Nb含量對(duì)低合金高強(qiáng)鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響

林軒藝,王紅鴻,鄢文澤

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢,430081)

含Nb低合金高強(qiáng)鋼(HSLA)具有強(qiáng)度高、韌性好且加工性能優(yōu)等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、建筑、航空航天等領(lǐng)域[1-4]。Nb元素主要通過細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化來(lái)提升鋼的力學(xué)性能[5-6]。Nb微合金化可促使軋制過程中納米級(jí)第二相粒子Nb(C,N)的析出,一方面起到釘扎奧氏體晶界、阻止晶粒長(zhǎng)大的作用,并且能抑制先共析鐵素體相變,促進(jìn)針狀鐵素體形核;另一方面,基體中彌散分布的Nb(C,N)還起到釘扎位錯(cuò),阻礙位錯(cuò)滑移的作用[7-8]。有研究表明[9],當(dāng)Nb含量低于0.04%時(shí),細(xì)晶強(qiáng)化是主要強(qiáng)化機(jī)制,而當(dāng) Nb含量超過0.04%,細(xì)晶強(qiáng)化帶來(lái)的強(qiáng)度增量基本不變,此時(shí)鋼強(qiáng)度增加則主要依靠沉淀強(qiáng)化。由此可見,Nb添加量對(duì)HSLA鋼組織與性能影響較大。于慶波等[10]研究了熱處理溫度對(duì)不含Nb和Nb含量為0.015%鋼奧氏體晶粒尺寸的影響,結(jié)果顯示,當(dāng)加熱溫度達(dá)到1240 ℃,Nb含量為0.015%的鋼中奧氏體晶粒會(huì)突然長(zhǎng)大,而不含Nb鋼奧氏體晶粒尺寸沒有明顯變化。Siradj[11]研究了Nb含量對(duì)HSLA鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為的影響,結(jié)果表明,高Nb高C鋼的奧氏體晶粒生長(zhǎng)速率慢于低Nb低C鋼。Lee等[12]研究表明,隨著Nb含量從0增加至0.081%,微合金鋼鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度與貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度均降低,晶粒尺寸呈減小趨勢(shì)。唐正友等[13]模擬了不同Nb含量TRIP鋼的熱軋過程,發(fā)現(xiàn)鋼的抗拉強(qiáng)度與硬度均隨著Nb含量的增加而提高,但殘余奧氏體含量隨之下降。研究顯示,添加適量Nb(0.01%～0.02%)保證了鋼焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)沖擊韌性,但過量Nb則會(huì)促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致鋼韌性下降[14-15]。由此看來(lái),添加Nb對(duì)HSLA鋼力學(xué)性能的提升并不總是起到正向作用,故如何確定合適的Nb添加量對(duì)于提升HSLA鋼力學(xué)性能具有重要的研究?jī)r(jià)值,而目前關(guān)于Nb添加量超過0.08%的研究還報(bào)道較少。

為此,本文在HSLA鋼中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Nb元素(0～0.180%),研究了Nb含量對(duì)鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響,以期為HSLA鋼工業(yè)生產(chǎn)中的合金成分設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

本研究設(shè)計(jì)了4種Nb含量不同的低合金高強(qiáng)鋼,采用控軋控冷技術(shù)(TMCP)工藝軋制得到12 mm厚鋼板,測(cè)得各試驗(yàn)鋼的成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(wB/%)

從各鋼板上截取塊狀金相樣品,依次經(jīng)打磨、拋光后,利用4%硝酸酒精溶液腐蝕5～8 s,利用Olympus BM51型光學(xué)顯微鏡觀察各試樣的微觀組織,并采用截線法估測(cè)各試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸(誤差為標(biāo)準(zhǔn)差);利用Nova 400 Nano型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察鋼中析出相形貌、成分及分布,并對(duì)0.085%Nb和0.180%Nb鋼樣中析出相尺寸和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(各選取6個(gè)放大倍數(shù)為10 000倍的視場(chǎng))。依據(jù)GB/T228.1-2021,在鋼板上截取尺寸如圖1所示的試樣,在DNS600萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。根據(jù)GB/T229-2020,在鋼板上切取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣(缺口角度為45°,缺口根部半徑為0.25 mm,缺口深度為2 mm),分別在-20、-40、-60 ℃低溫條件下進(jìn)行平行于軋向(橫向)和垂直于軋向(縱向)的沖擊實(shí)驗(yàn)(設(shè)備為ZBC2602-B擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)),各試驗(yàn)鋼的沖擊吸收功取3組實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果,誤差為標(biāo)準(zhǔn)差。

