王建鋒,李光強(qiáng),溫德智,肖愛達(dá),,鄧 深

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081; 2.漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,湖南婁底,417009; 3.柳州鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心,廣西柳州,545002)

600 M Pa級鈦微合金化高強(qiáng)鋼的組織與性能研究

王建鋒1,李光強(qiáng)1,溫德智2,肖愛達(dá)1,2,鄧 深3

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081; 2.漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,湖南婁底,417009; 3.柳州鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心,廣西柳州,545002)

采用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡以及能譜分析等對轉(zhuǎn)爐CSP流程600 MPa級鈦微合金化高強(qiáng)鋼的組織及性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明,試驗(yàn)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能,其典型組織為多邊形鐵素體加粒狀貝氏體;位錯(cuò)和位錯(cuò)胞的強(qiáng)化作用成為鈦微合金鋼的主要強(qiáng)化機(jī)制之一;鋼中M/A島在增加試驗(yàn)鋼強(qiáng)度的同時(shí)并未明顯降低其韌性和塑性;試驗(yàn)鋼中存在TiN、TiC和TiS等析出物,為鋼的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化提供了保證;試驗(yàn)鋼中存在大量納米級鐵碳析出物,其沉淀強(qiáng)化作用不容忽視。

鈦;微合金鋼;析出物;組織;性能

微合金鋼是具有高性能的新型低合金高強(qiáng)度鋼,其采用鈮、釩、鈦進(jìn)行微合金化,以晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化為主要強(qiáng)韌化機(jī)制[1]。與鈮、釩相比,鈦微合金化的成本最低[2],我國鈦資源總量為9.65億t,占世界總量的38.85%,研究和發(fā)展鈦微合金鋼可以發(fā)揮我國的資源優(yōu)勢[3]。由于 Ti的化學(xué)活性很大,微Ti與N、O、S等形成穩(wěn)定化合物,可改善鋼板韌性和焊接性能。當(dāng)Ti含量較高時(shí),鋼材在軋制過程中析出的 Ti(C,N)通過阻止奧氏體晶粒長大而細(xì)化鐵素體晶粒,在冷卻和卷取過程中析出的 TiC具有較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用[4-5]。

漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司(以下簡稱漣鋼)結(jié)合轉(zhuǎn)爐CSP流程的設(shè)備和工藝特點(diǎn),在不顯著增加成本的基礎(chǔ)上,開發(fā)出綜合性能優(yōu)良、屈服強(qiáng)度在600 M Pa級以上的鈦微合金化高強(qiáng)鋼系列產(chǎn)品。本文針對漣鋼試制的轉(zhuǎn)爐CSP流程600 M Pa級鈦微合金化高強(qiáng)鋼,對其組織、性能及析出物進(jìn)行分析研究,以期為拓展鈦微合金鋼的應(yīng)用范圍提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

漣鋼鈦微合金化高強(qiáng)鋼采用低碳(w(C)< 0.05%)、高錳、低硫(w(S)<0.003%)、高鈦、低鈮或者不加鈮的微合金化方案,其成分及力學(xué)性能如表1所示。從表1中可以看出,試驗(yàn)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能,且隨著鈦含量的增加,其強(qiáng)度也在提高。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能Table 1 Chem ical compositionsand mechanical properties of test strips

試驗(yàn)鋼的生產(chǎn)工藝流程為:優(yōu)質(zhì)鐵水和廢鋼→轉(zhuǎn)爐冶煉→氬站吹氬→鋼包爐精煉→薄板坯連鑄→均熱→控制軋制→層流冷卻→卷取。試驗(yàn)鋼的軋制工藝參數(shù)如表2所示,通過控制開軋溫度、道次變形量、終軋溫度和卷取溫度,使試驗(yàn)鋼獲得最佳組織。在軋制過程中,盡量加大F1、F2機(jī)架變形量,提高開軋溫度,使鑄造粗大奧氏體組織盡可能發(fā)生再結(jié)晶。同時(shí),利用機(jī)架間冷卻和道次變形量的合理分配,使試驗(yàn)鋼組織完成枝晶再結(jié)晶細(xì)化后,在未再結(jié)晶區(qū)實(shí)施充分變形,使奧氏體扁平化,以提高奧氏體有效晶界面積。通過加速冷卻和卷取,實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和組織均勻化,卷取溫度為600℃左右時(shí),組織中的沉淀析出物質(zhì)點(diǎn)最為細(xì)小,可起到最大的沉淀強(qiáng)化作用[6]。

