韓 伏， 文 輝， 朱守欣， 王得炯， 鄧 偉

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

引 言

角鋼廣泛地用于各種建筑結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu)，如房梁、橋梁、輸電塔、起重運輸機(jī)械、船舶等。隨著全球雙碳目標(biāo)的提出及能源需求日益增長，實現(xiàn)角鋼的節(jié)材節(jié)能與低成本化成為角鋼產(chǎn)業(yè)一個重要的發(fā)展趨勢［1-3］。因此，開發(fā)成本低廉但綜合性能優(yōu)異的角鋼具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

通常在C-Mn鋼中添加適量的V，Nb，Ti等微合金元素，通過第二相粒子的析出強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化來改善材料的組織狀態(tài)，從而改善角鋼的綜合性能［4-8］。V以細(xì)小而彌散的碳化物和氮化物形式存在，抑制晶粒長大，并通過析出強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度；Nb在奧氏體區(qū)具有細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用，能有效地提高鋼的強(qiáng)度和韌性；Ti與N有很好的親和力，在鋼中有固氮和高溫阻礙奧氏體晶粒長大的作用。因此，鋼中的多元納米相（V，Nb，Ti的碳氮化合物）具有細(xì)化晶粒的效果，并使得晶體界面中雜質(zhì)元素含量降低從而提高其韌性，同時基體中大量彌散著均勻分布的多元納米相也可起到一定的析出強(qiáng)化作用。目前，目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的微合金元素是V，但V的價格昂貴，為了降低成本，可適當(dāng)減少釩的用量，用低成本的合金元素來替代，通過合理的系統(tǒng)合金成分設(shè)計、加熱制度優(yōu)化與軋制工藝研究，開發(fā)低成本高性能的角鋼產(chǎn)品。

本文采用熱軋生產(chǎn)的Q420C電力鐵塔專用∠200 mm×200 mm×24 mm規(guī)格角鋼為研究對象，主要研究角鋼中釩鈦微合金化強(qiáng)化機(jī)制對強(qiáng)度的量化貢獻(xiàn)；通過JMatPro以及電解化學(xué)相分析研究V系、V-Ti系微合金角鋼的熱力學(xué)分析以及第二相析出分析，研究和構(gòu)建角鋼多元納米相的層次化析出與競爭析出理論基礎(chǔ)，為成分設(shè)計及工藝控制提供理論依據(jù)，并為構(gòu)建組織均勻化、性能穩(wěn)定化生產(chǎn)工藝規(guī)范提供科學(xué)的建議。

1 試 驗

1.1 試驗材料

Q420C級電力角鋼試制在南鋼型鋼生產(chǎn)線進(jìn)行，規(guī)格為∠200 mm×200 mm×24 mm，主要化學(xué)成分如表1所示。其生產(chǎn)工藝為：采用250 mm×300 mm的連鑄坯堆冷后加熱，均熱溫度1290±5 ℃，開軋溫度1130±5 ℃，終軋溫度895±5 ℃，軋后空冷。

表1 Q420C級電力角鋼試驗鋼化學(xué)成分/%

1.2 試驗方法

對軋制角鋼采用德國Zwick公司Z600E、RKP450分別進(jìn)行拉伸、沖擊性能測試，采用德國蔡司Imager.M1m金相顯微鏡觀察了試驗鋼的金相顯微組織，采用Tecnai G2 F30 S-TWIN透射電子顯微鏡對鋼中第二相析出粒子進(jìn)行了深入觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能及金相組織

為分析角鋼組織的均勻性以及了解帶狀組織的情況，進(jìn)行了金相實驗觀察。金相實驗試樣主要選取了表1所示的7V角鋼、5V2Ti角鋼以及3V2Ti角鋼，其規(guī)格均為∠200 mm×200 mm×24 mm，力學(xué)性能如表2所示。

表2 Q420C級電力角鋼試驗鋼力學(xué)性能

通過上表可知，V-Ti復(fù)合的角鋼其屈服強(qiáng)度均在420 MPa以下，為研究組織對屈服強(qiáng)度的影響，分別對三種成分角鋼的軋制方向以及垂直軋制方向進(jìn)行金相觀察，實驗所獲得的金相顯微圖如圖1所示。

