600 M Pa级钛微合金化高强钢的组织与性能研究

2010-09-14王建锋李光强温德智肖爱达

武汉科技大学学报 2010年6期

王建锋,李光强,温德智,肖爱达,,邓深

(1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081; 2.涟源钢铁集团有限公司技术中心,湖南娄底,417009; 3.柳州钢铁集团公司技术中心,广西柳州,545002)

王建锋1,李光强1,温德智2,肖爱达1,2,邓深3

采用光学显微镜、透射电镜以及能谱分析等对转炉CSP流程600 MPa级钛微合金化高强钢的组织及性能进行研究。结果表明,试验钢具有良好的综合力学性能,其典型组织为多边形铁素体加粒状贝氏体;位错和位错胞的强化作用成为钛微合金钢的主要强化机制之一;钢中M/A岛在增加试验钢强度的同时并未明显降低其韧性和塑性;试验钢中存在TiN、TiC和TiS等析出物,为钢的细晶强化和析出强化提供了保证;试验钢中存在大量纳米级铁碳析出物,其沉淀强化作用不容忽视。

钛;微合金钢;析出物;组织;性能

微合金钢是具有高性能的新型低合金高强度钢,其采用铌、钒、钛进行微合金化,以晶粒细化和析出强化为主要强韧化机制[1]。与铌、钒相比,钛微合金化的成本最低[2],我国钛资源总量为9.65亿t,占世界总量的38.85%,研究和发展钛微合金钢可以发挥我国的资源优势[3]。由于 Ti的化学活性很大,微Ti与N、O、S等形成稳定化合物,可改善钢板韧性和焊接性能。当Ti含量较高时,钢材在轧制过程中析出的 Ti(C,N)通过阻止奥氏体晶粒长大而细化铁素体晶粒,在冷却和卷取过程中析出的 TiC具有较强的沉淀强化作用[4-5]。

涟源钢铁集团有限公司(以下简称涟钢)结合转炉CSP流程的设备和工艺特点,在不显著增加成本的基础上,开发出综合性能优良、屈服强度在600 M Pa级以上的钛微合金化高强钢系列产品。本文针对涟钢试制的转炉CSP流程600 M Pa级钛微合金化高强钢,对其组织、性能及析出物进行分析研究,以期为拓展钛微合金钢的应用范围提供依据。

1 试验材料与方法

涟钢钛微合金化高强钢采用低碳(w(C)< 0.05%)、高锰、低硫(w(S)<0.003%)、高钛、低铌或者不加铌的微合金化方案,其成分及力学性能如表1所示。从表1中可以看出,试验钢具有良好的综合力学性能,且随着钛含量的增加,其强度也在提高。

表1 试验钢的化学成分及力学性能Table 1 Chem ical compositionsand mechanical properties of test strips

试验钢的生产工艺流程为:优质铁水和废钢→转炉冶炼→氩站吹氩→钢包炉精炼→薄板坯连铸→均热→控制轧制→层流冷却→卷取。试验钢的轧制工艺参数如表2所示,通过控制开轧温度、道次变形量、终轧温度和卷取温度,使试验钢获得最佳组织。在轧制过程中,尽量加大F1、F2机架变形量,提高开轧温度,使铸造粗大奥氏体组织尽可能发生再结晶。同时,利用机架间冷却和道次变形量的合理分配,使试验钢组织完成枝晶再结晶细化后,在未再结晶区实施充分变形,使奥氏体扁平化,以提高奥氏体有效晶界面积。通过加速冷却和卷取,实现晶粒细化和组织均匀化,卷取温度为600℃左右时,组织中的沉淀析出物质点最为细小,可起到最大的沉淀强化作用[6]。

表2 试验钢的轧制工艺参数Table 2 Rolling parameters of test strips

采用光学显微镜观察试验钢的显微组织,利用定量金相技术测定铁素体晶粒尺寸;制取薄膜金属样及碳复型样品,采用附带OXFORD INCA能谱仪的JEOL JEM-2100F场发射透射电镜观察与分析试验钢的精细组织及析出物。