表2 試驗(yàn)鋼的軋制工藝參數(shù)Table 2 Rolling parameters of test strips

采用光學(xué)顯微鏡觀察試驗(yàn)鋼的顯微組織,利用定量金相技術(shù)測定鐵素體晶粒尺寸;制取薄膜金屬樣及碳復(fù)型樣品,采用附帶OXFORD INCA能譜儀的JEOL JEM-2100F場發(fā)射透射電鏡觀察與分析試驗(yàn)鋼的精細(xì)組織及析出物。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)顯微組織

圖1為在光學(xué)顯微鏡下觀察到的試驗(yàn)鋼板縱截面距離邊部1/4厚度處的顯微組織。從圖1中可以看出,試驗(yàn)鋼組織均由多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量M/A島+極少量的細(xì)微珠光體組成,組織中沒有大塊殘余奧氏體和馬氏體組元。試驗(yàn)鋼晶粒均勻細(xì)小,3個(gè)試樣的晶粒尺寸差別不大,晶粒度為11.5～12級。

2.2 位錯(cuò)組態(tài)及亞結(jié)構(gòu)

圖1 試驗(yàn)鋼的金相組織Fig.1 M icrostructures of test strips

位錯(cuò)強(qiáng)化是金屬材料最有效的強(qiáng)化方式之一,晶體中的位錯(cuò)達(dá)到一定程度后,位錯(cuò)間的彈性交互作用增加了位錯(cuò)運(yùn)動的阻力,可有效提高金屬強(qiáng)度。采用透射電鏡對試驗(yàn)鋼的組織進(jìn)一步觀察,結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)中可以看出,組織中位錯(cuò)線很長,貫穿整個(gè)晶粒,有纏結(jié)在一起的傾向,位錯(cuò)密度較高,并且在位錯(cuò)線的周圍有大量細(xì)小沉淀析出物粒子。從圖2(b)中可以看出,組織中位錯(cuò)密度很高,這些位錯(cuò)互相纏結(jié)、分布混亂,有些地方已經(jīng)形成較為完整的位錯(cuò)胞界并且排列較為齊整。從圖2(c)中可以看出,片狀鐵素體晶粒具有高密度位錯(cuò)并排列成束,每束包括5片以下鐵素體晶粒,并且沿鐵素體晶粒的方向稍微延長,每片鐵素體晶粒長為2～5μm,寬為0.5～1μm,同一束中鐵素體晶粒具有幾乎相同的晶體取向,束之間的晶界為亞晶界,不同的束具有不同的晶體取向,束的邊界為大角度晶界。

圖2 試驗(yàn)鋼的位錯(cuò)組態(tài)Fig.2 Dislocation configurations of test strips

通過對位錯(cuò)強(qiáng)化問題進(jìn)行理論分析可知,從位錯(cuò)、位錯(cuò)胞到亞晶和晶界,它們之間的作用是相互聯(lián)系和相互影響的[7]。位錯(cuò)密度很低時(shí),僅需考慮晶界的作用;位錯(cuò)密度很高時(shí),主要考慮位錯(cuò)或位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的作用;當(dāng)這些位錯(cuò)重新排列成發(fā)達(dá)的亞晶時(shí),亞晶內(nèi)部的位錯(cuò)密度會相當(dāng)?shù)?這時(shí)主要考慮亞晶的作用;而當(dāng)位錯(cuò)或亞結(jié)構(gòu)與晶界的作用大致相當(dāng)時(shí),就要通過均方根疊加來計(jì)算它們對強(qiáng)度的總影響。位錯(cuò)和位錯(cuò)胞的強(qiáng)化作用已成為鈦微合金化鋼的主要強(qiáng)化機(jī)制之一。

2.3 馬氏體-奧氏體組織

圖3為采用透射電鏡觀察到的試驗(yàn)鋼中M/ A島的微觀形貌。從圖3(a)中可以看出,小島形狀狹長而不規(guī)則,與片狀鐵素體近似平行分布,尺寸為幾十納米至幾百納米不等。從圖3(b)中可以看出,殘留奧氏體與馬氏體交錯(cuò)分布構(gòu)成M/A島,黑色部分為馬氏體,部分出現(xiàn)孿晶組織。在M/A島內(nèi)首先形成的馬氏體片分割了殘留奧氏體,不同階段形成的馬氏體片具有不同的尺寸和方向,當(dāng)它們逐漸生長后發(fā)生相互作用,在馬氏體片內(nèi)形成形變孿晶[8]。

