析出相对Nb-V-Ti微合金钢显微组织和性能的影响*

庞启航　唐荻　赵征志　徐梅

(北京科技大学 冶金工程研究院， 北京100083)



析出相对Nb-V-Ti微合金钢显微组织和性能的影响*

庞启航唐荻赵征志徐梅

(北京科技大学 冶金工程研究院， 北京100083)

摘要：利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等仪器研究了不同Nb-V-Ti比例的微合金钢的显微组织与性能，重点研究了复合析出粒子的形貌和形成机理，并探讨了其对组织性能的影响.结果表明：在含0.15%Ti的试验钢中，同时添加少量Nb和V可以明显改善试验钢的塑性和韧性，其强度达到1 200 MPa级时，断后伸长率和-20 ℃冲击功分别为13%和102 J；复合析出相大致可以分成晶粒尺寸约为100 nm的大颗粒和晶粒尺寸约为35～50 nm的独立复合析出的(Nb,V,Ti)C两类，实验表明后者具有更好的析出强化效果.

关键词：复相钢；微观组织；复合析出相；析出强化

高强钢中最常添加的微合金元素是Nb、V、Ti，再结合控轧控冷工艺，通过第二相沉淀析出和细化晶粒来实现钢的强韧化[1- 2].由于Ti的化学性质活泼以及析出时对温度和冷却速度较敏感，因此目前对高Ti微合金化的研究只侧重于基体为铁素体的高强钢，且多为理论研究或实验室开发阶段[3- 6]，而通过Ti微合金化生产以马氏体、贝氏体或马贝复合组织为基体的高强钢的研究比较匮乏，且通常Ti的添加量比较低(质量分数一般小于0.1%). Funakawa等[7]设计了0.04C- 0.1Ti- 0.2Mo系的高Ti热轧高强钢，其抗拉强度只有780 MPa;谢辉等[8]设计了Ti含量为0.1%～0.17%(质量分数)的热轧高强钢，其抗拉强度也只有820 MPa.

目前关于Nb、V和Ti的碳氮化合物的析出机理研究比较成熟.有研究表明[9- 10]，全固溶温度比较高的TiN一般会在钢凝固过程中形成;Zajac等[11]指出，TiN质点极其稳定，纯TiN质点在再加热或热轧过程中既不粗化也不会溶解，能够起到强烈阻碍奥氏体晶界迁移的作用;V(C,N)的析出温度区间比较低，通常在精轧和轧后冷却阶段[12];黄耀等[13]通过建立(Nb,V)(C,N)复合析出模型，研究了析出物在奥氏体中的热动力学析出行为和熟化行为;Poths等[14]研究发现，Nb-Ti微合金钢中，NbC一般在奥氏体形变时析出，会以不规则形状依附于已析出TiN的表面继续析出长大.但是，关于高强钢中同时复合添加Nb、V和Ti的3种元素析出机理研究还不够深入，而且关于高Ti同时复合添加Nb和V的高强钢中的复合析出相对组织与性能的影响机理研究至今比较匮乏.因此，文中采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等仪器研究了复合添加不同比例Nb-V-Ti的高强复相钢在相同工艺下的组织与性能，同时深入研究了复合析出相形成机理，并探讨了其对组织性能的影响.

1实验

实验材料为Nb-V-Ti复合添加的C-Mn-Al-Si系钢，其化学成分如表1所示.试验钢在北京科技大学冶金工程研究院25 kg真空感应炉冶炼，然后将铸锭锻造成尺寸为80 mm×80 mm×50 mm的钢坯.将厚50 mm的钢坯在φ350 mm试验轧机上，经6道次轧制成厚4 mm的钢板，其轧制工艺和冷却制度为：将钢坯加热至1 200 ℃保温1 h，再经1 050～1 150 ℃粗轧，随后1 000 ℃时开始精轧，终轧温度为870 ℃，轧后以大于35 ℃/s的冷速水冷至350 ℃，然后放入电阻炉中保温1.5 h后随炉冷至室温模拟卷取.

表1　试验钢化学成分

从轧后的试验钢板中心部位切取金相试样，沿轧向将试样磨平、抛光，经4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后置于Zeiss Axiovert 40MAT型光学显微镜和LEO-1450型扫描电子显微镜下观察.根据GB/T 228—2002沿钢板轧向切取标距为50 mm的拉伸试样，在CMT4105型万能拉伸试验机上以1 mm/min的速度进行拉伸实验.冲击试样尺寸为4 mm×10 mm×55 mm夏比非标准试样(沿横向)，试验温度为-20 ℃.用线切割机从厚4 mm的热轧钢版上切取薄片，磨至厚50 μm，冲成直径为3 mm的圆片，然后电解双喷至穿孔，电解液为5%(体积分数)的高氯酸酒精溶液，双喷电压为35～45 V，最后在JEM-2100TEM型透射电子显微镜下观察试验钢的显微组织.经过研磨抛光及用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液侵蚀后的试样表面沉积一层碳膜，然后将碳膜划分成3 mm×3 mm的网格后放入体积分数为10%的硝酸酒精中侵蚀，待碳膜鼓起脱落后，用铜网捞取，放入去离子水中清洗后用铜网捞取沥干，而后用萃取复型试样来观察析出相的分布、形貌和尺寸.

