Nb、Ti对低合金高强钢组织性能的影响

柴可馨 曹佳丽　徐亚鹏　赵毅锋

摘要：通过添加不同含量的Nb、Ti微合金元素，并对不同退火工艺下低合金高强钢力学性能和组织、析出相进行分析，研究了NbTi对低合金高强钢组织和性能的影响。结果表明：材料组织为铁素体基体加少量渗碳体，同时在基体中有不同尺寸的NbTi析出相生成。随着退火温度的增加，材料的屈服强度和抗拉强度逐渐降低，伸长率逐渐升高，增加Ti含量组织更加细化，同时强度提高。

关键词：低合金高强钢；连续退火；析出相；Nb、Ti元素

低合金高强钢由于具有较高的屈服强度、良好的焊接性能、高的断裂韧性以及低的韧脆转变温度和良好的冷成形性能［1］，广泛应用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等领域。

在低合金钢生产过程中，一般添加Nb、Ti等微合金元素以获得更好的力学性能［2］，与此同时，退火工艺也会对材料的晶粒尺寸、析出相、位错等结构和性能产生影响。本研究通过添加不同含量的Nb、Ti，并進行不同工艺下的退火模拟，研究成分、退火工艺对低合金钢组织和性能的影响。

1 实验材料和方法

设计实验钢化学成分如表1所示。G固定C、Si、Mn等元素含量，分别添加0.036Nb+ 0.02Ti0.034Nb+0.04Ti元素进行微合金化。按照表1化学成分采用50 Kg真空感应炉冶炼，经热轧、酸洗、冷轧后得到1.5 mm厚度冷轧板。最后利用MULTIPAS连退模拟器在760 ℃、780 ℃和800 ℃下进行连续退火处理，具体连退工艺如表2所示。退火完成后，对试样力学性能进行检测，同时利用金相观察分析不同工艺试样的组织，并对析出相进行TEM观察。

2 实验结果与讨论

2.1 退火工艺对低合金钢组织的影响

冷轧后按照表2工艺对试验钢A、B进行连续退火处理，采用4%硝酸酒精进行侵蚀得到的金相形貌，所得结果如图1所示。从中可以看出，对试验钢A、B，经连续退火处理后，虽然退火温度不同，但试验钢的组织都是不规则的铁素体组织，并有少量的渗碳体和析出相分布在铁素体晶界处；同时在铁素体晶粒内部有大量析出相生成。对铁素体晶粒尺寸进行分析，三种退火温度下材料的晶粒尺寸都较小，约为几微米，这是由于Nb、Ti在铁素体晶界处与C、N等生成碳氮化物，对晶界、亚晶界的迁移起到钉扎作用，使得晶粒细化［3］。随着退火温度的增加，材料中铁素体晶粒尺寸变化不大。对比试验钢A、B在相同退火温度下的组织可以发现，由于试验钢B中Ti元素含量更高，晶粒细化作用更加显著，使得其组织晶粒尺寸更加细小。

利用TEM对试验钢A、B在760℃退火工艺下的析出相进行形貌观察和能谱分析，所得试验结果如图2所示。从图中可以看出，试验钢A、B铁素体晶粒内部都含有大量的弥散析出相，其中有0.1 μm左右直径的大析出相和直径只有10 nm左右的细小析出相［4］。较大的析出相相对较少，主要以矩形或近球形为主；较小的析出相数量较多，主要为球形或颗粒状分布，其强化作用的主要是此类析出相。对析出相进行能谱检测，发现存在NbTi元素，因此可以认为析出相为NbTi析出相。方形大尺寸析出相，主要为TiN；圆形小尺寸析出相NbC。TiN析出相尺寸较大，应为凝固过程中形成的大颗粒的TiN（100 nm左右），而后NbC以TiN为核心形成或独自形核长大。对比试验钢A、B析出相可以发现，试验钢B析出相数量更多，且大尺寸析出相的尺寸更大。这是由于试验钢B中Ti元素含量更高，能够形成更大尺寸的TiN析出。

2.2 退火工艺对低合金钢力学性能的影响

对试验钢A、B不同温度下退火得到的试样进行力学性能检测，所得力学性能如表3所示。从表3中数据可以看出，不论是试验钢A还是试验钢B，随着退火温度从760 ℃增加到800 ℃，实验钢的屈服强度和抗拉强度均显著降低，屈服强度分别从622 MPa、629 MPa降低到539 MPa和578 MPa，抗拉强度分别从653 MPa、657 MPa降低到585 MPa和616 MPa；伸长率则逐渐增大，A50分别由13%/9%提高至21%和15.5%。对比A试验钢和B试验钢性能，各工艺下试验钢B强度均大于试验钢A。

本实验中，细晶强化和析出强化同时存在，Nb元素可显著提高再结晶温度、细化晶粒，Ti可以形成稳定细小析出相，细化组织，提高力学性能。对试验钢A和B而言，当退火温度提高后，晶粒尺寸变化不大，表明晶粒细化的强化作用基本不变；而Nb、Ti在试验钢中生成的大量弥散的析出相对材料的性能有较大影响，因此可以认为退火工艺通过影响NbTi碳氮化物析出相的析出状态（数量和尺寸）来控制材料的服强度、抗拉强度以及伸长率等力学性能。

试验钢B组织较A试验钢铁素体组织更加细小，因而细晶强化作用更加显著；同时试验钢B析出相数量更多，具有更强的析出强化效应。这些细小弥散的析出相通过与位错发生交互作用，提高了位错运动的阻碍度，从而使材料强度增大［5］。

3 结论

1）通过添加NbTi元素得到低合金钢组织为铁素体基体+渗碳体，晶粒尺寸较小且随退火温度的增加变化不大，增加Ti元素含量晶粒尺寸更加细化。

2）实验钢内部出现100 nm和10 nm左右两种不同尺寸的TiNb（C，N）析出相，增加Ti元素含量析出相的数量增加。

3）随着退火温度的增加，实验钢材料屈服强和抗拉强度降低而延伸率升高，增加Ti元素含量可获得更高的屈服强度和抗拉强度。

参考文献

［1］ 11 M Niikura，M．Fujioka，y Adachi．New concepts for ultra re／inement of grain size in super metal project［J］．J．Mater．Pro．Techno．，2001，1 17（3）：341．346．

［2］ Chapa M，Medina S F，L6 PEZ V，et al. Influence of Al and Nb on optimun Ti / N ratio in controlling austenite grain growth at reheating temperatures［ J ］. ISIJ Int. ，2002，42（11）：1288-1296.

［3］ 刘浩，陈晓，李平和，等. Nb-Ti微合金高强度钢1.5mm冷轧板退火组织和第二相析出行为［J］. 特殊钢， 2006，27（3）：16-28.

［4］ 张鹏程，武会宾，唐获，等. Nb-V-Ti和V-Ti微合金钢中碳氮化物的回溶行为［J］. 金属学报， 2007，43（7）：753-758.

［5］ A.J Craven， K He， L.A.J Garvie， et al. Complex heterogeneous precipitation in titanium–niobium microalloyed Al-killed HSLA steels--II. Non-titanium based particle［J］. 2000，48（15）：3869-3878.