圖3 試驗(yàn)鋼的M/A島形貌Fig.3 Morphologies of M/A island of test strips

微合金鋼中的M/A島是低碳貝氏體鋼的一個(gè)重要組織特征,其含量、形狀、尺寸及分布等對鋼材性能都有影響[9]。適當(dāng)提高 M/A島的體積分?jǐn)?shù)可以提高鋼材的強(qiáng)度,但 M/A島太多又對材料韌性不利。當(dāng)M/A島體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),細(xì)小分布的M/A島組織能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動和疲勞裂紋的擴(kuò)展,使鋼材不易因應(yīng)力集中而誘發(fā)裂紋,可提高其強(qiáng)度和DW TT值。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為,雖然M/A島為脆性組成物,對鋼的韌性可能有不利影響,但均勻細(xì)小的M/A島有利于改善鋼板的韌性。因此,針狀鐵素體加少量細(xì)小的彌散分布M/A島組織具有優(yōu)良的韌性。在本文試驗(yàn)鋼中形成的M/A島主要受鋼的成分和工藝的影響。首先,鋼的含碳量直接影響到島狀物的相對數(shù)量,由于本文試驗(yàn)鋼的含碳量相對較低,一定程度上減少了島狀組織的形成。其次,在熱軋過程中采用了較大的冷卻速度,這可以減小島狀物的相對數(shù)量及尺寸,有利于改善試驗(yàn)鋼的韌性。另外, M/A島在基體中是以不連續(xù)的方式分布,島與島之間具有一定的距離,由于中間是具有良好韌性的板條鐵素體,裂紋更不易擴(kuò)展,即不連續(xù)分布的M/A島避免了裂紋連續(xù)擴(kuò)展通道的形成,因此M/A島在提高試驗(yàn)鋼強(qiáng)度的同時(shí)并未明顯降低其韌性和塑性[11]。

2.4 含鈦析出物

鈦微合金化鋼中存在大量 TiN、TiC和Ti4C2S2等析出物[12]。在CSP工藝條件下,由于連鑄薄板坯不經(jīng)過γ→α及α→γ兩個(gè)相變過程,而是直接進(jìn)行在線連軋,因此在其熱軋之前有高達(dá)80%的鈦保持在奧氏體組織中[13],這為后續(xù)碳氮化物的析出提供了條件。圖4為試驗(yàn)鋼中典型析出物的TEM照片及對應(yīng)的成分分析。它們是在不同階段、不同溫度下析出的,起的作用也各不相同。

圖4(a)所示為尺寸相對較大的析出物,其尺寸為幾百納米至1微米。這些析出物是高溫時(shí)在鑄坯中形成的,經(jīng)過軋制后保留在鋼中,由于其顆粒尺寸較大,既不能阻止奧氏體晶粒長大,也不能起到沉淀強(qiáng)化作用。圖4(b)所示為 TiC及 TiS析出,析出顆粒近似圓形,尺寸在十幾納米至幾十納米不等,其屬于固相析出,分別在連鑄及冷卻、均熱、連軋、層冷、卷取等階段產(chǎn)生。這些粒子直徑小而且數(shù)量多,將產(chǎn)生顯著的沉淀強(qiáng)化作用。由于試驗(yàn)鋼中含有微量微合金元素鈮,因此在成分測定中也檢測到含鈮的析出物。

薄板坯凝固、冷卻速度快的特點(diǎn)增加了 TiN形核的過冷度,顯著提高了其形核率,析出粒子的長大時(shí)間短,粗化不明顯,因此采用薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)的鈦微合金化高強(qiáng)鋼中 TiN粒子更加細(xì)小,可以成為阻止晶粒長大的有效質(zhì)點(diǎn)[14]。薄板坯連鑄連軋的總壓縮比雖然較小,但變形速率卻大于傳統(tǒng)工藝,且道次變形量大,層流冷卻使帶鋼迅速降溫,位錯(cuò)線上形核沉淀的微合金碳氮化物能釘扎位錯(cuò)線以及有效阻止形變奧氏體的再結(jié)晶,也能阻止奧氏體晶粒粗化,并且這些質(zhì)點(diǎn)尺寸細(xì)小、彌散分布 ,能阻止位錯(cuò)移動 ,通過Orawan機(jī)制可以起到明顯的沉淀強(qiáng)化作用,這也是鈦微合金化高強(qiáng)鋼強(qiáng)度提高的主要機(jī)制。

