低碳微合金钢中钒的替代研究

万荣春

（渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛125105）

低碳微合金钢中钒的替代研究

万荣春

（渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛125105）

通过对含钒和不含钒试验钢的显微组织分析和力学性能测试，研究了低碳微合金钢中以铌代钒的可行性。试验结果表明，在低碳微合金钢中以铌代钒具有可行性。铌可以通过细晶强化、析出强化和相变强化等作用，保证以铌代钒后试验钢的力学性能，同时还能降低屈强比、改善焊接性能和轧制织构，并具有一定的经济效益。

低碳微合金钢；显微组织；钒

低碳微合金钢是目前低合金高强度钢（HSLA钢）研究的热点问题之一。HSLA钢广泛应用于能源开发、基础设施建设、机械制造等领域。因此，低碳微合金钢除了要有高的强度和良好的韧性外，还要求具有良好的焊接性能和低的屈强比。铌、钒和钛是微合金钢中最常用的合金元素。钒在微合金钢中的主要作用就是析出强化，但这势必会对钢的焊接性能和屈强比产生不利影响。铌在钢中有细晶强化、析出强化和相变强化等作用，可以弥补去钒后钢的性能损失，从理论上可以实现在低碳微合金钢中以铌代钒的目的。另一方面，以相对低含量的铌替代高含量的钒，可以产生显著的经济效益。

本文以两种含钒和不含钒的低碳微合金钢作为试验钢，通过显微组织分析和力学性能测

试，研究在低碳微合金钢中以铌代钒可行性。此外，还对以铌代钒的经济效益进行测算。从而为铌微合金化理论在其他钢种的应用提供力学性能和经济效益上的依据。

1 试验材料与方法

试验钢的具体化学成分如表1所示。V20钢为以铌代钒前的成分，其中钒的含量为0.02%，Nb30钢为以铌代钒后的成分，其中钒的含量降为0，铌的含量增加0.004%。试验钢经熔炼、浇铸，最后热轧成20 mm厚的板材。

表1 试验钢的化学成分 （质量分数，%）

对轧制后的板材进行取样，沿轧制方向将试样磨平、抛光，用4%的硝酸酒精浸蚀。最后用配备有Image-Pro Plus软件的Leica DMRD正置式光学显微镜进行试样显微组织观察和分析，并利用JSM-7600F扫描电子显微镜对组织的精细结构进行观察。

对轧制后的板材进行取样，制成标准拉伸试样（GB/T228-2002），在SHIMADZU-100 kNA材料试验机上进行力学性能测试，拉伸速率为10-3s-1。此外，还将轧制后的板材制成标准V型缺口试样（GB/T229-2007），在JB-300手动冲击试验机上进行低温冲击韧性测试，测试温度为0℃。每个数据点代表3个平行试样的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

如图1所示为试验钢以铌代钒前后的显微组织。V20钢的组织如图1（a）所示，主要为铁素体＋珠光体，白色区域为铁素体组织，黑色区域为珠光体组织，几乎很少发现贝氏体。从图1（b）可以看到Nb30钢（以铌代钒后）的组织主要为铁素体＋珠光体。此外，在Nb30钢中还可以发现少量贝氏体组织（图1（b）中标示为B）。高倍扫描电镜下贝氏体与珠光体形貌的区别如图2所示。从图可见珠光体为层片结构，贝氏体则与以往所观察到的形貌基本一致，由不连续的碳化物和贝氏体铁素体板条构成。Nb30钢中贝氏体增多，说明在钢中提高铌含量，可以促进贝氏体等中低温组织的形成。对比图1 （a）和（b），可以发现Nb30钢组织的晶粒尺寸明显小于V20钢。分别对V20和Nb30钢的组织中的铁素体进行晶粒尺寸测定，V20钢铁素体晶粒的平均截距为5.1 μm，Nb30钢铁素体晶粒的平均截距为3.7 μm。这表明在钢中添加铌，可以起细化组织的作用。

图1 试验钢的显微组织

图2 试验钢的扫描电镜照片

此外，通过对比图1（c）和（d），可以发现V20钢中存在明显的带状组织。而以铌代钒成分调整后，Nb30钢中的带状组织现象明显减

弱。这说明以铌代钒的成分调整可以有效地抑制带状组织的出现。在钢中常出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织，称为带状组织。带状组织使钢性能变坏，特别是使横向的塑性、韧性降低。

