Ti和Ti-V微合金化低碳贝氏体钢组织性能及析出行为的研究
2022-12-30
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第43卷 第6期 材 料 工 程 Vo1.43 No.6 2015年6月 第52—59页 Journa1 of Materials Engineering Jun.2015 pp.52—59 Ti和Ti—V微合金化低碳贝氏体 钢组织性能及析出行为的研究 Effect of Ti and Ti—V Microalloyed on Precipitation Behaviors,Microstructure and Properties of Low Carbon Bainitic Steel 李晓林 ,蔡庆伍 ,赵运堂 ,崔 阳 (1首钢技术研究院,北京100043;2北京科技大学 冶金工程研究院,北京100083) LI Xiao—lin ,CAI Qing—wu ,ZHAO Yun—tang ,CUI Yang (1 Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China; 2 Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China) 摘要:利用场发射扫描电子显微镜(FE—SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和能谱仪(EDS)等,研究了不同Ti含 量的低碳贝氏体钢的显微组织和析出相的成分、尺寸、形貌以及分布等特征。结果表明:在450℃和520 ̄C保温2h,三种 实验钢组织为粒状贝氏体。与低Ti实验钢相比,高Ti及Ti—V复合实验钢的屈服强度增加了150MPa以上。高Ti钢中 纳米级析出相有两种类型:一种大于15nm的TiC析出相;另一种是在lOnm以下,具有面心立方结构的(Ti,Mo)C复合 析出相。Ti—V钢基体中存在大量尺寸在10nm以下的(Ti,V,Mo)C复合析出相。 关键词:粒状贝氏体;纳米级析出相;位错线;(Ti,Mo)C;(Ti,V,Mo)C doi:10.11868/j.issn.1001—4381.2015.06.009 中图分类号:TG142.1 文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2O15)06—0052—08 Abstract:The morphology,size,distribution and chemical composition of precipitates and the micro— structure of the low carbon bainitic steel with different content of Ti were investigated by field emis— sion scanning electronic microscopy(FE—SEM),high resolution transmission electron microscope (HR—TEM)and energy disperse spectroscopy(EDS).The results show that the test steels holding at 450℃and 52O℃for 2h,the microstructure of three kinds of steels iS granular bainite.Compared with the low titanium steel,the yield strength of the high titanium steel and titanium—vanadium steel in— creases by over 1 50MPa.There are two kinds of the nanometer—sized precipitate particles in high titani— um steel:one of these iS titanium carbide,which size iS more than 1 5 nm.The other iS composite pre— cipitate with the FCC(face—centered cubic)一(Ti,Mo)C structure,which size iS smaller than 10nm.In the matrix of titanium—vanadium steel,there are a great amount of(Ti,V,Mo)C composite precipi— tates with the size smaller than l O nm. Key words:granular bainite;nanometer—sized precipitate;dislocation line;(Ti,Mo)C;(Ti,V,Mo)C 为了节约资源、降低生产成本,高强、高韧钢的设 Nb元素属于贵重合金元素,它的加入增加了钢板成 计应当减少昂贵合金元素的使用,并通过优化合金元 本,降低产品市场竞争力。