2实验结果

2.1基体组织组成及形貌特征

相同工艺条件下，不同试验钢的显微形貌如图1所示.

图1　相同工艺条件下各试验钢的SEM图

Fig.1SEM images of tested steels under the same preparation process

由图1可以看出：1#试验钢的显微组织主要由板条贝氏体、块状马氏体和少量铁素体构成，且组织中弥散分布着细小的碳化物颗粒;板条间的界限清晰，板条的间距约为0.8～1.5 μm，但板条宽度的差异比较大，这可能是导致1#试验钢的塑性较差的原因.2#试验钢的显微组织主要由针状铁素体和少量马氏体，其平均晶粒尺寸约为3～4 μm;连续分布的针状铁素体呈片条状，因此当试验钢受力时，会减少应力集中和微裂纹的形成，从而提高塑性和韧性.3#试验钢的显微组织由板条贝氏体、块状马氏体和少量铁素体构成，其板条数量明显增多，板条形貌变得细小且短浅，板条间距约为0.3～1.1 μm，同时板条束间形成互锁结构，这种组织结构使裂纹在扩展过程中必定受到阻碍，从而有效提高3#试验钢的强韧性.4#试验钢晶粒比较粗大，其板条的数量比较少，这是因为所添加的析出元素Nb、V和Ti的含量比较少，析出强化效果不明显，即对晶界和位错钉扎作用不充分.

图2为4种成分试验钢的TEM组织形貌.1#试验钢的板条宽度为125～500 nm，宽度差异比较明显，且板条内部分布着大量位错(如图2(a)中红色虚线所示)，这些位错是由两种方式产生的，一部分位错是继承奥氏体在未再结晶区变形时产生的形变位错，另一部分位错是在冷却过程中发生贝氏体相变时形成的相变位错[15].因为位错密度越高，材料抵抗塑性变形的能力就越大，即材料的强度提高.与1#试验钢相比，2#试验钢的板条宽度有所增加(约为250～520 nm)，虽然板条内部位错密度有所降低，但板条周围的位错密度仍然比较高，如图2(b)所示.3#试验钢的板条宽度约为300 nm，且宽度值基本相差无几，板条界清晰可见，板条间分布着薄膜状或针状的残余奥氏体，如图2(c)中箭头所示.4#试验钢的板条组织界限不清晰，且位错密度降低明显，如图2(d)所示，这主要是因为析出粒子比较少，对晶界和位错钉扎作用不充分.

图2　各试验钢的TEM组织形貌

2.2析出相及形貌物特征

在制备工艺相同和成分相似的情况下，试验钢的组织与性能主要受析出相影响，因此用萃取复型样在JEM-2100TEM型透射电子显微镜下观察4种成分试验钢析出相的分布、形貌和尺寸.根据析出物的大小和形貌可以分成以下几类(如表2所示)：(1)析出物TiN，其尺寸在25～40 nm，析出形貌为方形，如图3(a)所示.因为TiN是面心立方(FCC)晶体，起始形核长大，为使总界面能保持最小，TiN粒子保持球形，随着TiN的长大，不同的晶面长大速度不同，表面能越低的晶面，长大速度越慢，FCC晶体在〈111〉方向上表面能最小，故{111}密排面最有可能是最终长大晶体的表面[16- 17]，最终以方形析出，此类析出物在1#试验钢中极易被观察到;(2)析出物(Nb,Ti,V)C，其尺寸约为35～50 nm，从EDX分析可见，析出物含有Nb、V和Ti 3种，三者的原子比Nb∶V∶Ti约为14∶17∶69，如图3(b)所示，这类析出物主要出现在复合添加了Nb、V和Ti的3#和4#试验钢中;(3)析出物V(C,N)，其尺寸约为20～35 nm，形貌特征为圆形，如图3(c)所示，在2#试验钢中发现大量此类析出物，这是因为2#试验钢中未添加Ti元素，N元素未以TiN的形式消耗，故可以与析出温度较低的V生成碳氮化钒，其高分辨透射相如图3(d)所示;(4)晶粒尺寸在100 nm以上的析出物，其心部和外部成分含量不同，在心部基本不含V元素，而在外部发现V含量明显增多，这是因为TiN在高温阶段先析出，在随后的析出过程中，NbC和VC等析出物在TiN界面以非均匀形核的方式继续析出，由此方形的TiN逐渐变成椭圆形，从而避免了方形尖角处的微应力集中，改善了试验钢的塑性，此类析出物主要在3#试验钢中出现.