圖1 角鋼金相組織（TD—垂直軋制方向；RD—平行軋制方向）

對比上述三種成分角鋼的金相組織可以發(fā)現(xiàn)，三種成分的角鋼組織主要由先共析鐵素體和珠光體組成，鐵素體晶粒多為不規(guī)則形狀，在角鋼的軋制方向和垂直軋制方向均可以發(fā)現(xiàn)明顯的帶狀組織，3V2Ti的鐵素體帶要寬于7V和5V2Ti角鋼中的鐵素體帶，帶狀組織對于角鋼性能有著重要影響，特別是對沖擊功波動的影響。

2.2 V，V-Ti系熱力學(xué)分析計算

為進(jìn)一步了解析出物的析出順序以及析出溫度，對三種角鋼進(jìn)行析出熱力學(xué)分析，采用Jmatpro軟件制作鋼中MN與M（C，N）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線。其結(jié)果如圖2所示。

從圖2（a）可以看出7V鋼中VN的析出溫度為933℃，V（C，N）開始析出的溫度為817℃；從圖2（b）可以看出5V2Ti鋼中TiN的析出溫度為1495 ℃，V（C，N）開始析出的溫度為782 ℃；從圖2（c）可以看出3V2Ti鋼中TiN的析出溫度為1494 ℃，V（C，N）開始析出的溫度為761 ℃。在低于1545 K反應(yīng)的臨界溫度，釩的氮化物與碳化物都能夠穩(wěn)定存在，但氮化物比碳化物更穩(wěn)定［9-10］，同時由于鋼中碳含量較低，且V先與N結(jié)合，消耗掉了V，所以只能析出VN，而VC很難析出；而對于V-Ti微合金系，Ti的析出消耗了大量的N，降低了V的析出驅(qū)動力。

圖2 鋼中MN與M（C，N）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線

2.3 電解化學(xué)相分析

為了進(jìn)一步了解角鋼中析出物的成分、尺寸分布等情況，對上述三種成分角鋼進(jìn)行電解化學(xué)相分析。電解化學(xué)相分析發(fā)現(xiàn)，7V角鋼中主要發(fā)現(xiàn)了M3C和M（C，N）兩種析出相，在7V鋼中V元素析出了38%左右，自由N含量為14×10-6；在5V2Ti鋼中Ti元素全部析出，V元素析出了30%左右，自由N含量為36×10-6；在3V2Ti鋼中Ti元素全部析出，V元素析出了33%左右，自由N含量為36×10-6。

為保證鋼中V的析出，通過加入釩氮合金提高鋼中的N含量，N含量增加可有效促進(jìn)V的析出［11-12］，根據(jù)文獻(xiàn)［13］，在釩鋼中V的析出相含量隨著N含量的增加而增加（N含量達(dá)到理想的配比之前），析出物尺寸及間距明顯減小，析出強(qiáng)化效果更優(yōu)異。有研究表明［14］，降低終軋溫度可顯著提升角鋼的性能。降低軋制溫度，變形滲透更大，易產(chǎn)生更多的界面，增加第二相的析出率，提升強(qiáng)化效果。

對上述三種角鋼的析出物尺寸進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3所示。

圖3 析出物尺寸統(tǒng)計

由于高溫階段形成的析出物數(shù)量較少且尺寸大，而低溫階段形成的析出物數(shù)量多尺寸小。因此析出相的中位數(shù)尺寸更能代表析出物的整體尺寸。7V鋼析出物的中位數(shù)尺寸為17.2 nm，5V2Ti鋼析出物的中位數(shù)尺寸為56.7 nm，3V2Ti鋼析出物的中位數(shù)尺寸為84.3 nm。