圖4 試驗(yàn)鋼析出相的TEM照片及其能譜Fig.4 TEM imagesand EDS spectra of precipitations in test strips

2.5 納米鐵碳析出物

通過RTO金屬包埋切片微米-納米表征法對試驗(yàn)鋼板中鐵碳析出物進(jìn)行分析研究,主要檢測過程為:試樣電解→超聲波清洗陽極泥→淘洗磁分離→洗滌烘干→稱重→夾雜物組成檢測,鐵碳析出物的形貌及 EDS能譜如圖5所示。從圖5中可以看出大量棒狀析出物,其長度為幾十納米至幾百納米不等,能譜分析表明其主要是鐵的碳化物及氧化物。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為此類碳化物為三次滲碳體,文獻(xiàn)[16]認(rèn)為納米級鐵碳化物在鋼中可能起沉淀強(qiáng)化作用,因此在討論微合金鋼強(qiáng)化作用機(jī)理時(shí)不應(yīng)忽視納米級鐵碳析出物的貢獻(xiàn)。

圖5 鐵碳析出物的形貌及EDS能譜Fig.5 Morphology and EDS spectrum of iron-carbon precipitations

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)鋼的典型組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量M/A島+極少量的細(xì)微珠光體,晶粒度為11.5～12級。

(2)試驗(yàn)鋼組織中位錯(cuò)密度較高,這些位錯(cuò)互相纏結(jié)、分布混亂,有些已形成較為完整的位錯(cuò)胞界,位錯(cuò)和位錯(cuò)胞的強(qiáng)化作用是鈦微合金化鋼的主要強(qiáng)化機(jī)制之一;試驗(yàn)鋼中的M/A島在提高其強(qiáng)度的同時(shí)并未明顯降低其韌性和塑性。

(3)試驗(yàn)鋼中存在大量TiN、TiC和 TiS析出物,為細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化提供了保證。細(xì)小、彌散分布的析出物能阻止位錯(cuò)移動,通過O rawan機(jī)制起到明顯的沉淀強(qiáng)化作用,這是鈦微合金化鋼強(qiáng)度提高的主要機(jī)制。

(4)試驗(yàn)鋼中存在大量納米級鐵碳析出物,其對鈦微合金化鋼也有一定的強(qiáng)化作用。

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M icrostructure and properties of 600 M Pa Ti-m icroalloyed high strength strip

W ang Jianfeng1,L i Guangqiang1,W en Dezhi2,Xiao A ida1,2,Deng Shen3
(1.Key Labo rato ry fo r Ferrous M etallurgy and Resources U tilization of M inistry of Education,W uhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Technological Center,Lianyuan Iron and Steel Co.,L td., Loudi 417009,China;3.Technological Center,Liuzhou Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Liuzhou 545002,China)

Themechanical p roperties and microstructure of Ti-microalloyed high strength steelwere investigated by means of op tical electron microscope,energy dispersive X ray detector,and transmis sion electron microscope.It is found that the microstructures of the target steel are fine grains of polygon ferrite and granular bainite w ith good mechanical p roperties.Dislocation and dislocation cell strengthening function become one of the main reinfo rced mechanism s.The existing M/A island in steel increases its strength w hile not significantly reducing its toughness and p lasticity.TiN,TiC and TiS p recipitates p rovide guarantee for fine grain strengthening and p recipitation strengthening.In addition,there are a lot of nanoscale Fe3C p recipitates in the steel,w hose p recipitation strengthening should not be igno red.

Ti;microalloyed steel;p recipitate;microstructure;p roperty

TG115.21

A

1674-3644(2010)06-0561-05

[責(zé)任編輯 尚 晶]

2010-06-06

湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體資助項(xiàng)目(2008CDA 010).

王建鋒(1979-),男,武漢科技大學(xué)博士生.E-mail:agw jf@163.com

李光強(qiáng)(1963-),男,武漢科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.E-mail:ligq-wust@w ust.edu