Nb含量對高強(qiáng)鋼顯微組織和拉伸性能的影響

武鳳娟 杜 平 曲錦波

（江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院，江蘇張家港 215625）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼鐵材料的需求量不斷增加，對鋼板強(qiáng)度的要求越來越高［1-2］。采用鈮微合金化結(jié)合控制軋制和加速冷卻技術(shù)生產(chǎn)的鋼板具有優(yōu)良的力學(xué)性能。隨著鋼板強(qiáng)度級別的提高，鈮的添加量也進(jìn)一步增加。然而，隨著強(qiáng)度的提升，特別是屈服強(qiáng)度達(dá)到500 MPa以上時(shí)，拉伸試樣斷口出現(xiàn)分層缺陷的概率上升，并伴隨有斷后伸長率降低、冷彎開裂、Z向性能不合格等缺陷發(fā)生，嚴(yán)重影響了鋼板的使用性能［3-9］。拉伸性能是衡量高強(qiáng)度鋼板性能的重要指標(biāo)，對材料冶金質(zhì)量、內(nèi)部缺陷等極為敏感［10-12］。

本文通過不同Nb含量成分設(shè)計(jì)，研究了Nb微合金化對高強(qiáng)鋼微觀組織和拉伸性能的影響，探索Nb在鋼中的強(qiáng)化機(jī)制。并對拉伸性能不合格原因進(jìn)行了深入分析，確定了Nb元素添加量的最佳范圍，在利用Nb提高強(qiáng)度的同時(shí)，降低鋼中Nb偏析程度，從而使Nb微合金化在實(shí)際生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

表1為3種不同Nb含量試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分。采用鐵水脫S預(yù)處理、180 t轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH精煉、連鑄成320 mm厚板坯。將連鑄坯加熱到1 200℃保溫4 h，在配備5 000 mm軋機(jī)和多功能加速冷卻系統(tǒng)（multi-purpose interrupt cooling，MULPIC）的工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行熱軋?jiān)囼?yàn)。粗軋開軋溫度為1 030～1 080℃，待溫厚度為170 mm；精軋開軋溫度為810～850℃，終軋溫度為760～800℃，終冷溫度為160～200℃，冷卻速度10～12℃／s；成品鋼板厚度為50 mm。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the tested steel（mass fraction）%

取試驗(yàn)鋼板進(jìn)行橫向全厚度（50 mm）拉伸試驗(yàn)。采用Axio Imager Z1m型光學(xué)顯微鏡（OM，optical microscope）和JEM-2100F型透射電子顯微鏡（TEM，transmissionelectron microscope）對鋼板的微觀組織進(jìn)行觀察。對拉伸性能不合格試樣的斷口進(jìn)行分析，采用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）對斷口及分層面進(jìn)行觀察，并用能譜儀（EDS，energy dispersive spectroscopy）對斷口成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖1為3種不同Nb含量鋼板1／4厚度處的顯微組織。可見3種成分鋼板的組織均為貝氏體＋鐵素體，隨著Nb含量的增加，組織明顯細(xì)化。圖2為3種鋼板中析出相的TEM照片及其能譜分析。當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.022%時(shí)（圖2（a）），析出物數(shù)量較少，只有少量（Fe、Cr、Mn、Mo、V）的復(fù)合析出；當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.043%時(shí)（圖2（b）），析出物數(shù)量明顯增加，尺寸為10～100 nm，彌散分布在晶界和晶內(nèi)；當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.081%時(shí)（圖2（c）），析出物數(shù)量進(jìn)一步增加。結(jié)合圖2（d～f）能譜分析可見，析出物主要為含Nb碳化物。

圖1 3種不同Nb含量鋼板1／4厚度處的顯微組織Fig.1 Microstructures at 1／4 thickness below surface of the steel plates with three different contents of Nb

圖2 3種不同Nb含量鋼板中析出相的TEM圖像（a～c）及其能譜分析（d～f）Fig.2 TEM images（a to c）and EDS analysis（d to f）of precipitations in the three steel plates with different contents of Nb

