Ti微合金化对耐火建筑钢组织和性能的影响

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(北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心， 北京 100083)

进入21世纪，城市高层建筑不断涌现，耐火钢因其具有良好的抗震性和耐火性而被广泛应用[1]。耐火钢在600 ℃时的屈服强度至少保持其室温屈服强度的2/3[2]。Mo被认为是提高材料高温力学性能最有效的元素之一，添加适量的Mo，可以促进形成粒状贝氏体，粒状贝氏体热稳定性好，在其内部分布的M/A岛组织是硬质相，可以保证耐火钢的高温强度[3]。目前，常规耐火钢如NSFR400、NSFR490钢中的Mo含量几乎都超过0.5%[4]。然而，Mo作为微合金元素，价格昂贵，减少Mo的添加，可以降低生产成本。Speer等[5]研究了Nb和V微合金化替代部分Mo元素，取得了一定效果，但是成本依然很高。因此，寻找成本更低的微合金元素来替代Mo等成为耐火钢的主要发展方向。

在本研究中，通过添加Ti替代部分Mo，并进行控轧控冷工艺处理，实验室制备了具有不同Ti含量的低Mo耐火钢，研究了Ti微合金化及控轧控冷工艺对其高温强度的影响，并进行了理论分析以揭示Ti添加的主要高温强化机理，为460 MPa级低成本耐火钢的成分、工艺设计提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 成分设计

实验室试制钢板的化学成分见表1，采用低碳设计，碳含量控制在0.11%；3种试验钢都采用Mo微合金化，其质量分数小于0.3%；为稳定奥氏体，保证在控轧控冷状态下得到更多的贝氏体组织，试验钢中还加入Si、Mn等元素，这些元素同时还能起到固溶强化和析出强化的作用，提高试验钢的强度。主要区别在于3种钢采用不同Ti含量进行微合金化。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

1.2 冶炼与轧制

试验钢在25 kg真空感应炉中冶炼，钢水浇铸成尺寸为100 mm×80 mm×60 mm的钢锭。热变形采用两阶段轧制，即再结晶阶段和未再结晶阶段，在二辊轧机上经7道次热轧成12 mm厚钢板，加热炉加热温度为1200 ℃，冷至1150 ℃左右开轧，终轧温度880 ℃，轧后水冷到550 ℃左右保温20 min，最后空冷至室温。

1.3 力学性能测试及组织观察

室温拉伸试验在CMT5605电子万能试验机上进行，高温拉伸试验在CM75105高温拉伸试验机上进行，显微组织观察分别在DM2700M光学显微镜、ULTRA55扫描电镜和FEI TECNAI F20透射电镜上进行。

2 试验结果

2.1 力学性能

根据GB/T 28415—2012《耐火结构用钢板及钢带》对热轧钢板沿横向截取拉伸试样，在600 ℃下保温3 h进行高温拉伸，其室温和高温力学性能见表2。由表2可知，Ti系列钢的室温屈服强度都在480 MPa以上，随着Ti含量的增加，4Ti钢、7Ti钢和10Ti钢的屈服强度呈现递增的趋势，分别为489、565及641 MPa。3种试验钢的断后伸长率≥17%，塑性较好；屈强比均<0.85，符合460 MPa级耐火钢抗震性能要求。3种试验钢的高温屈服强度均高于307 MPa的标准要求，10Ti钢达到394 MPa；其YS值(600 ℃屈服强度/室温屈服强度)分别为0.65、0.68和0.62，基本达到耐火钢性能要求，其中7Ti钢YS比值0.68，超过0.67，满足耐火钢的使用标准。

表2 试验钢的力学性能

图1 热轧态试验钢的室温显微组织Fig.1 Room temperature microstructure of the hot-rolled tested steels(a1, a2) 4Ti; (b1, b2) 7Ti; (c1, c2) 10Ti

2.2 显微组织及析出相

通过线切割，在试验钢板厚度的1/4处截取尺寸为5 mm×5 mm×5 mm的金相试样。热轧态试验钢的室温显微组织见图1，4Ti钢组织为多边形铁素体+复相组织(片层珠光体和粒状贝氏体)，7Ti钢为准多边形铁素体+M/A岛，10Ti钢为针状铁素体+M/A岛。随Ti含量的增加，3种试验钢的平均晶粒尺寸递减，其铁素体形态是从多边形到准多边形再到针状的转变过程。10Ti钢晶粒尺寸最小，且组织分布均匀。

热轧态试验钢经过600 ℃保温回火3 h水淬后，其显微组织的扫描电镜、透射电镜照片及EDS成分检测结果如图2所示。经高温作用后，4Ti钢仍保留完整的复相组织(片层珠光体+粒状贝氏体)，这证实了粒状贝氏体高温稳定性较好，其内部分布的M/A岛组织只发生少许分解，分解析出碳化物；通过EDS点扫描分析析出相成分得知，析出物是Mo、Ti的复合碳化物，尺寸在100～200 nm。与4Ti钢一样，7Ti钢和10Ti钢中的M/A岛组织在保温过程中分解析出碳化物，这是M/A岛的细化过程[6]。

图2 600 ℃保温3 h后试验钢的组织及EDS分析Fig.2 Microstructure and EDS analysis of the tested steels held at 600 ℃ for 3 h(a) 4Ti; (b) 7Ti; (c) 10Ti

图3 600 ℃保温3 h后试验钢的TEM照片及EDS分析(a)4Ti钢；(b)7Ti钢；(c)10Ti钢；(a1, b1, c1)位错；(a2, b2, c2)纳米析出相；(d)图(c2)中箭头所指析出物EDS分析Fig.3 TEM images and EDS analysis of the tested steels held at 600 ℃ for 3 h(a) 4Ti steel; (b) 7Ti steel; (c) 10Ti steel; (a1, b1, c1) dislocation; (a2, b2, c2) nano precipitation; (d) EDS analysis of precipitate indicated by arrow in Figure (c2)