2.2 力学性能

如图3所示为试验钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和屈强比的平均值对比。从图3中可以看到Nb30钢相对于V20钢，屈服强度有25 MPa左右的降低，但抗拉强度（相差不到1 MPa）和断后伸长率（相差约1%）基本变化不大。同时屈服强度的降低意味着屈强比的降低，从图3（b）可以看出Nb30钢相对于V20钢，屈强比降低0.043，达到0.773。这可以大大改善低碳微合金钢的成型性能和抗震性能。通常建筑结构用钢要求有良好的抗震性能，即屈强比不大于0.8。

图3 试验钢的力学性能

如表2所示为Nb30钢随机抽取热轧板卷进行力学性能测试所得的平均值。由于J55钢是Nb30钢的目标钢种之一，表2中还列出了J55钢用户要求的力学性能。从表中可以看出，各个板卷的屈服强度纵向平均值为455.0 MPa，抗拉强度纵向平均值为588.8 MPa，伸长率纵向平均值为35.8%，0℃冲击吸收能量在横向达到49.8 J，在纵向达到108.0 J。尽管以铌代钒后的Nb30钢屈服强度有所下降，但Nb30钢完全可以满足用户在力学性能上的要求，且接近上限。

铌在试验钢中的主要作用：一是抑制热轧过程中再结晶的进行，实现细晶强化；二是在过冷奥氏体转变时，促进贝氏体的形成获得双相或多相组织实现相变强化；此外，在热轧后冷却过程中析出铌的碳氮化物实现析出强化。钒在试验钢中的主要作用是在热轧后冷却过程中析出钒的碳氮化物实现析出强化。铌可以通过细晶强化、相变强化和析出强化弥补去钒后失去的钒的析出强化，使以铌代钒后低碳微合金钢的力学性能得到保证，实现以少量的铌替代大量的钒。此外，由于铌可以促进贝氏体等转变形成双相或多相组织，使试验钢的屈服强度略有降低，而抗拉强度维持不变，屈强比由0.815降到0.773，从而改善低碳微合金钢的成型性能和抗震性能。

表2 Nb30钢的力学性能

经过以上试验研究表明，在低碳微合金钢中以铌代钒是可行的。在组织上，以铌代钒后，试验钢组织中除了铁素体＋珠光体，还出现少量贝氏体，且铁素体晶粒的平均截距由5.1 μm降低为3.7 μm，组织得到细化。此外，以铌代钒的成分调整可以有效地抑制带状组织的出现。力学性能上，以铌代钒后，尽管屈服强度有25 MPa左右的降低，但抗拉强度和断后伸长率基本保持不变，还有良好的低温冲击性能和低的屈强比，力学性能完全能达到标准和用户要求，且有很大的富余。焊接性能上，根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式（CE＝C＋Mn/6＋（Ni＋Cu）/15＋（Cr＋Mo＋V）/5），在钢中不添加钒可以明显改善焊接性能。经济效益上，去掉0.02%的钒，每吨钢降低成本36元（2013年12月FeV50价格：9万元/吨）；增加0.004%的铌，每吨钢增加成本13元 （2013年 12月FeNb60价格：19.5万元/吨）；合计每吨钢可以降低成本23元。如果该钢种在钢厂产量为5 000吨/月，便可降低生产成本10.6万元/月。此外，铌的价格相对稳定，FeNb60价格一直保持在20万元/吨左右，钒的价格一直波动很大，FeV50价格在2008年金融危机前一度超过40万元/吨，相对此时以铌代钒的经济效益更为明显。

3 结论

铌可以通过细晶强化、析出强化和相变强化等作用，保证以铌代钒后试验钢的力学性能，同时还能够降低屈强比、改善焊接性能和轧制织构。

低碳微合金钢中以铌代钒具有可行性，并可以降低钢的生产成本，具有一定的经济效益。

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［责任编辑：刘 月］

Study on the Replacement of Vanadium in Low-carbon Micro Alloyed Steel

WAN Rongchun
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Huludao 125105,China)

This article studied the feasibility of niobum in replacement of vanadium in low-carbon micro alloyed steel by mechanical property tests and microstructures analysis carried out on two kinds of steels micro alloyed with V and without V.The results showed that it has the feasibility to use Nb in replacement of V in low-carbon micro alloyed steel by tensile through the grain-refinement strengthening,precipitation strengthening and phase transformation strengthening by Nb.And it can guarantee the mechanical properties of the niobium vanadium steel test,reduce the yield ratio,improve weldability and rolling texture,and have a certain economic benefits.

low-carbon micro alloyed steel;microstructure;vanadium

TG142.2

A

2095-5928（2014）04-32-03

2014-01-10

万荣春（1981-），男，浙江衢州人，讲师，博士，研究方向：金属材料组织结构与力学性能。