圖1 室溫拉伸實(shí)驗(yàn)試樣尺寸(單位:mm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)鋼的顯微組織

圖2為試驗(yàn)鋼的金相組織,可以看出,Nb-free鋼組織由粗大的多邊形鐵素體(PF)和少量貝氏體(B)組成,平均晶粒尺寸為(11.84±1.53)μm;添加少量Nb時(shí),對(duì)應(yīng)0.025%Nb鋼組織由針狀鐵素體(AF)和貝氏體組成,平均晶粒尺寸減至(5.04±0.57)μm;隨著Nb含量繼續(xù)增加,0.085%Nb和0.180%Nb鋼組織均以貝氏體為主,其平均晶粒尺寸依次為(4.51±0.19) μm和(4.61±0.48) μm,其中0.180%Nb鋼的平均晶粒尺寸略大,0.085%Nb鋼平均晶粒尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差最小,表明該鋼晶粒最為細(xì)小且分布更均勻。

(a)Nb-free鋼 (b)0.025%Nb鋼

圖3所示為0.085%Nb和0.180%Nb鋼中析出相形貌、成分及分布。結(jié)合圖3和表1可知,由于試驗(yàn)鋼中未添加其他碳化物形成元素,故鋼中析出相只能為NbC或Nb(C,N)。鋼中析出相均為亮白色顆粒狀,彌散分布在基體和晶界處,隨著Nb含量增加,析出相尺寸和數(shù)量均有所增加,統(tǒng)計(jì)得到0.085%Nb鋼樣所選視場(chǎng)中共有188個(gè)尺寸在50～300 nm范圍含Nb析出相,0.180%Nb鋼樣所選視場(chǎng)共有275個(gè)尺寸分布在100～600 nm的含Nb析出相。

(a)0.085%Nb鋼

2.2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

表2所示為試驗(yàn)鋼的室溫拉伸力學(xué)性能。由表2可見,相比于Nb-free試樣,添加微量Nb元素(w(Nb)=0.025%)鋼的屈服強(qiáng)度Rel和抗拉強(qiáng)度Rm均明顯提升,其增幅依次為33.1%和14.8%,隨著Nb含量由0.025%增至0.180%,鋼的強(qiáng)度值提升幅度減緩,其增幅僅為4.4%和15.4%,計(jì)算得到相應(yīng)試驗(yàn)鋼的屈強(qiáng)比也由91.5%降至82.8%。試驗(yàn)鋼的塑性指標(biāo)(延伸率A和斷面收縮率Z)隨著Nb含量的升高略有下降,其中0.025%Nb鋼的塑性最佳。

表2 試驗(yàn)鋼的室溫拉伸力學(xué)性能

試驗(yàn)鋼沿縱向和橫向的低溫沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知,實(shí)驗(yàn)溫度范圍(-20～-60 ℃),Nb-free鋼的縱向沖擊吸收功波動(dòng)明顯,在-60 ℃下進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí),Nb-free鋼沖擊吸收功僅為229 J,此溫度下鋼低溫韌性較差;添加不同含量Nb后,試驗(yàn)鋼的縱向沖擊吸收功較為穩(wěn)定,維持在240～250 J范圍,隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低,試驗(yàn)鋼沖擊吸收功甚至略有提升,表明Nb微合金化提高了HSLA鋼的縱向低溫韌性。由圖4(b)可知,在實(shí)驗(yàn)溫度范圍,0.180%Nb鋼的橫向沖擊吸收功隨著溫度降低而減小,當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為-60 ℃時(shí),該鋼橫向沖擊吸收功僅為201J;0.025%Nb鋼橫向沖擊吸收功在-20、-40 ℃下較為穩(wěn)定,約245 J,而在-60 ℃下降低至227 J;Nb-free鋼和0.085%Nb鋼的橫向沖擊吸收功在實(shí)驗(yàn)溫度范圍保持穩(wěn)定,其中0.085%Nb鋼的橫向沖擊吸收功最高,維持在245 J附近。

(a)縱向沖擊吸收功

綜合考慮不同溫度下橫向和縱向沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)Nb含量為0.085%時(shí),試驗(yàn)鋼的低溫沖擊韌性最為穩(wěn)定。

3 討論

3.1 晶粒尺寸對(duì)鋼力學(xué)性能的影響

晶粒尺寸對(duì)鋼強(qiáng)度的影響可由Hall-Petch關(guān)系得到,即[16]:

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中:σs為鋼的屈服強(qiáng)度,σ0可近似為單晶體屈服強(qiáng)度,k為Hall-Petch常數(shù),d為平均晶粒尺寸。本研究中,相比于Nb-free鋼,0.025%Nb鋼平均晶粒尺寸降低明顯,而0.085%Nb鋼和0.180%Nb鋼的晶粒尺寸相差不大,這與表2中鋼的強(qiáng)度變化規(guī)律相符。另外,有研究表明,當(dāng)w(Nb)≤0.04%時(shí),細(xì)晶強(qiáng)化為該類鋼的主要強(qiáng)化機(jī)制[9],而細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)鋼屈服強(qiáng)度的影響相較于其對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響更為顯著,這會(huì)導(dǎo)致0.025%Nb鋼屈強(qiáng)比較大,達(dá)到91.52%。若屈強(qiáng)比過高,鋼在發(fā)生屈服后會(huì)迅速斷裂,對(duì)結(jié)構(gòu)件的安全性造成不利影響[17]。由此可見,利用Nb微合金化來(lái)提高低碳鋼強(qiáng)韌性的同時(shí),還應(yīng)注意對(duì)屈強(qiáng)比的控制。

由表2還可知,4組鋼的塑性較好,延伸率均超過20%,最高達(dá)到27.8%。Nb-free鋼組織主要由多邊形鐵素體構(gòu)成,故其塑性較好,而鋼中添加一定量Nb元素后,由于硬質(zhì)相貝氏體增多[8,13]以及晶粒細(xì)化作用,產(chǎn)生更多晶界,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至晶界時(shí)需消耗更多能量,這使得Nb微合金化鋼兼具良好的強(qiáng)韌性。

3.2 析出相對(duì)鋼力學(xué)性能的影響

從圖4可以看出,添加Nb元素后,試驗(yàn)鋼的低溫沖擊韌性有明顯改善。綜合縱向和橫向低溫沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,0.085%Nb鋼的低溫沖擊吸收功隨溫度變化的波動(dòng)幅度最小,且每組數(shù)據(jù)誤差最小,表明0.085%Nb鋼的低溫沖擊韌性在4組試驗(yàn)鋼中是最穩(wěn)定的。

含Nb鋼的C、Nb的平衡溶解溫度可由下式計(jì)算[18]:

lgw[Nb]w[C]=2.06-6700/T

(2)

由此計(jì)算得到0.025%Nb鋼、0.085%Nb鋼、0.180%Nb鋼中NbC沉淀的溶解平衡溫度分別為1108.54、1281.0、1418.93 ℃,即隨著Nb含量增加,試驗(yàn)鋼中將有更多NbC析出。

結(jié)合圖3可知,0.085%Nb鋼組織中觀察到彌散分布的納米級(jí)NbC析出,尺寸在50～300 nm范圍,這可以有效抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大,故0.085%Nb鋼呈現(xiàn)晶粒細(xì)小且均勻的組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)Nb含量增至0.180%時(shí),析出相數(shù)量增多,組織中觀察到一些尺寸大于500 nm的析出相,而這些粗大的析出相對(duì)材料的強(qiáng)韌性提升并無(wú)明顯促進(jìn)作用[19-20],其組織均勻性不如0.085%Nb鋼,這也使得0.180%Nb鋼低溫沖擊韌性不穩(wěn)定且數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。另外,在這些較大尺寸的析出相周圍也更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致其延伸率下降。綜上所述,0.085%Nb鋼的微觀組織最為均勻,同時(shí)其低溫沖擊韌性也最為穩(wěn)定,由此可見,HSLA鋼的低溫韌性穩(wěn)定性很可能與組織均勻性密切相關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)不含Nb的試驗(yàn)鋼主要由粗大的多邊形鐵素體及少量貝氏體和針狀鐵素體組成,其平均晶粒尺寸最大,隨著Nb含量增加,鋼中貝氏體增多,晶粒逐漸細(xì)化,當(dāng)Nb含量為0.085%時(shí),試驗(yàn)鋼平均晶粒尺寸最小。

(2)隨著Nb含量的增加,鋼中析出的NbC數(shù)量逐漸增多,但當(dāng)Nb含量為0.180%時(shí),鋼中觀察到一些尺寸大于500 nm的析出相,其組織均勻性相較于0.085%Nb鋼有所下降。

(3)由于晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化的共同作用,試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度均隨著Nb含量的增加而增大,且試驗(yàn)鋼塑性較好,延伸率均達(dá)到20%以上。

(4)當(dāng)Nb添加量為0.085%時(shí),試驗(yàn)鋼呈現(xiàn)晶粒細(xì)小且均勻的組織結(jié)構(gòu),其表現(xiàn)出最為穩(wěn)定的低溫沖擊韌性。