產(chǎn)雙相鋼的工藝不同，鋼板經(jīng)快冷段冷卻后再加熱到一定溫度進(jìn)行過時效，以獲得一定量的合金滲碳體和析出相，提高鋼板的屈服強(qiáng)度。

圖1 試驗(yàn)鋼的連續(xù)退火工藝示意圖

1.4 試驗(yàn)方法

從連續(xù)退火后的試驗(yàn)板上沿軋制方向切割出標(biāo)距50 mm的拉伸試樣，在ZWICK/ROELL- Z100電子萬能拉伸材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試。金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察其平行軋向組織，并采用附帶的圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)退火板中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)；制備雙噴減薄試樣和萃取復(fù)型試樣，在Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡上觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)和析出物的形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

圖2為熱軋態(tài)和退火態(tài)試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度為672 MPa，抗拉強(qiáng)度為763 MPa，斷后伸長率為24.0%，且具有明顯的物理屈服平臺；退火后的試驗(yàn)鋼出現(xiàn)了連續(xù)屈服特征，屈服強(qiáng)度為742 MPa，抗拉強(qiáng)度為952 MPa，斷后伸長率為11.5%，屈強(qiáng)比0.78，加工硬化指數(shù)為0.10。退火后的試驗(yàn)鋼出現(xiàn)了連續(xù)屈服特征，是由于快冷過程中發(fā)生馬氏體相變，馬氏體相變時體積膨脹誘發(fā)周圍鐵素體內(nèi)產(chǎn)生大量的可動位錯，在較低應(yīng)力下位錯源被激活，從而表現(xiàn)出連續(xù)屈服[4]。與傳統(tǒng)雙相鋼相比，該試驗(yàn)鋼具有更高的屈強(qiáng)比。

圖2 熱軋態(tài)(a)和退火態(tài)(b)試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線

2.2 顯微組織

圖3為熱軋態(tài)與退火態(tài)試驗(yàn)鋼的顯微組織。從圖3中可以看出，熱軋組織由多邊形鐵素體和貝氏體組成。退火后的組織由鐵素體和馬氏體組成，晶粒尺寸細(xì)小，馬氏體分布比較均勻，馬氏體體積分?jǐn)?shù)約為65%。

圖3 熱軋態(tài)(a)和退火態(tài)(b)試驗(yàn)鋼的顯微組織

圖4為試驗(yàn)鋼冷軋退火后的TEM組織。從圖中可以看出，退火后試驗(yàn)鋼中的鐵素體成塊狀，位錯密度較高，馬氏體呈板條狀，有明顯的回火分解現(xiàn)象，同時析出一定量的滲碳體，滲碳體以薄片狀或薄膜狀的形式存在。當(dāng)馬氏體的體積分?jǐn)?shù)較低時，鐵素體中的殘留應(yīng)力是低的，并且由于回火而消除，因此，回火使不連續(xù)屈服重現(xiàn)，屈服強(qiáng)度增加較大。在中等的馬氏體體積分?jǐn)?shù)下，鐵素體中的殘留應(yīng)力較高，回火只是使一部分殘留應(yīng)力消除，因此雙相鋼仍然保持連續(xù)屈服行為，屈服強(qiáng)度增加也較少。在更高的馬氏體體積分?jǐn)?shù)下，馬氏體成了雙相鋼的基體相，馬氏體中的殘留應(yīng)力變得重要，而馬氏體相中的殘留應(yīng)力比鐵素體相中的殘留應(yīng)力更容易被回火消除，因此雙相鋼由于回火引起的屈服強(qiáng)度增量再次變大[5]。本文所研究的試驗(yàn)鋼在快冷后，再加熱到340 ℃進(jìn)行回火時效處理，伴隨著馬氏體相中的碳化物沉淀而產(chǎn)生的體積收縮，將會使殘留應(yīng)力下降，從而使雙相鋼的屈服強(qiáng)度升高。