隨著V元素的降低與Ti元素的加入，析出物的中位數(shù)尺寸越來越大，主要原因有兩個：一方面隨著Ti元素的加入，固定了一部分N元素，使得可與V結(jié)合析出的N元素含量大大減少，從而減少細(xì)小析出物的析出數(shù)量；另一方面，N元素與Ti元素結(jié)合形成大尺寸的TiN，增加了析出物的整體尺寸。一般情況下，認(rèn)為析出物尺寸超過20 nm基本上不會產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用。因此，根據(jù)電解化學(xué)相結(jié)果，5V2Ti與3V2Ti鋼中的析出物基本上不起析出強(qiáng)化作用。

2.4 第二相析出形貌分析

選取7V和5V2Ti鋼為研究對象，通過透射電鏡研究鋼內(nèi)析出相的形貌以及位相關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼中析出相透射分析

通過透射電子顯微鏡對兩種微合金鋼中V，Ti納米沉淀物的形貌，位置和分布進(jìn)行了進(jìn)一步的表征和分析。圖4（a）與（b），（c）與（d）分別顯示了7V與5V2Ti鋼中鐵素體基體中和位錯線上的納米析出顆粒。兩種成分微合金鋼納米顆粒均以在鐵素體基體中的隨機(jī)析出為主，隨機(jī)析出主要是碳氮化物的均勻成核和生長，在較低的轉(zhuǎn)變溫度下隨機(jī)出現(xiàn)在鐵素體基體中。特別值得注意的是，只有過飽和鐵素體基體中的α/γ界面沉淀和隨機(jī)均勻沉淀才能產(chǎn)生優(yōu)異的沉淀硬化效果，提高鋼材的屈服強(qiáng)度。由于位錯線位置成核能量相對較低，碳氮化物在位錯線上成核的臨界尺寸明顯減小，納米級顆粒的沉淀在位錯上優(yōu)先成核，析出沉淀在位錯的運動中產(chǎn)生相互作用，釘扎位錯，產(chǎn)生強(qiáng)化效果。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)兩種熱軋微合金鋼中位錯線密度小，數(shù)量少，如圖4（a）和圖4（c）所示。圖4（e）為釩微合金鋼中HR-TEM圖像，圖4（f）為經(jīng)過傅里葉變換獲得的析出相與基體組織衍射斑點圖像標(biāo)定結(jié)果，分析結(jié)果表明V（C，N）析出相與BCC-鐵素體結(jié)構(gòu)基體組織呈現(xiàn)典型的B-N取向關(guān)系，即 ［110］ V（C，N）∥［001］α，（1-1-1）V（C，N）∥（100）α，表明V（C，N）粒子主要在鐵素體中析出，因為在奧氏體中析出的V（C，N）與基體的取向關(guān)系為K-S關(guān)系。

通過線掃對兩種微合金鋼中V，Ti微合金元素在析出相中的分布進(jìn)行了進(jìn)一步研究。V，Ti微合金元素在兩種微合金鋼的納米沉淀物中均呈現(xiàn)析出中心含量多，邊緣含量少的分布趨勢，如圖5（c），（d）所示。不同的是，在釩鈦微合金鋼中發(fā)現(xiàn)的圓角矩形的帽子型納米析出相（圖5（b）所示），其中微合金元素V在析出相中的分布存在三個峰值，在兩端邊緣處出現(xiàn)了富釩現(xiàn)象，帽狀部分主要是V的富集。該類沉淀尺寸在100 nm左右，帽層中富集了大量的釩，這些釩進(jìn)一步增加了析出相的尺寸，同時也削弱了V的析出強(qiáng)化效果。

圖5 鋼中析出相線掃分析

2.5 強(qiáng)度理論分析

常見的強(qiáng)化機(jī)制主要有晶界強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化（析出強(qiáng)化）以及固溶強(qiáng)化，為確定幾種強(qiáng)化機(jī)制對角鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量，結(jié)合南鋼角鋼生產(chǎn)實際，測得其晶粒尺寸，方便計算其細(xì)晶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)。圖1可以發(fā)現(xiàn)顯微組織均由鐵素體和珠光體組成，珠光體在熱軋過程中沿軋制方向被拉長形成帶狀組織，整個視野內(nèi)呈現(xiàn)鐵素體帶與珠光體帶的相互交替，隨著鈦的加入，加重了帶狀組織的程度，主要是微合金鋼中V（C，N）型納米粒子沉淀主要分布在鐵素體中，有利于帶狀組織的破壞。