Ti合金元素价格较低,但 素的配比,充分利用微合金元素(如Nb,V,Ti)的强韧 其具有较强的活性,与钢中的O,s,N容易结合形成 化作用口]。目前采用TMCP技术生产的贝氏体型低 尺寸较大的夹杂,这对材料的塑、韧性不利。近年来, 碳微合金钢板中大多含有Nb这种微合金元素,其作 随着冶金工艺控制水平的提高,以往含Ti钢中的问题 用是细晶强化以及析出强化,使得中厚板贝氏体钢具 得到了较为明显的改善_4]。国内外的研究者对Ti及 有良好的强度、韧性及焊接性,已经广泛应用工程机 Ti~Mo在铁素体中的析出行为、纳米析出相的析出强 械、管线、船板和容器设备的制造等领域_2 ]。由于 化机制进行了大量的研究工作 ]。对于高Ti含量 第43卷 第6期 Ti和Ti—V微合金化低碳贝氏体钢组织性能及析出行为的研究 53 (叫≥O.1 )的贝氏体钢,Ti的析出强化作用机制研究 报道较为少见,基于此,本研究在Mn—Cr—Mo系低碳 贝氏体钢中通过添加Ti及Ti—V复合添加,在实验室 进行控轧控冷实验,以期在低碳贝氏体钢中获得纳米 级析出颗粒,研究Ti的析出行为对贝氏体钢力学性能 的影响,并分析纳米级析出相的成分、析出规律及成 因。对开发较高Ti含量的低碳贝氏体钢板提供理论 1实验材料及方法 实验用钢采用25kg真空感应炉冶炼,实验钢的 化学成分见表1。钢锭锻成尺寸为80turn×80mm× 80ram的方坯,在电阻式加热炉内加热到1250℃,保 温2h,在实验室二辊轧机上经6道次热轧成18mm厚 钢板,终轧温度控制在900℃。终轧后经过层流冷却 依据和实验支持。 设备,以30℃/S的冷速分别冷到450,52O℃,并等温 表1 实验钢的化学成分(质量分数/%) Table 1 Chemical composition of experimental steels(mass fraction/ ) 2h,然后出炉空冷至室温,具体工艺见图1。 薄膜样品用5 高氯酸无水乙醇电解液,在一20℃, 30V下电解双喷减薄至穿孔。萃取复型试样的制备方 法为:试样打磨抛光后经4 硝酸酒精溶液腐蚀,用 HBA一1型喷涂仪在金相试样上蒸发沉积一层较厚的 3 C膜,将C膜划成2ram×2mm的小方格,将划过格的 ∞ △ 试样放在盛有硝酸酒精的器皿中,使C膜连同凸出试 样表面的第二相粒子与基体分离,分离后的C膜放到 盛有酒精的器皿中清洗。 E m I-" Time 2 实验结果 2.1力学性能 图1轧制工艺示意图 Fig.1 Schematic diagram of rolling processes 不同实验钢的屈服强度和抗拉强度以及伸长率随 实验所需试样在轧后的钢板上切取,拉伸试样沿 轧制方向切取。拉伸试样尺寸为¥10mm×140mm,标 距为50ram。切取金相试样,经机械研磨抛光,用4 硝酸酒精溶液侵蚀后进行SEM观察。采用高分辨透 射电镜TECNAI G F20观察析出物形貌、尺寸以及 保温温度的变化情况如图2所示。在同一保温温度 下,随着Ti含量的增加,实验钢的强度大幅增加,但伸 长率下降。在450℃和520℃保温,2 实验钢屈服强 度比1 实验钢分别增加了177,157MPa,抗拉强度则 分别提高了136,103MPa。Ti—V复合添加的3 钢与 分布,利用能谱仪(EDS)对析出相进行化学成分分析。 单独添加Ti的2 钢相比,强度增加趋势比较缓慢,但 ca £ O.O0 0.O5 0.10 0.15 0.2O 0.25 0.3O 0.35 Mass rfaction of Ti(+、,),% Mass fraction of Ti(+v),% 图2 实验钢在不同保温温度下的力学性能 (a)450℃;(b)520℃ Fig.2 Mechanical properties of experimental steels holding at different temperatures(a)450%;(b)520% 58 材料工程 2015年6月 溶量较少,故在随后的轧制过程中1 钢中的Ti主要 在奥氏体以TiN或者Ti(C,N)形式析出,而在贝氏体 区析出的量较少。 1g -2.75一?000(1) Tlg 一 O.32--下8000 (2) 表2实验钢在1250K;时Ti,C,N的固溶量(质量分数/%) Table 2 The content of Ti.C and N in solid solution at 1250℃(mass fraction/%) 钛量较高的2 和3 实验钢,在轧制过程中也会 有少量的Ti(C,N)粒子因形变诱导而析出,在奥氏体 区析出的颗粒能阻止奥氏体的再结晶过程,细化奥氏 体晶粒,从而得到更细小的贝氏体组织。