圖4 退火后試驗(yàn)鋼的TEM形貌

2.3 析出相分析

由圖5可見，試驗(yàn)鋼中存在少量尺寸大于100 nm的方形粒子(Nb、Ti)CN，一定量尺寸大于50 nm的近似球形的FeMnCrC合金滲碳體，以及大量尺寸小于20 nm的圓形粒子TiC。微合金元素Nb、Ti的加入，不僅有利于鐵素體的細(xì)化以及馬氏體的彌散分布，而且有利于通過析出強(qiáng)化降低雙相鋼中馬氏體的含量，從而降低因鐵素體和馬氏體之間強(qiáng)度的巨大差異而導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中。鈮鈦的碳化物比較穩(wěn)定，在臨界區(qū)加熱時其長大或溶解比較困難，可以有效阻止臨界區(qū)加熱時奧氏體晶粒的長大，從而起到細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用。

圖5 試驗(yàn)鋼析出相的形貌及其能譜分析

3 結(jié)論

(1)通過合理的成分設(shè)計(jì)并配以適宜的熱軋和連退工藝，獲得試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到742 MPa，抗拉強(qiáng)度為952 MPa，斷后伸長率為11.5%，屈強(qiáng)比為0.78，完全滿足用戶使用要求。

(2)試驗(yàn)鋼組織由鐵素體加馬氏體的雙相細(xì)晶組織構(gòu)成，鐵素體位錯密度較高，馬氏體呈板條狀，其體積分?jǐn)?shù)約為65%，馬氏體發(fā)生部分分解，在回火過程中有一定量的合金滲碳體析出。

(3)通過微合金元素Nb和Ti的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用，提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度。

[1] TAKASAKI J, IRIE T, HAGA T, et al. Production of 35-45 kgf/mm2cold rolled high strength steels with excellent press formibility by continuous annealing [J]. Tetsu- To- Hagane, 1982,68(9): 1276- 1282.

[2] KOT R A, BRAMFITT B L. Fundamentals of Dual- phase Steels[M]. Warrendale: The Metallurgical Society of AIME, 1981.

[3] 劉志偉, 趙寶純, 郭曉宏, 等. 700MPa級高強(qiáng)集裝箱用鋼的研制[J]. 上海金屬, 2013, 35(4): 9- 12.

[4] 竇婷婷, 康永林, 于浩, 等. 連續(xù)鍍鋅DP600雙相鋼的組織與性能研究[J]. 材料工程, 2006 (S1): 120- 123.

[5] 馬鳴圖, 吳寶榕. 雙相鋼-物理和力學(xué)冶金[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社，2009.

收修改稿日期：2016- 07- 12

Microstructure and Mechanical Properties of Yield Strength 700 MPa Grade Cold- Rolled Weathering Dual Phase Steel

Liu Zhiwei1Guo Xiaohong1Zhang Ruiqi1Jin Zehong2Yan Pingyuan1Zhong Lili1

(1. Ansteel Group Iron and Steel Research Institute, Anshan Liaoning 114009, China; 2. Market Trading Center of Angang Steel Co., Ltd., Anshan Liaoning 114002, China)

The process of yield strength 700 MPa grade cold- rolled weathering dual phase steel, piloted in continuous annealing line of Anshan Iron & Steel Co., was introduced, and the mechanical properties and microstructures were also investigated. The results showed that the yield strength of tested steel was up to 742 MPa, the tensile strength was 952 MPa, the elongation reached 11.5%, the yield ratio was 0.78 through conventional jet cooling annealing process. The microstructure of tested steel was composed of fine ferrite and martensite. The dislocation density of ferrite was high, and the martensite appeared lath, which volume fraction was about 65%. While the martensite was decomposed partly and certain amount of alloying cementite was precipitated in the tempering process. Microalloying Nb and Ti improved the strength of tested steel by fine- grain strengthening and precipitation strengthening.

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劉志偉，男，碩士，高級工程師，主要從事集裝箱用鋼的研制，Email：aglzw@126.com