2.2 拉伸性能

3種不同Nb含量鋼板的拉伸性能如表2所示。當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.022%增加到0.043%時(shí)，鋼板強(qiáng)度提高，斷后伸長率均在20%以上，且鋼板不同位置的性能差異較小。圖3（a）為2號鋼板的全厚度拉伸曲線，在拉伸過程中鋼板首先發(fā)生彈性變形，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，試樣開始屈服，應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)，隨即應(yīng)力突然下降，達(dá)到下屈服點(diǎn)，并在應(yīng)力基本恒定的情況下繼續(xù)發(fā)生屈服伸長，拉伸曲線出現(xiàn)應(yīng)力平臺區(qū)；隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增大，試樣發(fā)生大量塑性變形，達(dá)到最大應(yīng)力后，發(fā)生頸縮，最終斷裂。如圖4（a）所示，2號鋼板拉伸試樣斷口未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

表2 3種不同Nb含量鋼板的拉伸性能Table 2 Tensile properties of the three steel plates with different contents of Nb

當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到0.081%時(shí)，鋼板屈服強(qiáng)度顯著提高，且不同位置屈服強(qiáng)度差異較?。讳摪?／4厚度處抗拉強(qiáng)度明顯提高，1／2厚度處抗拉強(qiáng)度略有降低，全厚度鋼板的抗拉強(qiáng)度為691 MPa；鋼板1／4厚度處斷后伸長率為18%，1／2厚度處僅5%。這表明3號鋼板性能均勻性較差，鋼板1／4厚度處具有較好的強(qiáng)度和塑性，1／2厚度處抗拉強(qiáng)度較低、塑性較差。圖3（b）為3號鋼板的全厚度拉伸曲線，鋼板在大量塑性變形階段且未達(dá)到極限載荷之前發(fā)生斷裂。在拉伸過程中出現(xiàn)了沿拉伸方向擴(kuò)展的裂紋，隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，鋼板沿厚度方向發(fā)生斷裂并分成兩層，分層后隨即發(fā)生斷裂。如圖4（b）所示，分層面平行于鋼板表面并靠近板厚中心，貫穿整個(gè)斷口。此外，隨著Nb含量的增加，鋼板1／4厚度處的屈強(qiáng)比不斷增加。

圖3 試驗(yàn)鋼板的全厚度拉伸曲線Fig.3 Full thickness tensile curves of the tested steel plates

圖4 試驗(yàn)鋼板拉伸斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic appearance of tensile fractures of the tested steel plates

2.3 斷口形貌及成分分析

對全厚度拉伸試樣斷口的微觀形貌和析出物進(jìn)行分析。圖5（a）為1號鋼板斷口附近的微觀組織，組織均勻細(xì)密，無偏析帶；圖5（b）為2號鋼板斷口附近的微觀組織，組織中存在偏析帶，偏析帶上有少量粗化的NbC析出物，呈不規(guī)則多邊形，尺寸小于1 μm；圖5（c）為3號鋼板裂紋尖端處分層斷口形貌，裂紋附近存在嚴(yán)重的偏析，且偏析帶方向與裂紋走向一致，偏析帶上有粗大的NbC析出物。

圖5 試驗(yàn)鋼板拉伸斷口的微觀形貌Fig.5 Micrographs of tensile fractures of the tested steel plates

3號鋼板偏析帶上NbC析出物的形貌和成分分析如圖6所示?？梢娢龀鑫锍什灰?guī)則多邊形，尺寸1～4 μm，大量析出物聚集在一起，連成一串，長約40 μm。EDS面掃圖表明析出物主要為Nb的碳化物。

圖6 3號鋼板偏析帶上析出物形貌（a）及其EDS面掃圖（b～c）Fig.6 Morphology（a）and EDS maps（b～c）of precipitates in the segregated region of the steel plate No.3

3號鋼板拉伸斷口分層面的SEM形貌如圖7（a）所示?？梢姺謱用孑^平整，無韌窩，有河流花樣，為脆性準(zhǔn)解理斷裂。進(jìn)一步放大斷面觀察發(fā)現(xiàn)，分層面上有粗大的NbC析出物，長1～3 μm，大量析出物聚集在一起，成串分布，如圖7（b～c）所示。析出物表面平整，無撕裂棱，在拉伸過程中，大塊狀析出物與基體交界處極易成為裂紋源。圖8能譜分析結(jié)果表明，斷口分層面上析出物為Nb-Ti復(fù)合碳化物，與斷口微觀組織的分析結(jié)果一致。

圖7 3號鋼板拉伸斷口分層面的SEM形貌Fig.7 SEM micrographs of delaminated surface of tensile fracture of the steel plate No.3

圖8 3號鋼板拉伸斷口分層面上析出物形貌（a）及其能譜分析（b～c）Fig.8 Morphology（a）and EDS analysis（b to c）of precipitates in delaminated surface of tensile fracture of the steel plate No.3