表2　各试验钢的析出相特征

图3　各试验钢中析出相的形貌、能谱及高分辨透射影像

2.3力学性能

图4为不同成分复相钢的工程应力-应变曲线，其热轧后的力学性能如表3所示.

图4　各试验钢的工程应力-应变曲线

试验钢编号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率/%-20℃冲击功/J1#131112269802#11611060161153#12531099131024#10599551099

可以看出4种试验钢的应力-应变曲线均呈现连续屈服，1#试验钢的抗拉强度和屈服强度最大，但其断后伸长率和冲击韧性均比较差;2#试验钢的断后伸长率最大，但强度未能达到1 200 MPa级;3#试验钢的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及在-20 ℃的冲击功等性能均较好，展现出良好的综合力学性能;4#试验钢的强度和塑性均比较差.

3讨论

1#试验钢中Nb和Ti的含量分别为0.04%和0.16%，由于Ti含量比较高，在满足TiN析出外，还能保证碳化钛在高温轧制阶段的充分析出，从而有效钉扎位错和晶界，因此1#试验钢具有最高的抗拉强度(1 311 MPa)和屈服强度(1 226 MPa).因为TiN颗粒(其全固溶温度比较高)会在合金凝固过程中形成，所以试验钢在轧制前的均热过程中必然会出现未溶的，且可近似认为是二元相的TiN析出物，随后NbC会以TiN为核心而析出[14]，因此经EDX分析发现：TiN粒子中除了含有大量Ti外，还含有一定量Nb，如图3(a)所示.同时从TEM影像可以看出，TiN析出物形貌为立方形，而方形的析出物在变形时会在其尖角部位发生应力集中，从而产生微裂纹，所以当其数量过多时，将明显降低试验钢的塑性和韧性，因此在4种试验钢中，1#试验钢的断后伸长率最小，仅为9%，且-20 ℃的冲击功也最小.

目前关于V元素对高强钢组织性能的影响仍然存在很大争论.一些研究表明在同等条件下加入V元素能够有效地阻止铁素体晶粒长大，起到细化晶粒尺寸的作用[18];另一些研究表明，V的加入能够改善组织形貌，但未能提高力学性能[19].从文中0.13 V- 0.037 Nb系2#试验钢的力学性能可以看出，大量V的添加能够大幅度提高试验钢的塑性和韧性，但强度却有所降低.这是因为在精轧和冷却阶段析出的细小V(C,N)与基体为共格或半共格的低能界面[17]，因此在贝氏体相变区域内，有利于针状铁素体的形成，从而明显改变试验钢的组织形貌，减少了应力集中和微裂纹的形成，从而提高了试验钢的塑性和韧性.但由于试验钢中没有添加Ti元素，在奥氏体化和高温轧制阶段只能依靠少量Nb元素来析出强化，因此试验钢的强度有所降低.

4结论

(1)复合添加不同量的Nb、V和Ti元素对试验钢的组织性能有很大影响;在试验钢中添加0.15%的Ti和0.04%的Nb、0.04%的V，可以明显改善试验钢的塑性和韧性.

(2)Nb、V和Ti复合析出物大致可以分成两类：第一类，晶粒尺寸约为100 nm的大颗粒，此类析出物对试验钢强度略有不利的影响;第二类，独立复合析出的(Nb,V,Ti)C，由于此类析出物的晶粒尺寸一般细小，能够充分发挥析出强化的作用，保证了材料的强度和塑韧性.

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Effect of Precipitation Phase on Microstructure and Properties of Nb-V-Ti Micro-Alloyed Steel

PANGQi-hangTANGDiZHAOZheng-zhiXUMei

(Engineering Research Institute, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract:This paper deals with the microstructure and properties of Nb-V-Ti micro-alloyed steels with different Nb, V and Ti contents by means of SEM and TEM. It mainly investigates the morphology and formation mechanism of the diphase precipitate and explores the effect of diphase precipitate on the microstructure and properties of the steels. The results show that the simultaneous addition of Nb and V with a small dosage may remarkably improve the ductility and toughness of the steel with 0.15% Ti; and that, when the tensile strength is 1 200 MPa, the percentage elongation after fracture achieves 13% and the impact energy achieves 102 J at -20 ℃. Two types of Nb-V-Ti particles in the diphase precipitate are revealed. One is the large particle with a grain size of about 100 nm and the other is the (Nb, V, Ti)C particle with a grain size of about 35～50 nm. It is found that the latter is of stronger precipitation strengthening ability.

Key words:multiphase steel; microstructure; diphase precipitate; precipitation strengthening

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2016.02.019

中图分类号：TG 142.33

文章编号：1000- 565X(2016)02- 0133- 07

作者简介：庞启航(1986-)，男，博士生，主要从事先进超高强钢开发与研究.E-mail:qihang25@163.com

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51371032)

收稿日期：2015- 03- 17

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51371032)