当在实验钢 中添加Mo元素后,由于Mo的碳化物在奥氏体中的 固溶度较高,比铁素体区大3个数量级_】 ,所以Mo 不在奥氏体区析出,而是在奥氏体转变为铁素体或者 贝氏体后,与Ti复合析出。由于保温温度较低,形核 驱动力随着过冷度的增加而增大,形核临界尺寸则减 小,而低温转变相贝氏体中存在大量的位错,这又为析 出相形核析出提供了有利位置,所以在450℃和520℃ 能够析出尺寸细小的(Ti,Mo)C复合析出相,且析出 相的尺寸在10nm以下,可以起到明显的析出强化作 用。 3 实验钢中含有0.13 的V和0.18 的Ti,但 强度比2 实验钢并没有太多的提高。首先,由于3 钢中固溶的N含量较少,而TiN析出温度要高于 VN,在奥氏体高温阶段N首先和Ti结合形成TiN, 消耗了大量的N元素,在轧制阶段析出的VN较少, 对奥氏体晶粒钉扎作用较小,所以2 和3 实验钢的 晶粒大小差别不大。由于碳化物的强度非常高口 , 根据Orowan强化机制,基体内的位错不能够切割这 些硬度极高的析出物,必须绕过它们。析出相沉淀强 化效果主要取决于析出相的尺寸和体积分数,在图8 中可以看出,在同一保温温度下2 和3 实验钢中析 出相尺寸相差不大。虽然3 钢中添加的微合金元素 多于2 钢,但析出颗粒的体积分数没有明显的增多, 原因是:实验钢中虽有较多的V元素,只有在钢中添 加较多的N元素的情况下才能充分发挥V的析出强 化作用,这一点已经被很多研究证实¨】 。3 实验钢 中的N含量较低,所以V无法充分发挥其析出强化效 果。在图10中EDS分析也没有发现只含有V元素 的析出相颗粒,说明在3 钢中的V析出可能是以TiC 或者(Ti,Mo)C为形核点析出的,从而形成了Ti—V复 合析出相,故V的析出对析出相的体积分数影响较 小,故3 实验钢的强度比2 钢仅提高了30 ̄40MPa。 图8(b)中析出物的位向与基体存在的相关性为: 001M(c //001 。,[010]M(c-N)//[110] ,可见,析出 相与基体呈B—N关系。如果析出相是在奥氏体区析 出,则与基体呈K—s关系口 ,故可确定基体中细小的 弥撒析出物的析出现象发生在奥氏体转变成贝氏体 后。通过高分辨透射电镜观察了3 钢中复合析出相 与基体的共格关系,发现这种尺寸在5nm左右析出相 与基体仍然保持着共格或者半共格关系。根据文献 [1o],颗粒粗化速度随界面能的增大而增大,由于碳化 物与基体处于共格或者半共格关系时的界面能小于处 于非共格关系时的界面能,则与基体处于共格状态的 碳化物长大速度要小于非共格条件下的粗化速度;另 外,(Ti,M0)c或(Ti,V,Mo)C复合析出物进入粗化 阶段时,需要从基体中同时提供两种以上的微合金元 素进入碳化物中以提供碳化物成长,但是,扩散度的差 异使得扩散速度不同的原子需要较长时间的扩散,才 可以达到其平衡位置而使碳化物成长[2 。上述分析 说明复合的碳化物有更好的热稳定性。 4 结论 (1)不同Ti含量的实验钢在450℃和520 ̄C保温, 组织主要是粒状贝氏体。在450℃保温,2 ,3 实验 钢中贝氏体板条宽度差别较小,平均宽度约为 200nm;在520℃保温,2 ,3 实验钢中贝氏体板条平 均宽度约为300nm。 (2)在450℃和520℃保温,2 实验钢的屈服强度 比1 实验钢分别提高了177,157MPa;3 实验钢的屈 服强度比1 实验钢分别提高了220,192MPa。主要 原因是高 含量实验钢基体内存在大量小于10nm 的(Ti,Mo)C或(Ti,V,Mo)C析出相,具有较强的沉 淀强化效果。 (3)实验钢中不同尺寸的析出相中化学成分不同, 低Ti含量的实验钢中析出相尺寸较大,尺寸在5O~ 100nm之间的为Ti C。S 或者Ti(CN);尺寸大于 200nm的为TiN;高Ti含量实验钢基体中存在大量细 小弥散的析出相,尺寸小于10nm的为(Ti,Mo)C或 (Ti,V,Mo)C复合析出相;尺寸大于15nm析出相为 TiC。复合析出相的扩散速率较慢,具有较强的热稳 定性。 第43卷第6期 Ti和Ti—V微合金化低碳贝氏体钢组织性能及析出行为的研究 59 参考文献 [1]赵四新,姚连登.rri和Nb—Ti微合金化高强钢中Ti的析出行为 [J].材料热处理学报,2OlO,31(12):71—79. 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JIAO Z B,LIU J C.Research and development of advanced nano—precipitate strengthened ultra high strength steelsl,J ̄.Ma— terials China,20U,30(12):6—11. 收稿日期:2013-02—20;修订日期:2O14 08 28 通讯作者:李晓林(1985一),男,工程师,研究方向为热轧高强钢品种开 发,联系地址:北京市石景山区杨庄大街69号首钢技术研究院 (100043),E—mail:lixiaolinwork@l63.com