對于角鋼中的細(xì)晶強(qiáng)化，可以根據(jù)如下經(jīng)驗公式計算獲得：

上述金相實驗已經(jīng)測得5V2Ti角鋼的平均晶粒尺寸在10.8 μm左右，7V的平均晶粒尺寸在12.5 μm左右，將兩者帶入公式，可以求得該晶粒尺寸所對應(yīng)的細(xì)晶強(qiáng)化值分別為167 MPa和155 MPa。

位錯強(qiáng)化可以用Bailey-Hirsch關(guān)系方程估算：

式中M為泰勒因子，M=2.75；α為常數(shù)，α=0.43；μ為剪切模量，μ=80.3 GPa；b為柏式矢量值（0.248 nm）。因為兩種微合金鋼工藝基本相同，視其中的位錯密度為定值：2.5×1013m-2，計算得到的位錯強(qiáng)化貢獻(xiàn)為119 MPa。細(xì)晶強(qiáng)化與位錯強(qiáng)化采用均方根疊加后綜合貢獻(xiàn)分別為195，205 MPa。

沉淀強(qiáng)化可以采用Ashby-Orowan模型進(jìn)行計算。其模型顯示，第二相析出物的強(qiáng)度增量與其體積分?jǐn)?shù)的半次方成正比，與其粒度成反比。本文選用下列公式計算兩種熱軋微合金鋼第二相的析出強(qiáng)化值：

式中σp為沉淀強(qiáng)化貢獻(xiàn)；f為體積分?jǐn)?shù)；d為第二相粒子的尺寸。根據(jù)電解化學(xué)相計算得到的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行各個尺寸析出物的強(qiáng)化貢獻(xiàn)（如表3所示），其差異主要在釩鈦微合金化的析出物數(shù)量減少，尺寸增加。

表3 沉淀（析出）強(qiáng)化計算

固溶體硬化可以表示如下：

電解化學(xué)相分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在釩鈦微合金鋼中溶液中的Ti較少，96%的Ti以碳氮化物的形式沉淀下來，故釩鈦微合金鋼中Ti的固溶強(qiáng)化可忽略不計。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從Thermo-Calc軟件中的計算中獲得，釩微合金鋼和釩鈦微合金鋼的鐵素體基體中平衡質(zhì)量分?jǐn)?shù)被確定為重量的0.005%。其余的化學(xué)成分基本相同，故視為一致，計算出的固溶強(qiáng)化效果基本相同，均為104 MPa。

綜上，屈服強(qiáng)度計算公式如下：

釩鈦微合金鋼中各種強(qiáng)化機(jī)制的強(qiáng)化貢獻(xiàn)如表4所示：

表4 強(qiáng)度貢獻(xiàn)計算

由表4和表1可知，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，釩系、釩鈦系兩種微合金化試驗鋼強(qiáng)度差異的主要是沉淀強(qiáng)化所致。

3 結(jié) 論

（1）V-Ti微合金系，Ti元素全部析出，Ti先與N結(jié)合生成TiN，當(dāng)Ti析出后，鋼中剩余的N含量較少，降低了V的析出驅(qū)動力，導(dǎo)致V元素析出率較低，析出率僅約30%。

（2）Ti的加入改變了V的析出形式，部分V在TiN上形核長大，粗化了析出相尺寸，析出物尺寸大于20 nm，釩鈦微合金化鋼中的析出物基本上不起析出強(qiáng)化作用。

（3）各種強(qiáng)化機(jī)制貢獻(xiàn)估算發(fā)現(xiàn)，釩系、釩鈦系兩種微合金化鋼強(qiáng)度差異主要在于沉淀強(qiáng)化（析出強(qiáng)化）。

（4）Q420C級電力角鋼生產(chǎn)，建議采用釩氮合金進(jìn)行釩微合金化（無Ti化處理），可適當(dāng)降低軋制溫度以產(chǎn)生更多的界面，從而增加第二相的析出率，提升析出強(qiáng)化效果。