卷取溫度對Ti微合金鋼力學性能的影響

盧學蕾，文 亮，彭正波，白麗楊

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

傳統(tǒng)的高強結(jié)構鋼一般采用C、Mn元素的固溶強化作為主要強化手段，但近年來，各企業(yè)迫于低成本制造及提高競爭性的壓力，采用Ti微合金化技術，以Ti的析出強化作為主要強化手段設計并生產(chǎn)的高強結(jié)構鋼多有報道[1]-[3]。相比傳統(tǒng)的C、Mn鋼，以Ti的化合物產(chǎn)生細晶強化及析出強化作為強化手段的鋼板不僅力學、加工性能優(yōu)越，且成本較低。但由于Ti化學性質(zhì)活潑，易造成鋼力學性能波動[4]、[5]，這就要求Ti強化鋼的生產(chǎn)不僅對鋼水中N、S元素控制要求較高，且對熱軋溫度工藝控制要求較高。本文從實際生產(chǎn)的角度出發(fā)，以馬鋼生產(chǎn)的某低合金高強結(jié)構鋼產(chǎn)品為例，探討卷取溫度對Ti微合金高強結(jié)構鋼產(chǎn)品力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為馬鋼某熱軋廠生產(chǎn)的某牌號高強熱軋板卷，試驗鋼的主要化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分(wt%)

1.1 試驗鋼的工藝流程

試驗鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理→轉(zhuǎn)爐→吹氬站→RH真空精煉→板坯連鑄→板坯加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取。鐵水預處理保證w[S]≤0.003%，連鑄投用輕壓下，中間包鋼水過熱度15 ℃-30 ℃。加熱溫度1230 ℃以上，終軋溫度880 ℃。

1.2 試驗內(nèi)容和方法

試驗為表1所示的化學成分組產(chǎn)的同一爐，同一規(guī)格，4卷不同的卷取溫度其它的軋制工藝相同的試驗鋼，軋制后的試驗卷與尾部3 m后取拉伸試樣，試樣的制取根據(jù)GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行，試驗鋼的熱軋工藝如表2所示。

表2 試驗鋼的熱軋工藝

2 試驗結(jié)果

2.1 力學性能

如表3所示為同一爐鋼、不同卷取溫度、其它軋制工藝相同的力學性能，由表3可以看出，卷取溫度不同，鋼材的強度有明顯變化，其中2#鋼屈服強度、抗拉強度均為最高，4#強度最低。強度隨卷曲溫度的升高呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。

2.2 組織

分別對1#-4#試樣進行金相組織分析，1#試樣為少量貝氏體+鐵素體+珠光體，2#-4#試樣為鐵素體+珠光體，晶粒度11級，沒有明顯的帶狀組織。

表3 不同卷取溫度的試驗鋼的力學性能

3 分析與討論

3.1 強化機理

對于本文所述鋼材，強度主要由固溶強化，細晶強化及析出強化三部分組成，即：

σy=σs+σp+σg

(1)

式中，σs為固溶強化；σp為析出強化；σg為晶粒細化引起的強化。

固溶強化，根據(jù)王有銘[6]總結(jié)的固溶強化的計算公式，計算固溶強化增量約為90 Mpa。

細晶強化，根據(jù)Hall-Petch公式，計算得細晶強化強度增量約為196 Mpa。

按以上計算，以本試驗鋼表3中的屈服強度剩余約130 Mpa-190 Mpa強度由Ti的析出物貢獻?？梢娢龀鰪娀癁楸驹囼炰摰闹匾獜娀绞?。

3.2 Ti(C、N)的溶解及析出

在鈦微合金強化鋼種中，常見析出物隨著溫度的降低而先后析出的順序為TiN→TiS→Ti4C2S2→TiC[7]，析出物尺寸依次降低，其中TiN粒子屬于高溫析出物，在煉鋼和連鑄的過程中就開始析出，尺寸較大，對強度貢獻非常小。研究表明，通過控制納米級TiC的析出可顯著提高鋼材的強度，且析出物的尺寸越小，所占體積分數(shù)越大，強化效果越明顯。因此，如何調(diào)整熱軋工藝使得TiC粒子充分析出并且控制其大小十分關鍵。

從熱力學角度，TiC在鐵素體溶解度關系為：

log{[Ti][C]}a=5.02-10800/T

(2)

可見溫度越低，越有利于析出。

但從動力學角度分析，第二相粒子析出是以一定溫度及時間作為條件，即析出量-時間-溫度的關系。下面對試驗鋼種進行計算。

第二相形核析出的自由能△G可由下列計算式表示：

(3)

溫度為T時△GM=-19.1446B+19.146T{A-log([M]H)·[X]H}。式中[M]H、[X]H分別為M、X元素在高溫均熱溫度的平衡固溶量。其中，卷取時，鐵素體中的C含量可認為0.0218，Ti含量為去除卷取前析出的TI(C、N)后，在鐵素體固溶的剩余Ti。

將式(3)對d求導并另其為零。得到均勻形核時球形核心的臨界核心尺寸d*和對應的臨界形核時△G*。

微合金碳氮化物主要以位錯線上形核的方式，在鐵基體中沉淀析出，根據(jù)雍岐龍等對Cahn的位錯線上形核理論的修正[8]，得到：

(4)

(5)

(6)

式中下標d表示位錯線上形核，β為引入的代替Cahn理論中的α參量的一個位錯線形核參量，其值在-1到0之間[8]，G為基體切變彈性模量，ν為泊松比，b為位錯柏格斯矢量。

相變動力學曲線可由Avrami經(jīng)驗公式表示

X=1-exp(-Btn)

(7)

將式(7)取重對數(shù)，并規(guī)定相轉(zhuǎn)變量X為5%時為相變開始時間t0.05，則可得：

(8)

第二相在位錯線上形核且形核率迅速衰減為零的情況：

(9)

式中下標a表示形核率衰減為零的情況，τ1為有效形核時間，且與均勻形核時和晶界形核時的有效形核時間具有明顯的差別，目前也不能準確計算。同樣，令：

可得：

(10)

以(10)式而繪制位錯線上沉淀析出且形核率迅速衰減為零條件下的本試驗鋼PTT曲線如圖1所示。

圖1 TiC析出PPT曲線

3.3 結(jié)果討論

根據(jù)圖1可以看出，試驗鋼的鼻子點溫度(即最快析出溫度)約620 ℃-630 ℃之間。從TiC析出角度分析，根據(jù)Orowan公式，析出強化增量與析出物的尺寸成反比，與析出物體積分數(shù)的1/2次方成正比。因此，卷取溫度為560 ℃時，相較620 ℃卷取(2#)，由于低溫影響析出物的體積分數(shù)，使得1#鋼的強度較2#低。而對于較高溫度卷取鋼(3#、4#)卷取溫度高造成析出物顆粒較低溫卷取大，且卷取溫度越高，析出物顆粒越大。因此，高溫卷取鋼(3#、4#)較620 ℃卷取(2#)鋼強度低,且4#鋼較3#鋼低。

綜上，卷取溫度是生產(chǎn)Ti微合金化熱軋高強鋼重要的工藝參數(shù)，對納米尺寸碳化物的析出產(chǎn)生顯著影響，從而影響帶鋼的力學性能。

4 結(jié)論

1.試驗鋼在560 ℃-710 ℃的卷取溫度范圍內(nèi),隨著卷取溫度的升高，材料的屈強呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢、約在620 ℃-630 ℃達到最高。

2.試驗力學性能隨卷取溫度變化的趨勢與TIC析出的PPT曲線有較好的擬合，試驗鋼TiC的析出行為對其力學性能有顯著的影響。