李 戩，徐 春，馬曉藝

（1.青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 材料系，上海 200235）

控制軋制是指在熱軋過程中通過對金屬加熱制度、變形制度和冷卻制度的合理控制，使熱塑性變形和固態(tài)相變結(jié)合，以獲得細(xì)小晶粒組織［1］，使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能的軋制工藝.對低碳鋼和低合金鋼來說，采用控制軋制工藝主要是通過控制軋制工藝參數(shù)，細(xì)化形變奧氏體晶粒，經(jīng)過軋后冷卻期間奧氏體向鐵素體和珠光體的相變，形成細(xì)化的鐵素體晶粒，達(dá)到提高鋼的強(qiáng)度、韌性的目的.近年來，控制軋制作為熱軋新技術(shù)越來越被人們所重視.近20 多年來，汽車工業(yè)為了提高安全性和節(jié)省能源，所用鋼板已向高強(qiáng)化和輕量化方向發(fā)展，因此開發(fā)低合金高強(qiáng)度鋼板有很好的發(fā)展前景［2］.采用微合金化并與控軋控冷工藝相配合，可以使鋼板鐵素體晶粒細(xì)化，從而有效地提高鋼板的強(qiáng)度.本文研究了控制軋制及加速冷卻過程中工藝參數(shù)對釩鈦微合金鋼組織及性能的影響，分析了微合金化元素的析出行為、工藝制度對于析出相、強(qiáng)度及沖擊韌性的影響.還通過透射分析更好地了解了析出相的種類及形貌，從而制定出比較理想的加工工藝制度，為汽車用鋼的生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

表1 為釩氮鋼試樣的化學(xué)成分.

表1 釩氮合金鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of V-Ti microalloy steels（at%）

1.2 試驗(yàn)方法及工藝制度

試驗(yàn)用鋼由500kg 真空冶煉后澆注鋼錠，單重150kg，每錠鍛造后切頭尾，鍛坯尺寸為100×300×200 mm3.試驗(yàn)所用軋制和ACC 工藝制度如表2 所示.

表2 軋制和ACC 工藝制度Tab.2 Rolling and ACC processing

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能及微觀組織

表3 為不同終軋溫度和冷卻方式下實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能.由表3 可見，在終軋溫度相同的情況下，強(qiáng)度隨著冷卻速度的增大而升高，延伸率隨著冷卻速度的降低而升高.當(dāng)實(shí)驗(yàn)鋼的終冷溫度降低到550 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)超過500 MPa.1＃試樣的強(qiáng)度最低是因?yàn)樵谲堉七^程中已發(fā)生變形的鐵素體晶粒在隨后的冷卻過程中長大，最終得到混晶的鐵素體組織，使強(qiáng)度大大降低.

4＃鋼板的抗拉強(qiáng)度最高，主要是由于終軋溫度的降低，鋼中出現(xiàn)貝氏體組織，貝氏體的相變強(qiáng)化作用使鋼板強(qiáng)度提高（見圖1）.在終軋溫度相同，終冷溫度相同，都是空冷的條件下，材料的屈強(qiáng)比較?。?＃和3＃樣）；而在水冷的情況下，實(shí)驗(yàn)鋼的屈強(qiáng)比較大（2＃和4＃樣）.可見，冷卻速度的增大雖使得鋼材強(qiáng)度有了提高，也提高了鋼材的屈強(qiáng)比，但同時(shí)也使得鋼材延伸率明顯降低.從表3還可以看出，在不同的終軋溫度和冷卻方式下，斷面收縮率差別不大，可見不同溫度和冷速對斷面收縮率的影響不明顯.

表3 不同終軋溫度和冷卻方式下實(shí)驗(yàn)鋼的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of experimental steels at different final rolling temperatures and cooling ways

控冷工藝條件（冷卻速度和終冷溫度等）對相變、相變產(chǎn)物及析出物的形態(tài)有所改變，進(jìn)而對最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)和性能都有直接的影響［3］.圖1 為控軋控冷后試樣的金相組織.由圖1 可以看出，1＃和3＃試樣組織為鐵素體和珠光體，2＃試樣組織為馬氏體，4＃試樣是貝氏體組織.不同工藝條件下的鐵素體的形貌、晶粒大小及各組織的體積分?jǐn)?shù)不同.對于1＃試樣和3＃試樣，軋后冷卻速度較慢，過冷奧氏體在高溫下有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散分解，從而發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，最后得到近乎平衡的珠光體組織［4］.對于4＃試樣，奧氏體過冷至較低溫度，此時(shí)碳原子可進(jìn)行擴(kuò)散，但鐵原子不能進(jìn)行擴(kuò)散，奧氏體只能轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織［5］.但是由于2＃試樣冷卻速度最快，最終形成馬氏體組織.

圖1 控軋控冷后的金相組織Fig.1 Metallographic structure after controlled rolling and controlled cooling

圖2 是1＃試樣的TEM 微觀形貌，其中圖2（a）是三叉晶界以及附近的鐵素體晶粒，可以看出周圍有少量的位錯(cuò)；圖2（b）是變形珠光體組織；圖2（c）是Ti（CN）析出相.從圖2（d）中可以看到，在鐵素體基體中，尤其是位錯(cuò)線上分布著細(xì)小彌散的Ti的碳氮化物顆粒，這些均勻細(xì)小的析出物可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動，從而提高鋼材強(qiáng)度.

