柴可馨 曹佳麗　徐亞鵬　趙毅鋒

摘要：通過添加不同含量的Nb、Ti微合金元素，并對(duì)不同退火工藝下低合金高強(qiáng)鋼力學(xué)性能和組織、析出相進(jìn)行分析，研究了NbTi對(duì)低合金高強(qiáng)鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明：材料組織為鐵素體基體加少量滲碳體，同時(shí)在基體中有不同尺寸的NbTi析出相生成。隨著退火溫度的增加，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，伸長率逐漸升高，增加Ti含量組織更加細(xì)化，同時(shí)強(qiáng)度提高。

關(guān)鍵詞：低合金高強(qiáng)鋼；連續(xù)退火；析出相；Nb、Ti元素

低合金高強(qiáng)鋼由于具有較高的屈服強(qiáng)度、良好的焊接性能、高的斷裂韌性以及低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和良好的冷成形性能［1］，廣泛應(yīng)用于橋梁、船舶、車輛、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。

在低合金鋼生產(chǎn)過程中，一般添加Nb、Ti等微合金元素以獲得更好的力學(xué)性能［2］，與此同時(shí)，退火工藝也會(huì)對(duì)材料的晶粒尺寸、析出相、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。本研究通過添加不同含量的Nb、Ti，并進(jìn)行不同工藝下的退火模擬，研究成分、退火工藝對(duì)低合金鋼組織和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表1所示。G固定C、Si、Mn等元素含量，分別添加0.036Nb+ 0.02Ti0.034Nb+0.04Ti元素進(jìn)行微合金化。按照表1化學(xué)成分采用50 Kg真空感應(yīng)爐冶煉，經(jīng)熱軋、酸洗、冷軋后得到1.5 mm厚度冷軋板。最后利用MULTIPAS連退模擬器在760 ℃、780 ℃和800 ℃下進(jìn)行連續(xù)退火處理，具體連退工藝如表2所示。退火完成后，對(duì)試樣力學(xué)性能進(jìn)行檢測，同時(shí)利用金相觀察分析不同工藝試樣的組織，并對(duì)析出相進(jìn)行TEM觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 退火工藝對(duì)低合金鋼組織的影響

冷軋后按照表2工藝對(duì)試驗(yàn)鋼A、B進(jìn)行連續(xù)退火處理，采用4%硝酸酒精進(jìn)行侵蝕得到的金相形貌，所得結(jié)果如圖1所示。從中可以看出，對(duì)試驗(yàn)鋼A、B，經(jīng)連續(xù)退火處理后，雖然退火溫度不同，但試驗(yàn)鋼的組織都是不規(guī)則的鐵素體組織，并有少量的滲碳體和析出相分布在鐵素體晶界處；同時(shí)在鐵素體晶粒內(nèi)部有大量析出相生成。對(duì)鐵素體晶粒尺寸進(jìn)行分析，三種退火溫度下材料的晶粒尺寸都較小，約為幾微米，這是由于Nb、Ti在鐵素體晶界處與C、N等生成碳氮化物，對(duì)晶界、亞晶界的遷移起到釘扎作用，使得晶粒細(xì)化［3］。隨著退火溫度的增加，材料中鐵素體晶粒尺寸變化不大。對(duì)比試驗(yàn)鋼A、B在相同退火溫度下的組織可以發(fā)現(xiàn)，由于試驗(yàn)鋼B中Ti元素含量更高，晶粒細(xì)化作用更加顯著，使得其組織晶粒尺寸更加細(xì)小。

利用TEM對(duì)試驗(yàn)鋼A、B在760℃退火工藝下的析出相進(jìn)行形貌觀察和能譜分析，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)鋼A、B鐵素體晶粒內(nèi)部都含有大量的彌散析出相，其中有0.1 μm左右直徑的大析出相和直徑只有10 nm左右的細(xì)小析出相［4］。較大的析出相相對(duì)較少，主要以矩形或近球形為主；較小的析出相數(shù)量較多，主要為球形或顆粒狀分布，其強(qiáng)化作用的主要是此類析出相。對(duì)析出相進(jìn)行能譜檢測，發(fā)現(xiàn)存在NbTi元素，因此可以認(rèn)為析出相為NbTi析出相。方形大尺寸析出相，主要為TiN；圓形小尺寸析出相NbC。TiN析出相尺寸較大，應(yīng)為凝固過程中形成的大顆粒的TiN（100 nm左右），而后NbC以TiN為核心形成或獨(dú)自形核長大。對(duì)比試驗(yàn)鋼A、B析出相可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼B析出相數(shù)量更多，且大尺寸析出相的尺寸更大。這是由于試驗(yàn)鋼B中Ti元素含量更高，能夠形成更大尺寸的TiN析出。

