Ti微合金化对3.5Ni钢低温韧性的影响

李建华，吴开明，邱金鳌

（1.武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北武汉，430081；2.武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北武汉，430080）

Ti微合金化对3.5Ni钢低温韧性的影响

李建华1，2，吴开明1，邱金鳌1

（1.武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北武汉，430081；2.武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北武汉，430080）

利用光学显微镜和透射电镜观察不同Ti含量3.5 Ni钢试样的组织及析出物，并通过测定其－80～－120℃的夏比冲击功来研究Ti微合金化对3.5Ni钢低温韧性的影响。结果表明，与0.042Ti试样相比，0.079Ti试样在热轧态和正火＋回火态时晶粒大小相同，但其热轧态组织中珠光体细化，且正火＋回火态组织中TiN数量增多，平均尺寸约为150 nm；正火＋回火处理后，0.079 Ti试样在－80～－120℃的夏比冲击功为233～23 J，均低于0.042Ti试样相应值（234～66 J）；对于正火＋回火态试样，较粗大TiN粒子的析出是造成其低温韧性降低的主要原因。

3.5Ni钢；Ti微合金化；珠光体；TiN；低温韧性

3.5Ni钢是一种低温压力容器用钢，工作温度为－80～－101℃，因其制造成本低、力学性能优良，被广泛应用于能源、化工等行业［1］。但3.5Ni钢在低于转变温度或脆性状态下使用时，在较低应力作用下即会发生脆性破坏。因此，对于低温钢，除要求一定的强度外，还要求有足够的低温韧性。低温韧性是衡量3.5Ni低温钢性能的重要指标。

在降低碳含量的前提下，通常需要在钢中加入一定量的微合金元素，利用微合金元素在钢中的晶粒细化和沉淀强化作用，实现其强韧性的良好配合［2］。与Nb和V微合金化相比，Ti微合金化的应用相对较少［3］，其主要原因有：①Ti的性质活泼，易与钢中的O、S和N等杂质元素结合形成尺寸较大的化合物，它们既不能细化晶粒，也不能起到沉淀强化作用，故钢中O、S和N元素含量波动即会导致产品性能波动；②TiC的析出对温度和冷却速度较敏感，容易造成钢板不同部位力学性能的波动。然而，钛铁价格相对低廉，采用Ti微合金化能大幅降低生产成本，同时在焊接过程中细小的TiN粒子可以阻止焊接热影响区晶粒的粗化，降低材料的韧性损失［4］。本文通过分析Ti微合金化3.5Ni低温钢热轧态试样的组织变化和正火＋回火态试样的微观组织结构以及第二相的析出行为，测定其不同温度下的冲击功，来研究Ti对3.5Ni钢低温韧性的影响，以期为Ti微合金化3.5Ni低温钢的研制提供参考。

1 实验

试验钢采用含基本成分的3.5Ni钢，调节其中Ti元素的含量，利用工业纯铁冶炼、轧制而成，其工艺流程为：50 kg真空感应电炉冶炼→铸锭→铸锭于1 250℃均热→在500 mm两辊轧机上进行奥氏体再结晶和未再结晶轧制→快冷至Ar1温度→空冷。钢板厚度为14 mm，化学成分如表1所示。对钢板进行正火＋回火热处理，正火温度为860℃，保温15 min；回火温度为630℃，保温25 min。

表1 试验钢的化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of testing steels

采用Olympus PME3－3光学显微镜观察热处理后试样的组织（珠光体量用珠光体团数目与观察到的显微区域面积的百分比表示）；采用Tecnai G2 F20 S－TWIN场发射透射电镜（TEM）及能谱仪（EDS）观察析出相和分析析出物的成分；采用WE－60液压万能试验机和JB－30B冲击试验机分别对试样进行室温拉伸试验和低温冲击试验，冲击温度为－80～－120℃。

2 结果与分析

图1为热轧态时两种试样的光学显微组织。由图1中可以看出，两种热轧态试样的组织均为贝氏体＋铁素体＋珠光体；不同Ti含量试样的平均晶粒尺寸大小相当，晶粒度均为10级；Ti含量较高时，试样中珠光体（黑色箭头标记）的数量减少，试样中珠光体组织细化。计算可得0.042Ti和0.079Ti试样中珠光体量分别为2.26×10－3个／μm2和5.65×10－4个／μm2。

图1 热轧态试样的光学显微组织Fig.1 Optical microstructure of the as－rolled steels

图2所示为正火＋回火后两种试样的光学显微组织。由图2中可以看出，正火＋回火后两种试样的主要组织均为贝氏体＋铁素体，平均晶粒尺寸大小相当，晶粒度均为10级。

图2 正火＋回火态试样的光学显微组织Fig.2 Optical microstructure of the normalized and tempered steels

0.079Ti试样中析出粒子的TEM形貌（复型）和能谱分析如图3所示。由图3中可以看出，0.079Ti试样主要析出相为TiN，尺寸约为150 nm。而0.045Ti微合金化钢中析出物尺寸为几纳米至几十纳米［3］，0.042 Ti试样中析出粒子大小与之相当。

