鈦含量對(duì)熱軋高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的影響

供稿|崔宏濤，王亞東，苗雋

作者單位：本鋼板材研發(fā)院，遼寧 本溪 117000

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

Ti微合金化作為低成本、高效強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效方法受到越來越多的青睞。本文通過金相顯微鏡及拉伸試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)對(duì)600 ℃卷曲溫度下不同鈦含量熱軋高強(qiáng)鋼的組織形態(tài)、析出相和性能變化規(guī)律及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明，Ti的細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能影響較大，Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.055%以下對(duì)屈服強(qiáng)度增量較小，在0.055%～0.075%之間屈服強(qiáng)度提升明顯，超過0.075%后屈服強(qiáng)度增加減小。

Nb、V、Ti微合金化是目前高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼最常用的強(qiáng)化方法。相關(guān)的研究多集中于單一Nb、V微合金化技術(shù)及Nb-Ti復(fù)合微合金技術(shù)。與Nb、V、Nb-Ti微合金化高強(qiáng)鋼相比，Ti微合金化高強(qiáng)鋼在保證性能要求的情況下具有更低的成本。現(xiàn)階段單一鈦微合金化的應(yīng)用比較有限，如何有效使用單一Ti的微合金化成為技術(shù)的關(guān)鍵[1]。因此，開發(fā)鈦微合金化高強(qiáng)鋼的性能控制技術(shù)是未來鈦微合金化高強(qiáng)鋼的目標(biāo)和發(fā)展方向。毛新平等[2]對(duì)基于薄板坯連鑄連軋流程的單一鈦微合金化技術(shù)己經(jīng)進(jìn)行較系統(tǒng)全面的研究，但傳統(tǒng)連鑄連軋流程的單一鈦微合金化技術(shù)仍有大量方向需要研究。本文針對(duì)600 ℃卷取溫度下不同含量Ti微合金鋼的工藝實(shí)驗(yàn)，根據(jù)成分、組織對(duì)屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)基體上納米尺寸碳化物的析出量進(jìn)行分析，研究了不同Ti含量在600 ℃卷取溫度下對(duì)屈服強(qiáng)度影響的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

生產(chǎn)工藝：冶煉→加熱→粗軋、精軋→控制冷卻→保溫緩冷。

根據(jù)公式w有效(Ti)=w(Ti)-3.4w(N)-3w(S)，N、S對(duì)析出的“有效鈦”影響較大，為了減少N、S元素對(duì)析出鈦的影響，應(yīng)控制目標(biāo)N質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(N)≤0.006%，S質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(S)≤0.008%。分別熔煉6組不同Ti含量鋼的化學(xué)成分，見表1。

表 1 實(shí)驗(yàn)原料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

為保證合金元素的充分熔入，實(shí)驗(yàn)鋼在溫度大于1220 ℃時(shí)加熱、出爐，之后進(jìn)行粗軋及7道次精軋，軋后厚度為2.0 mm，終軋溫度為≥860 ℃。實(shí)驗(yàn)鋼軋后經(jīng)均勻冷卻至600 ℃，保溫緩冷至室溫后取樣。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

金相組織

在鋼板上1/4處用線切割沿垂直軋制方向取金相試樣，試樣規(guī)格為20 mm×20 mm×2.0 mm，利用金相顯微鏡觀察鋼板微觀組織。從圖1可以看出試樣組織全部為鐵素體及少量珠光體且晶粒尺寸越來越細(xì)小，晶粒尺寸分別為7.9、6.7、5.6、3.3、2.9和2.9 μm。

圖 1 不同試樣金相組織

成品帶鋼析出物分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的MC相顆粒分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。鈦含量小于0.035%時(shí)，鋼中的Ti主要與氮和硫結(jié)合，形成尺寸為幾十到幾百納米的TiN和Ti4C2S2顆粒，隨著Ti含量的增多，多余的鈦將依次從奧氏體中析出、相間析出和鐵素體中析出，形成幾納米到幾十納米不等的TiC。

屈服強(qiáng)度檢驗(yàn)與分析

根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化的Hall-pitch公式擴(kuò)展進(jìn)行屈服強(qiáng)度累加計(jì)算[3]。

式中，Yi為晶格阻力；ΔYss為固溶強(qiáng)化與C的相變強(qiáng)化增量；ΔYd為位錯(cuò)強(qiáng)化；ΔYSgs為細(xì)晶強(qiáng)化；ΔYSp為沉淀強(qiáng)化。

根據(jù)公式(1)計(jì)算不同強(qiáng)化機(jī)制下的強(qiáng)度。晶格阻力Yi對(duì)于低碳鋼取48 MPa。

在一般的稀固溶體中，固溶質(zhì)的固溶而造成的屈服強(qiáng)度增量可以用式(2)表示：

表 2 成品鋼帶的析出相尺寸分布(析出物尺寸，nm)