对600 ℃保温3 h后的3种试验钢进行透射电镜观察，由图3可见，600 ℃保温3 h后试验钢组织中仍保留部分位错，10Ti钢中晶界阻碍位错的运动，所以在晶界处形成位错墙；位错相互缠结交割，对高温强度有一定的积极作用[7]。在铁素体基体中分布有大量弥散析出物，其中有大量小于10 nm的析出物，由EDS能谱分析(见图3(d))显示，10Ti钢中析出物为Ti的碳化物。析出相会与基体中的位错产生交互作用，具体会产生两种不同类型的强化机制，一是位错运动切割质点，称为切割机制；二是不穿过质点，而是绕过它，并在其周围留下位错环，称为绕过机制[8]。这两种机制都将阻碍位错运动，提高试验钢的室温及高温力学性能。

3 分析与讨论

随Ti含量的增加，3种试验钢的平均晶粒尺寸递减，当Ti含量增加到0.1%时，10Ti钢的组织以针状铁素体为主；考虑到3种成分试验钢的冷却方式和轧制工艺相同，因此是化学成分引起的差异。Ti能使奥氏体再结晶停止温度升高，从而扩大试验钢的非再结晶轧制温度区间。一方面，Ti原子可以偏聚于奥氏体晶界处，溶质原子对晶界起拖曳作用，从而抑制奥氏体再结晶。另一方面，在奥氏体变形过程中，通过应变诱导析出的Ti(C,N)析出物会钉扎晶粒边界，阻碍晶粒再结晶长大[9]。在再结晶区进行轧制，变形和奥氏体再结晶同时进行，通过形变-再结晶反复交错进行奥氏体晶粒细化，但晶粒细化效果不如非再结晶区轧制。在奥氏体非再结晶区进行轧制，多道次的变形使奥氏体晶粒被拉长，晶内产生畸变，存在大量位错、形变带。形变带的增多给铁素体提供了更多的形核点，铁素体形核点增加，发生相变后晶粒尺寸减小。因此，相比于在奥氏体再结晶区轧制，在未再结晶区进行轧制细化晶粒效果更加明显[10]。所以，4Ti钢、7Ti钢和10Ti钢随着Ti含量的增加，抑制奥氏体再结晶越明显，可间接起到细化晶粒的作用。

从扫描电镜下可以观察到，Ti系列试验钢中都形成了形态不一的M/A岛硬质相。首先，Mo能增加钢的淬透性，使CCT曲线右移，所以在轧后水冷的过程中会直接进入贝氏体转变区，发生贝氏体转变。其次，轧后冷却方式采用水冷，冷却速率快，C元素在渗碳体和铁素体之间来不及扩散，水冷至贝氏体转变温度形成粒状贝氏体[11]。粒状贝氏体是耐火钢理想的组织，在其内部分布的M/A岛组织是硬质相，且M/A岛组织热稳定性好。由高温TEM组织观察可知，在600 ℃保温3 h后，M/A岛组织只发生分解细化，分解析出合金碳化物，M/A岛的细化过程使基体与硬质相的变形更加协调，细小碳化物与位错相互作用对高温屈服强度有一定的积极作用[12]。

由图3的TEM照片可以发现，3种试验钢中存在大量位错，10Ti钢在晶界处出现位错墙。这是试验钢在热轧变形过程中，变形奥氏体内形成了大量位错；发生相变后，位错保留在铁素体晶粒内，当施加外力时，位错在滑移过程中发生缠结，起到位错强化作用[13]。另一方面，铁素体基体内有大量小于10 nm的小颗粒析出物，由于轧后水冷抑制相间析出，只在中间处理温度下保温时发生了部分弥散析出，所以控轧控冷态试验钢已经存在部分纳米级析出物，大部分Ti元素是处于固溶状态；在高温回火时有大量新的纳米析出物析出，旧的析出物发生了粗化长大，但仍然处于纳米级别。纳米级析出物与位错发生交互作用，阻碍位错运动。

由力学性能测试结果可知，在微合金化技术和控轧控冷技术的共同作用下，4Ti钢、7Ti钢和10Ti钢获得理想的耐火钢组织：铁素体+粒状贝氏体+M/A岛。在相变强化、析出强化、细晶强化及位错强化的共同作用下，使得4Ti钢、7Ti钢和10Ti钢获得了良好的高温力学性能，实现了低成本、高强度及工艺流程简化。

4 结论

1) 控轧控冷态试验钢的显微组织是由铁素体、粒状贝氏体、M/A岛所组成的混合组织，其中粒状贝氏体、M/A岛是耐火钢的理想组织。试验钢的平均晶粒尺寸随Ti含量的增加而递减，Ti含量为0.1%的试验钢中的铁素体主要以针状形式存在，其细化晶粒效果最好。在600 ℃保温3 h后，试验钢中大量析出纳米碳化物，析出强化效果明显。

2) 力学性能结果显示，3种试验钢的室温屈服强度都在460 MPa以上，断后伸长率≥17%，表现出良好的塑性，屈强比皆小于0.85，满足抗震性能要求。在600 ℃保温3 h后，试验钢中的M/A岛组织发生分解细化，使得基体与硬质相的变形更加协调，使其高温力学性能更优异。

3) 在相变强化、析出强化、细晶强化及位错强化的共同作用下，不同Ti含量的试验钢获得了良好的高温力学性能，其YS值分别为0.65、0.68和0.62，基本达到耐火钢的性能要求，其中Ti含量为0.07%的试验钢耐火性能更优异。