用JMatPro软件模拟0.042Ti和0.079Ti试样中第二相的析出曲线，结果如图4所示。由图4中可以看出，在较宽的回火温度范围内，Ti含量增加后，3.5Ni钢中析出物相含量增加；在630℃时，0.079Ti试样析出相含量约为0.042Ti试样的两倍。

0.042Ti试样和0.079Ti试样的力学性能如表2和图5所示。由表2中可以看出，0.079Ti试样的屈服强度ReL和抗拉强度Rm均略高于0.042Ti试样；延伸率A和断面收缩率Z均略低于0.042Ti试样。从图5中可以看出，在－80～－120℃温度范围内，0.079Ti试样的低温冲击功为233～23 J，均低于0.042Ti试样相应值。由此可见，增加Ti含量，3.5Ni钢强度略有提高，但其低温韧性明显降低。

图3 0.079Ti试样中析出粒子的TEM形貌（复型）和能谱图Fig.3 TEM morphology（carbon replica）and EDS pattern of the precipitated particle in the steel containing 0.079Ti

图4 不同Ti含量试样中析出相的含量Fig.4 Phase content of the precipitate in the steel containing different Ti contents

表2 室温拉伸试验结果Table 2 Results of tensile test at room temperature

图5 不同Ti含量试样的低温冲击功Fig.5 Low temperature impact energy of the steel containing different Ti contents

3 讨论

3.1 Ti对珠光体形成的影响

一方面，Ti是强碳化物形成元素，当Ti溶入奥氏体后能推迟珠光体的转变，降低珠光体长大速率；另一方面，由于Ti与3.5Ni钢中的S、N、O等具有很强的亲和力，微量Ti便能与S、N、O等作用形成高度弥散的高熔点粒子，这些粒子提供共晶团的核心，从而有利于增加共晶的团数、减小共晶团的球径并使共晶团的分布更均匀，即细化了共晶团；此外，Ti还能与Fe、C相互作用，改变碳化物的数量及分布，促进珠光体组织的细化［5］。

钢的脆性断裂强度主要取决于铁素体晶粒的大小，珠光体并无阻碍裂纹扩展的能力，但珠光体组织的细化能增大P（珠光体）／F（铁素体）相界面的面积，减少应力集中，一定程度上能提高材料的低温韧性［6－7］。本研究试样经正火＋回火处理后，没有出现珠光体组织，因此，从珠光体转变和细化的角度来看，Ti的含量对正火＋回火样品的韧性几乎无影响。不同Ti含量3.5Ni钢的韧性可能更多取决于其晶粒的大小和析出相的含量。

3.2 Ti对晶粒大小的影响

细晶强化是惟一脆化矢量为负值的有效强化方式，它在使材料强度升高的同时还使材料的脆性转变温度降低。在低温钢的开发过程中，细化晶粒是一种重要手段。含钛钢中的第二相粒子能细化晶粒，通常表现在［8］：

（1）延缓或抑制奥氏体再结晶。Ti元素的固溶塞积和拖拽作用以及钛的碳氮化物的析出，会显著延缓或抑制奥氏体的再结晶。Ti元素的这种作用是由于形变奥氏体晶内的位错排列或者回复的亚晶界被钉扎所致。

（2）阻碍晶粒的长大。Ti元素形成的高度弥散的第二相粒子，可以阻碍奥氏体晶界的迁移以及晶粒的长大。

然而Ti含量对细化晶粒作用不是无限的。当Ti含量较低时，Ti以Ti（C，N）的形式在奥氏体晶界析出；当Ti含量增加时，多余的Ti将依次在奥氏体中、相间和铁素体中以Ti（C，N）的形式析出；继续增加Ti含量，Ti以Ti（C，N）的形式完全在奥氏体中和相间析出，但由于Ti含量较高时其析出温度也较高，Ti（C，N）粒子容易长大和粗化，因而晶粒细化效果变差［8］。本研究中0.042Ti和0.079Ti试样热轧态和正火＋回火后晶粒大小均相当，韧性则主要取决于其析出相。

3.3 Ti对第二相析出的影响

Ti与钢中C、N具有很强的亲和力，Ti在钢中的析出物TiN、TiC等可以细化钢的组织和晶粒，从而提高钢的强度和韧性［9］。TiN的平衡析出温度较高，在凝固过程中会优先析出。图6所示为TiN在奥氏体中的溶解度积［10－11］。从图6中可见，在1 250℃均热过程中，已有TiN粒子从钢中析出；随着温度的降低，溶解度积减小，平衡状态下TiN的析出量增加。