圖2 1＃樣的TEM 照片F(xiàn)ig.2 Photo of sample NO.1（TEM）

圖3 2＃樣的TEM 照片F(xiàn)ig.3 Photo of sample NO.2（TEM）

圖3 是2＃試樣的TEM 微觀形貌，圖3（a）是孿晶馬氏體組織，圖3（b）是板條馬氏體組織，圖3（c）是鐵素體晶粒的局部再結(jié)晶，圖3（d）是晶內(nèi)的在α慣性面上的析出相，圖3（e）是馬氏體交叉變形的組織.圖3（f）為馬氏體里的析出相TiN暗場像.

析出相的沉淀強(qiáng)化作用可以同時(shí)作用于鐵素體和珠光體.在晶界上有析出顆粒，能釘扎晶界，阻礙晶粒長大；在位錯(cuò)線上的沉淀析出，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，致使位錯(cuò)塞積，高密度的位錯(cuò)束縛晶粒長大，從而也能細(xì)化晶粒使鋼得到強(qiáng)化.

2.2 沖擊韌性

本實(shí)驗(yàn)對經(jīng)過拉伸后的1?！?＃試樣進(jìn)行了系列溫度沖擊實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，4＃試樣的沖擊功較大，一般不會發(fā)生脆斷；1＃試樣其次；盡管2＃試樣的沖擊功在低于-40 ℃時(shí)沖擊功也較大，但在高于-40 ℃時(shí)卻最小.

圖4 為試樣的沖擊溫度和沖擊功的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著沖擊溫度的降低，實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊功也逐漸降低.當(dāng)沖擊溫度大于-40 ℃時(shí)1＃、3＃和4＃試樣的沖擊功比2＃試樣大很多.2＃樣的沖擊功是所有試樣里最低的，表明2＃試樣的韌性最差，原因是冷卻速度增大使析出相大多在晶界或亞晶界析出，使在晶內(nèi)的析出量減少；而在晶界或亞晶界上析出的微合金碳氮化物本身并不能使鋼材強(qiáng)韌化，反而在很大程度上使鋼的韌性、塑性降低，從而使晶體與晶體間相互協(xié)調(diào)性降低，故沖擊韌性有所下降.從4＃試樣的工藝來看，盡管它的冷卻速度也較大，但它的沖擊韌性也較好，原因是它的終冷溫度控制得較好，在800～850 ℃范圍內(nèi)適當(dāng)降低終冷溫度可微量提高細(xì)晶強(qiáng)化值，而沉淀強(qiáng)化組分提高明顯相比其余試樣要低得多；溫度對于沉淀析出也有非常大的影響，這是由于終軋溫度低時(shí)形變后的奧氏體具有更為豐富的形變儲存能，在隨后的控冷過程中，將促成V（CN）大量的細(xì)小彌散析出，沉淀強(qiáng)化作用也增強(qiáng)，據(jù)此可發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)亟档徒K軋溫度也能提高沖擊韌性.盡管1＃試樣強(qiáng)度較低，但它的沖擊韌性較好，尤其在-40～0 ℃時(shí)，原因是它的冷卻速度相對較慢，其壓下量與3＃，4＃試樣相比，在開始軋制時(shí)略高.形變溫度高時(shí)析出相的平均直徑變大，這是由于在高溫時(shí)，擴(kuò)散速度較快，第二相質(zhì)點(diǎn)由于熟化作用而粗化，但形變量增加使析出相增加，可以在高溫時(shí)彌補(bǔ)其不足，而且適當(dāng)?shù)丶哟笮巫兞?，能有效地控制晶界或亞晶界上析出相的相對分量?］.2＃試樣的加工工藝盡管使其強(qiáng)度有所提高，但導(dǎo)致了塑性韌性下降，原因是它的終軋溫度較高，達(dá)到1 050 ℃且冷卻速度較大，因此其沖擊韌性較低.因?yàn)樽鳛槠囉娩摰蜏匾话阍?40～0 ℃之間，因此初步選擇1＃或2＃試樣的成分及工藝，由于1＃試樣強(qiáng)度很低，故最終選擇4＃試樣的軋制工藝.

圖4 4 個(gè)試樣的沖擊溫度和沖擊功的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between impact energy and impact temperature of four samples

3 結(jié)論

1）降低終軋溫度可提高實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度值，一般控制在800～850 ℃左右，其強(qiáng)度的提高主要以沉淀強(qiáng)化為主.在實(shí)驗(yàn)條件下，增加軋后冷卻速度（控制在5～10 ℃／s），可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高屈服強(qiáng)度.

2）終軋溫度800±20 ℃，終冷溫度550±10 ℃，實(shí)驗(yàn)鋼具有貝氏體組織，抗拉強(qiáng)度可以提高到690MPa以上.

3）高溫加熱+兩階段再結(jié)晶軋智（低溫終軋830 ℃）+軋后空冷的加工方式，使材料的沖擊韌性和塑性提高，但強(qiáng)度下降；高溫再結(jié)晶終軋（1 000 ℃）+快速水冷，使得材料碳氮化物析出最多，性能最好，可獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性.

4）熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼的顯微組織特征為：它是由先析鐵素體、珠光體組織或者鐵素體+珠光體+少量貝氏體組成.在透射電鏡下還觀察到孿晶馬氏體及板條馬氏體以及其中的高密度位錯(cuò).

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