2 结果与讨论

2.1 光学显微组织

图1为在光学显微镜下观察到的试验钢板纵截面距离边部1/4厚度处的显微组织。从图1中可以看出,试验钢组织均由多边形铁素体+粒状贝氏体+少量M/A岛+极少量的细微珠光体组成,组织中没有大块残余奥氏体和马氏体组元。试验钢晶粒均匀细小,3个试样的晶粒尺寸差别不大,晶粒度为11.5～12级。

2.2 位错组态及亚结构

图1 试验钢的金相组织Fig.1 M icrostructures of test strips

位错强化是金属材料最有效的强化方式之一,晶体中的位错达到一定程度后,位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力,可有效提高金属强度。采用透射电镜对试验钢的组织进一步观察,结果如图2所示。从图2(a)中可以看出,组织中位错线很长,贯穿整个晶粒,有缠结在一起的倾向,位错密度较高,并且在位错线的周围有大量细小沉淀析出物粒子。从图2(b)中可以看出,组织中位错密度很高,这些位错互相缠结、分布混乱,有些地方已经形成较为完整的位错胞界并且排列较为齐整。从图2(c)中可以看出,片状铁素体晶粒具有高密度位错并排列成束,每束包括5片以下铁素体晶粒,并且沿铁素体晶粒的方向稍微延长,每片铁素体晶粒长为2～5μm,宽为0.5～1μm,同一束中铁素体晶粒具有几乎相同的晶体取向,束之间的晶界为亚晶界,不同的束具有不同的晶体取向,束的边界为大角度晶界。

图2 试验钢的位错组态Fig.2 Dislocation configurations of test strips

通过对位错强化问题进行理论分析可知,从位错、位错胞到亚晶和晶界,它们之间的作用是相互联系和相互影响的[7]。位错密度很低时,仅需考虑晶界的作用;位错密度很高时,主要考虑位错或位错胞结构的作用;当这些位错重新排列成发达的亚晶时,亚晶内部的位错密度会相当低,这时主要考虑亚晶的作用;而当位错或亚结构与晶界的作用大致相当时,就要通过均方根叠加来计算它们对强度的总影响。位错和位错胞的强化作用已成为钛微合金化钢的主要强化机制之一。

2.3 马氏体-奥氏体组织

图3为采用透射电镜观察到的试验钢中M/ A岛的微观形貌。从图3(a)中可以看出,小岛形状狭长而不规则,与片状铁素体近似平行分布,尺寸为几十纳米至几百纳米不等。从图3(b)中可以看出,残留奥氏体与马氏体交错分布构成M/A岛,黑色部分为马氏体,部分出现孪晶组织。在M/A岛内首先形成的马氏体片分割了残留奥氏体,不同阶段形成的马氏体片具有不同的尺寸和方向,当它们逐渐生长后发生相互作用,在马氏体片内形成形变孪晶[8]。

图3 试验钢的M/A岛形貌Fig.3 Morphologies of M/A island of test strips

微合金钢中的M/A岛是低碳贝氏体钢的一个重要组织特征,其含量、形状、尺寸及分布等对钢材性能都有影响[9]。适当提高 M/A岛的体积分数可以提高钢材的强度,但 M/A岛太多又对材料韧性不利。当M/A岛体积分数一定时,细小分布的M/A岛组织能阻碍位错运动和疲劳裂纹的扩展,使钢材不易因应力集中而诱发裂纹,可提高其强度和DW TT值。文献[10]认为,虽然M/A岛为脆性组成物,对钢的韧性可能有不利影响,但均匀细小的M/A岛有利于改善钢板的韧性。因此,针状铁素体加少量细小的弥散分布M/A岛组织具有优良的韧性。在本文试验钢中形成的M/A岛主要受钢的成分和工艺的影响。首先,钢的含碳量直接影响到岛状物的相对数量,由于本文试验钢的含碳量相对较低,一定程度上减少了岛状组织的形成。其次,在热轧过程中采用了较大的冷却速度,这可以减小岛状物的相对数量及尺寸,有利于改善试验钢的韧性。另外, M/A岛在基体中是以不连续的方式分布,岛与岛之间具有一定的距离,由于中间是具有良好韧性的板条铁素体,裂纹更不易扩展,即不连续分布的M/A岛避免了裂纹连续扩展通道的形成,因此M/A岛在提高试验钢强度的同时并未明显降低其韧性和塑性[11]。