2.2 退火工藝對(duì)低合金鋼力學(xué)性能的影響

對(duì)試驗(yàn)鋼A、B不同溫度下退火得到的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，所得力學(xué)性能如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，不論是試驗(yàn)鋼A還是試驗(yàn)鋼B，隨著退火溫度從760 ℃增加到800 ℃，實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均顯著降低，屈服強(qiáng)度分別從622 MPa、629 MPa降低到539 MPa和578 MPa，抗拉強(qiáng)度分別從653 MPa、657 MPa降低到585 MPa和616 MPa；伸長率則逐漸增大，A50分別由13%/9%提高至21%和15.5%。對(duì)比A試驗(yàn)鋼和B試驗(yàn)鋼性能，各工藝下試驗(yàn)鋼B強(qiáng)度均大于試驗(yàn)鋼A。

本實(shí)驗(yàn)中，細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化同時(shí)存在，Nb元素可顯著提高再結(jié)晶溫度、細(xì)化晶粒，Ti可以形成穩(wěn)定細(xì)小析出相，細(xì)化組織，提高力學(xué)性能。對(duì)試驗(yàn)鋼A和B而言，當(dāng)退火溫度提高后，晶粒尺寸變化不大，表明晶粒細(xì)化的強(qiáng)化作用基本不變；而Nb、Ti在試驗(yàn)鋼中生成的大量彌散的析出相對(duì)材料的性能有較大影響，因此可以認(rèn)為退火工藝通過影響NbTi碳氮化物析出相的析出狀態(tài)（數(shù)量和尺寸）來控制材料的服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及伸長率等力學(xué)性能。

試驗(yàn)鋼B組織較A試驗(yàn)鋼鐵素體組織更加細(xì)小，因而細(xì)晶強(qiáng)化作用更加顯著；同時(shí)試驗(yàn)鋼B析出相數(shù)量更多，具有更強(qiáng)的析出強(qiáng)化效應(yīng)。這些細(xì)小彌散的析出相通過與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，提高了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙度，從而使材料強(qiáng)度增大［5］。

3 結(jié)論

1）通過添加NbTi元素得到低合金鋼組織為鐵素體基體+滲碳體，晶粒尺寸較小且隨退火溫度的增加變化不大，增加Ti元素含量晶粒尺寸更加細(xì)化。

2）實(shí)驗(yàn)鋼內(nèi)部出現(xiàn)100 nm和10 nm左右兩種不同尺寸的TiNb（C，N）析出相，增加Ti元素含量析出相的數(shù)量增加。

3）隨著退火溫度的增加，實(shí)驗(yàn)鋼材料屈服強(qiáng)和抗拉強(qiáng)度降低而延伸率升高，增加Ti元素含量可獲得更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

［1］ 11 M Niikura，M．Fujioka，y Adachi．New concepts for ultra re／inement of grain size in super metal project［J］．J．Mater．Pro．Techno．，2001，1 17（3）：341．346．

［2］ Chapa M，Medina S F，L6 PEZ V，et al. Influence of Al and Nb on optimun Ti / N ratio in controlling austenite grain growth at reheating temperatures［ J ］. ISIJ Int. ，2002，42（11）：1288-1296.

［3］ 劉浩，陳曉，李平和，等. Nb-Ti微合金高強(qiáng)度鋼1.5mm冷軋板退火組織和第二相析出行為［J］. 特殊鋼， 2006，27（3）：16-28.

［4］ 張鵬程，武會(huì)賓，唐獲，等. Nb-V-Ti和V-Ti微合金鋼中碳氮化物的回溶行為［J］. 金屬學(xué)報(bào)， 2007，43（7）：753-758.

［5］ A.J Craven， K He， L.A.J Garvie， et al. Complex heterogeneous precipitation in titanium–niobium microalloyed Al-killed HSLA steels--II. Non-titanium based particle［J］. 2000，48（15）：3869-3878.