图6 TiN在奥氏体中的溶解度积Fig.6 Diagram for TiN solubility in austenite

在回火过程中，析出相含量进一步增加，630℃时0.079Ti试样中析出相含量达0.09%（如图4所示）。当钢中Ti含量超过0.044%时，钢中易形成粒径为1～3μm的TiN夹杂物，TiN粒子粗大且分布稀疏时，不能有效地阻止晶粒生长，会对钢的韧性产生不利影响［12］。当w［Ti］／w［N］超过3.42时，TiN析出粒子粗化速度加快，粗大的TiN粒子容易造成应力集中，引发脆性断裂，导致试样的低温韧性急剧减小［13］。如前所述，0.079 Ti试样中析出物平均尺寸约为150 nm，与0.042Ti试样相比可知，其Ti含量增加后钢中析出粒子明显粗化。0.079Ti试样中较大尺寸TiN的析出是造成3.5Ni钢低温韧性下降的主要原因。

4 结论

（1）与0.042Ti试样相比，0.079Ti试样热轧态组织中珠光体细化，正火＋回火态组织中粗大的TiN粒子（平均尺寸约为150 nm）数量增加。正火＋回火后，从－80～－120℃，0.079Ti试样低温冲击功为233～23 J，均低于0.042Ti试样相应值。

（2）0.079Ti试样正火＋回火后，粗大的TiN粒子析出是造成3.5Ni钢低温韧性下降的主要原因。

［1］ 徐道荣，李平瑾.3.5Ni钢的热成形工艺试验研究［J］.材料工程，1999（3）：23－26.

［2］ Cohen M，Owen W S.New microalloying steel and its development［C］∥Microalloying 75.New York：Union Carbid Corporation，1977：2－8.

［3］ 毛新平，孙新军，康永林.薄板坯连铸连轧Ti微合金化钢的物理冶金学特征［J］.金属学报，2006，42（10）：1 091－1 095.

［4］ Lee J L，Pan Y T.Microstructure and toughness of the simulated HAZ in Ti and Al killed steels［J］.Material Science and Engineering A，1991，136：109－119.

［5］ 刘宏，郭荣新.铜－钛合金化球墨铸铁的研究与应用［J］.机械工程材料，2004，24（2）：41－44.

［6］ 翁宇庆.超细晶钢－钢的组织细化理论与控制技术［M］.北京：冶金工业出版社，2003：380－381.

［7］ Vaynman S，Chung Y W，Fine M，et al.Effect of Ti on charpy fracture energy and other mechanical properties of ASTM A 710 grade B Cu－precipitation strength steel［J］.Materials Science and Technology，2009，3（11）：1 625－1 632.

［8］ 康永林，傅杰，柳得橹，等.薄板坯连铸连轧钢的组织性能控制［M］.北京：冶金工业出版社，2006：146.

［9］ 许峰云，白秉哲，方鸿生.低合金高强度钢钛微合金化进展［J］.金属热处理，2007，32（12）：92－99.

［10］Joachim Kunze.Solubility of titanium nitride in delta iron［J］.Steel Research，1991，62（10）：430－432.

［11］Taylor K A.Solubility of products for titanium，vanadium，and niobium carbide in ferrite［J］.Scripta Metallurgica et Materialia，1995，35（1）：7－12.

［12］傅杰，朱剑，迪林，等.微合金钢中TiN的析出规律研究［J］.金属学报，2000，36（8）：801－806.

［13］Yan W，Shan Y Y，Yang K.Effect of TiN inclusions on the impact toughness of low－carbon microalloyed steels［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2006，37A：2 147－2 152.

Effect of Ti miroalloying on the low temperature toughness of 3.5Ni steel

Li Jianhua1，2，Wu Kaiming1，Qiu Jin’ao1

（1.International Research Institute of Steel Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Research and Development Center，Wuhan Iron and Steel Corporation，Wuhan 430080，China）

The effect of Ti microalloying on the toughness of the cryogenic pressure vessel 3.5Ni steel was investigated by examining the microstructure and precipitates of the steel using optical microscopy and transmission electron microscopy and by measuring the charpy impact energy from－8 0℃to－120℃.The results show that the steel containing 0.079%Ti has the same average grain size with the steel containing 0.042%Ti，but has fewer pearlite in the as－rolled steel and more coarse TiN particles（the average size about 150 nm）in the normalized and tempered steel than the latter.The charpy impact energy of the steel containing 0.079%Ti has a lower level（233～23 J）than that of the steel containing 0.042%Ti（234～66 J）.In the normalized and tempered steel，a large number of coarse TiN results in a decrease in the low temperature toughness.

3.5Ni steel；Ti microalloying；pearlite；TiN；low temperature toughness

TG111；TG142

A

1674－3644（2012）03－0169－05

［责任编辑 郑淑芳］

2011－10－31

国家自然科学基金重点项目（50734004）.

李建华（1966－），男，武汉科技大学博士，武汉钢铁（集团）公司研究院教授级高级工程师.E－mail：jianhua－li＠163.com

吴开明（1966－），男，武汉科技大学教授，博士生导师.E－mail：wukaiming2000＠yahoo.com