2.4 含钛析出物

钛微合金化钢中存在大量 TiN、TiC和Ti4C2S2等析出物[12]。在CSP工艺条件下,由于连铸薄板坯不经过γ→α及α→γ两个相变过程,而是直接进行在线连轧,因此在其热轧之前有高达80%的钛保持在奥氏体组织中[13],这为后续碳氮化物的析出提供了条件。图4为试验钢中典型析出物的TEM照片及对应的成分分析。它们是在不同阶段、不同温度下析出的,起的作用也各不相同。

图4(a)所示为尺寸相对较大的析出物,其尺寸为几百纳米至1微米。这些析出物是高温时在铸坯中形成的,经过轧制后保留在钢中,由于其颗粒尺寸较大,既不能阻止奥氏体晶粒长大,也不能起到沉淀强化作用。图4(b)所示为 TiC及 TiS析出,析出颗粒近似圆形,尺寸在十几纳米至几十纳米不等,其属于固相析出,分别在连铸及冷却、均热、连轧、层冷、卷取等阶段产生。这些粒子直径小而且数量多,将产生显著的沉淀强化作用。由于试验钢中含有微量微合金元素铌,因此在成分测定中也检测到含铌的析出物。

薄板坯凝固、冷却速度快的特点增加了 TiN形核的过冷度,显著提高了其形核率,析出粒子的长大时间短,粗化不明显,因此采用薄板坯连铸连轧工艺生产的钛微合金化高强钢中 TiN粒子更加细小,可以成为阻止晶粒长大的有效质点[14]。薄板坯连铸连轧的总压缩比虽然较小,但变形速率却大于传统工艺,且道次变形量大,层流冷却使带钢迅速降温,位错线上形核沉淀的微合金碳氮化物能钉扎位错线以及有效阻止形变奥氏体的再结晶,也能阻止奥氏体晶粒粗化,并且这些质点尺寸细小、弥散分布 ,能阻止位错移动 ,通过Orawan机制可以起到明显的沉淀强化作用,这也是钛微合金化高强钢强度提高的主要机制。

图4 试验钢析出相的TEM照片及其能谱Fig.4 TEM imagesand EDS spectra of precipitations in test strips

2.5 纳米铁碳析出物

通过RTO金属包埋切片微米-纳米表征法对试验钢板中铁碳析出物进行分析研究,主要检测过程为:试样电解→超声波清洗阳极泥→淘洗磁分离→洗涤烘干→称重→夹杂物组成检测,铁碳析出物的形貌及 EDS能谱如图5所示。从图5中可以看出大量棒状析出物,其长度为几十纳米至几百纳米不等,能谱分析表明其主要是铁的碳化物及氧化物。文献[15]认为此类碳化物为三次渗碳体,文献[16]认为纳米级铁碳化物在钢中可能起沉淀强化作用,因此在讨论微合金钢强化作用机理时不应忽视纳米级铁碳析出物的贡献。

图5 铁碳析出物的形貌及EDS能谱Fig.5 Morphology and EDS spectrum of iron-carbon precipitations

3 结论

(1)试验钢的典型组织为多边形铁素体+粒状贝氏体+少量M/A岛+极少量的细微珠光体,晶粒度为11.5～12级。

(2)试验钢组织中位错密度较高,这些位错互相缠结、分布混乱,有些已形成较为完整的位错胞界,位错和位错胞的强化作用是钛微合金化钢的主要强化机制之一;试验钢中的M/A岛在提高其强度的同时并未明显降低其韧性和塑性。

(3)试验钢中存在大量TiN、TiC和 TiS析出物,为细晶强化和析出强化提供了保证。细小、弥散分布的析出物能阻止位错移动,通过O rawan机制起到明显的沉淀强化作用,这是钛微合金化钢强度提高的主要机制。

(4)试验钢中存在大量纳米级铁碳析出物,其对钛微合金化钢也有一定的强化作用。

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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

1674-3644(2010)06-0561-05

[责任编辑尚晶]

2010-06-06

湖北省自然科学基金创新群体资助项目(2008CDA 010).

王建锋(1979-),男,武汉科技大学博士生.E-mail:agw jf@163.com

李光强(1963-),男,武汉科技大学教授,博士生导师.E-mail:ligq-wust@w ust.edu