低合金高强度钢中铌的析出对高温塑性的影响

2012-09-07范植金

武汉工程职业技术学院学报 2012年4期

徐志范植金黄静

（武汉钢铁（集团）公司研究院湖北武汉：430080）

0 引言

铌是一种微合金元素，常应用在低合金高强度钢中。采用TMCP技术生产含铌钢，钢中析出的微小铌的碳（氮）化物，可细化钢的组织，获得强度高韧性好的钢材。但在连铸过程中，由于钢中细小的碳氮化物析出，使钢的高温塑性发生很大的变化，可能导致铸坯表面的裂纹缺陷，尤其是横裂纹、角横裂极易发生，严重影响铸坯的表面质量。

有研究［1］指出，含铌钢在连铸过程中，0.01%的铌就会诱发裂纹的出现。在连铸过程中，NbN、Nb（C，N）的析出引起钢组织的脆化，是铸坯易产生裂纹的内在原因，而在钢的脆性温度区间对铸坯进行矫直是造成裂纹的直接原因。

本文进一步研究了铌微合金化低合金高强度钢中的碳（氮）化物析出与高温塑性的关系。

1 实验室试验及结果

1.1 拉伸试验

在Thermecmastor－Z热模拟试验机上进行拉伸试验。试样取自方坯，化学成分见表1，试样规格Φ6mm×140mm。首先将试样加热到1300℃保温5min，然后每间隔50℃冷却到不同的温度、并以0.01／s变形速率进行拉伸，直到将试样拉断。拉伸完成后将试样冷却至室温，然后观察试样断口并计算断裂后的横截面积和断面收缩率。

表1 试样化学成分（wt%）

图1 高温拉伸变形面缩率

1.2 加热温度对铌析出物的影响

对表1成分的钢试样进行奥氏体化，先将试样加热到1300℃保温5分钟，然后以5℃／s的冷却速度分别冷却到900℃、1000℃、1100℃、1200℃，保温5min后水淬。然后采用二次复型法，在JEM－2000FXⅡ型透射电镜观察析出相，分析结果见表2和图2。

表2 铌的析出物

图2 析出物电镜照片

2 分析与讨论

（1）从图1曲线看到，在1050～1200℃温度范围内，铌钢的拉伸性能曲线呈现为一个平台，面缩率数值大于90%，塑性值很高。当温度区间向两边扩展到950℃和1250℃时，面缩率稍有降低（到80%）仍然良好。当温度继续下降t＜950℃时，面缩率曲线加速下降，在t＜900℃时曲线呈现一个75°的陡峭坡度。在800℃时面缩率下降到最低20%。在高温端，当加热温度大于1250℃时，含铌钢的面缩率开始下降，1300℃时面缩率下降到45%。

这种情形与一些学者的研究［1］（见图3）是一致的。与C－Mn钢相比，含铌钢的延展槽形状加宽加深，即塑性（面缩率）降低，延展槽的位置向高温端扩展。

图3 铌钢热塑性曲线

（2）电镜观察发现，温度从高到低（1300℃降至900℃），Nb的析出物从无到有，逐渐长大，数量逐渐增多（见表2）。采用INCA能谱仪对析出相进行分析发现，在1250℃时析出的为TiNb（CN）细小颗粒物（见图4）。它的形状为方形，数量很少，尺寸小于50nm。在温度t≤1150℃时析出的是NbC（见图5）。从1150℃降至900℃，NbC析出物颗粒逐渐长大，尺寸从40nm长大到200nm以上，颗粒形状呈球状。

观察发现，当温度从1100℃升至1250℃，析出物分布在晶粒内部。当降低到1000℃以后，析出物有少量沿晶界分布。900℃时，析出物大量沿晶界均匀分布。

由于Ti在钢中的固溶度最小，通常在较高温度率先析出。实验中在1250℃观察有TiNb（CN）的析出，形状呈立方形。这种析出物，应是在早先析出的TiN立方体的核心颗粒表面上，附着析出NbC形成的。由于钢中Ti的含量极少，因此它的析出物很少。当温度继续下降，随后析出的是呈球状的NbC，数量大幅增加。这种情形与文献［2］的介绍是一致，温度低于950℃时，有大量的Nb（CN）析出，900℃时析出量达到最大，析出物的形貌为点状或球状。

（3）钢的高温塑性，与组织的特征有关［3］。当加热温度t≥1300℃时，钢中的铌几乎全部固溶在奥氏体中。这时奥氏体晶界处低熔点组元偏析大，奥氏体晶粒粗大，晶界应力集中，使钢的变形能力降低。在1250℃～1000℃区间，铌在奥氏体中的析出逐渐增加，析出物尺寸小（小于100nm）且分布在晶粒内部，这时钢的塑性良好。当温度下降低于1000℃后，析出物沿奥氏体晶界分布，尺寸长大最大可达到300nm。它削弱了晶粒之间的联系，形成了薄弱的沿晶低强度相，降低了钢的塑性。

图6是钢中铌的析出物尺寸与高温性能的关系。