3 討論

當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.022%時(shí)，鋼板組織較粗大，析出物數(shù)量較少，強(qiáng)度較低。當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.043%時(shí)，組織細(xì)化，析出物數(shù)量增加，鋼板強(qiáng)度提高且塑性良好。Nb與C有較強(qiáng)的結(jié)合力，易形成碳化物，加熱時(shí)能阻礙原始奧氏體晶粒長大，在軋制過程中能抑制再結(jié)晶及再結(jié)晶后晶粒長大，從而使相變生成的貝氏體＋鐵素體組織得到細(xì)化；Nb含量越高，組織越細(xì)小，有效晶界數(shù)量越多，微裂紋穿越晶界時(shí)受晶界阻礙越大，因此強(qiáng)度越高。當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.043%時(shí)，易形成彌散細(xì)小的析出相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料強(qiáng)度。因此Nb元素具有細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用，通過Nb微合金化實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化是達(dá)到高強(qiáng)韌性的有效途徑。

隨著Nb含量的增加，鋼板屈服強(qiáng)度的提高幅度大于抗拉強(qiáng)度，因此，細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對屈服強(qiáng)度的影響更為顯著。隨著屈服強(qiáng)度的提高，屈強(qiáng)比也相應(yīng)增大。屈強(qiáng)比是衡量鋼的加工硬化性能的一個(gè)重要參數(shù)，高屈強(qiáng)比鋼發(fā)生屈服后很快就發(fā)生斷裂，而低屈強(qiáng)比鋼發(fā)生屈服后會出現(xiàn)較大的應(yīng)變強(qiáng)化，達(dá)到更高的抗拉強(qiáng)度才會斷裂［13］。橋梁鋼、高建鋼、管線鋼等對屈強(qiáng)比的要求較高，因此利用Nb微合金化提高強(qiáng)度時(shí)應(yīng)考慮其對屈強(qiáng)比的影響。

當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.081%時(shí)，鐵素體和貝氏體組織進(jìn)一步細(xì)化，析出物中Nb含量進(jìn)一步增加；鋼板板厚中心出現(xiàn)嚴(yán)重偏析，偏析帶上有Nb的碳化物析出，雖然析出物單個(gè)尺寸較小，但大量析出物聚集在一起成串分布，相當(dāng)于在板厚中心形成了尺寸較大的片層狀?yuàn)A雜，嚴(yán)重破壞了鋼基體沿厚度方向的整體性，使鋼板塑性較差。拉伸試驗(yàn)時(shí)，由于析出物與基體不同的塑性變形性能，在外力作用下，析出物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，尤其是片層狀析出物與基體界面，極易形成裂紋。同時(shí)由于中心偏析的存在，裂紋沿偏析帶擴(kuò)展，導(dǎo)致拉伸斷口出現(xiàn)分層，最終導(dǎo)致鋼板塑性下降、斷后伸長率偏低。

鋼板中心偏析帶的出現(xiàn)，主要是連鑄坯的中心偏析經(jīng)軋制后遺傳到鋼板中心的結(jié)果。澆鑄時(shí)連鑄板坯從外到內(nèi)逐步凝固，溶質(zhì)元素在樹枝晶間富集偏聚，碳和合金元素、非金屬夾雜物等缺陷都聚集于此，從而形成連鑄坯的中心偏析。鑄坯軋制過程中，心部變形較小，軋制后鋼板心部仍存在偏析組織和粗大析出物，最終導(dǎo)致鋼板拉伸性能不合格。因此，利用Nb元素提高鋼板強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)充分考慮Nb含量對板坯質(zhì)量的影響，在滿足強(qiáng)度要求的前提下適當(dāng)降低鋼中Nb含量、提高鋼水純凈度、抑制微合金化合物偏聚集長大。

4 結(jié)論

（1）Nb微合金化通過細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化提高鋼板強(qiáng)度。當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.043%時(shí)，NbC析出相細(xì)小，尺寸為10～100 nm，彌散分布在晶界和晶內(nèi)。鋼板為均勻細(xì)小的鐵素體＋貝氏體組織，具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。

（2）Nb為易偏析元素，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.081%時(shí)，鋼板存在中心偏析，偏析帶上有粗大的NbC析出物，在拉伸過程中析出物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，易形成裂紋，發(fā)生脆斷，最終導(dǎo)致鋼板拉伸性能不合格。因此在滿足強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)適當(dāng)降低鋼中Nb含量。