式中，[M]標(biāo)示固溶態(tài)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

碳在鐵素體中的最大平衡溶解度為0.011%。而在實(shí)際非平衡的冷卻條件下，碳的最大溶解度要略大一些。另外鐵素體中的碳含量應(yīng)該低于實(shí)際最大溶解度。基于上述考慮，可粗略地假設(shè)鐵素體中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%，則可與0.04%鈦結(jié)合成TiC，此時(shí)將無固溶C的強(qiáng)度增量[3]。對(duì)于Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.075%以上，即有效鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.04%時(shí)，可以認(rèn)為無C在鐵素中的固溶。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.1%時(shí)相變強(qiáng)化系數(shù)約為5.5 MPa。將化學(xué)成分代入公式(2)后計(jì)算出固溶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度增量分別為123、123、100、82、81和80 MPa。

ΔYd位錯(cuò)強(qiáng)化計(jì)算：終軋溫度越低，鋼板厚度越薄，則強(qiáng)化值越大，對(duì)于不同厚度的熱軋微合金鋼取20～40 MPa，2.0 mm厚度熱軋板位錯(cuò)強(qiáng)度取40 MPa。

ΔYSgs細(xì) 晶 強(qiáng) 化：根 據(jù)Hall-pitch公 式ΔYSgs=KyD-1/2，低碳鋼K值一般為17.4 MPa·mm1/2。代入晶粒尺寸7.9、6.7、5.6、3.3、2.9和2.9 μm分別計(jì)算出細(xì)晶強(qiáng)化增量分別為195、212、232、302、325和325 MPa。

ΔYSp沉淀強(qiáng)化計(jì)算：ΔYSp=0.538Gbf1/2/(d×ln(d/2b))，G為剪切模量，b為柏氏矢量，f是析出相粒子的體積分?jǐn)?shù)，d為析出粒子的平均直徑?？梢钥闯觯撝形龀鱿喑恋韽?qiáng)化增量與體積分?jǐn)?shù)成正比、與析出物顆粒大小成反比。進(jìn)而可分別計(jì)算出其沉淀強(qiáng)化增量為0、25、80、222、230和250 MPa。

將6個(gè)試樣的各強(qiáng)化增量計(jì)算的屈服強(qiáng)度的理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值輸入表3。

如表3中所示，不同Ti含量試樣的屈服強(qiáng)度計(jì)算值與測(cè)量值的差值在10 MPa以內(nèi)，這就說明，600 ℃卷曲溫度下的F+P組織的Ti析出強(qiáng)化鋼，各類強(qiáng)化方式增量是可以直接累積相加的。如圖2所示，隨著Ti含量的提高，屈服強(qiáng)度增量的細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化比重越來越大。

如圖3所示，Ti含量的增加對(duì)屈服強(qiáng)度的增量并非線性。Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035%時(shí)，屈服強(qiáng)度增量為42 MPa。Ti在0.035%～0.055%之間時(shí)，屈服強(qiáng)度提升依然不明顯(53 MPa)，主要表現(xiàn)為微量細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化的增量，固溶強(qiáng)化減少了23 MPa。Ti在0.055%～0.075%時(shí)，屈服強(qiáng)度提升明顯，細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化都顯著提高。Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.075%時(shí)，屈服強(qiáng)度增加較少。由于“有效鈦”的范圍存在，Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.035%時(shí)，每增加0.02%，屈服強(qiáng)度理論增量分別為58、193、30和19 MPa。超過0.075%后細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化效果都在減弱，符合鐵素體中平衡碳Ti結(jié)合形成相間彌散而細(xì)小的TiC，這類TiC的析出強(qiáng)化效果最好，而多余Ti部分在奧氏體中析出，顆粒尺寸較大，對(duì)屈服強(qiáng)度增量較低。在此工藝成分下，屈服強(qiáng)度增量拐點(diǎn)為鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.055%和0.075%，符合實(shí)際生產(chǎn)過程中0.055%～0.075%以上的同牌號(hào)規(guī)格熱軋高強(qiáng)鋼種性能波動(dòng)極大，波動(dòng)范圍150 MPa左右。

圖 2 屈服強(qiáng)度組合圖

圖 3 不同鈦含量與屈服強(qiáng)度增量關(guān)系圖

表 3 不同Ti含量下實(shí)驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

結(jié)束語

(1)鈦微合金鋼屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化主要是Ti的添加引起的細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化造成的。

(2)Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)屈服強(qiáng)度的增量并非線性，0.055%以下對(duì)屈服強(qiáng)度增量較少，0.055%～0.075%屈服強(qiáng)度提升明顯，超過0.075%后屈服強(qiáng)度增加較少。

(3)Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.055%～0.075%時(shí)，屈服強(qiáng)度增量最為顯著，高達(dá)189 MPa，其中析出強(qiáng)化提升142 MPa，細(xì)晶強(qiáng)化提升70 MPa，固溶強(qiáng)化降低23 MPa。