氮含量和TMCP對微合金V_N鋼顯微組織和力學性能的影響_圖文

1、氮含量和T MCP 對微合金V 2N 鋼顯微組織和力學性能的影響尹桂全1,2,黃貞益1,2,楊才福3,方芳3,姜輝1,2,鄭建平1,2,程堅平4,程曉舫4,陳斌4(1.安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院,安徽馬鞍山243002;2.安徽省高校金屬材料與加工重點實驗室,安徽馬鞍山243002;3.北京鋼鐵研究總院結構材料研究所,北京100081;4.馬鞍山鋼鐵公司技術中心,安徽馬鞍山243000摘要:研究了含氮量和第三代熱機械加工工藝(T MCP 參數(shù)對低碳微合金V 2N 鋼力學性能和顯微組織的影響。對系列超高氮和超低碳含量的微合金V 2N 鋼進行了不同工藝的控制軋制,對軋后試樣進行了力學性能測試、

2、顯微組織觀察以及晶粒大小的測定。結果表明,試驗鋼中氮含量的增加及終軋溫度的降低均可使晶粒細化,強度相應提高,但鋼中N 含量過高顯著損害塑性。試驗鋼高溫變形奧氏體中析出微細VN 粒子,該粒子誘導軋后冷卻期間相變初期晶內鐵素體的生成,產生細晶強化,是V 2N 微合金鋼的重要強化機制之一。關鍵詞:超低碳微合金V 2N 鋼;第三代熱機械加工工藝;力學性能;顯微組織;VN 粒子中圖分類號:TG142133文獻標識碼:A 文章編號:025426051(20080320004205Effects of n itrogen con ten t and T M CP on m i crostructure an

3、d m echan i ca lproperti es of V 2N m i cro 2a lloy i n g steelsYIN Gui 2quan1,2,HUANG Zhen 2yi 1,2,Y ANG Cai 2fu 3,F ANG Fang 3,J I A NG Hui 1,2,Z HE NG J ian 2p ing 1,2,CHENG J ian 2p ing 4,CHENG Xiao 2fang 4,CHE N B in4(1.School of Material Science and Engineering,Anhui University of Technol ogy,

4、Ma anshan Anhui 243002,China;2.Anhui Key Lab .of MetalMaterial and Pr ocessing,Ma anshan Anhui 243002,China;3.I nstitute f or Structure Material Research,Central Ir on and Steel Research I nstitute,Beijing 100081,China;4.Technical Center,Ma anshan Ir on &Steel Cor p.,Ma anshan Anhui 243000,China

5、 Abstract:The effects of nitr ogen content and third generati on ther mo 2mechanical contr ol p r ocess (T MCP para meters on m icr ostructure and mechanical p r operties of V 2N m icr oall oyed l o w carbon steels were studied .The series V 2N steels contai 2ning the super 2high nitr ogen and ultra

6、 2l ow carbon were r olled by different p r ocess .The mechanical p r operties of the s peci 2mens after r olling were tested .M icr ostructures were observed and grain size was measured .The results show that increasing the nitr ogen content and decreasing the final r olling te mperature of the ste

7、els all can refine the grain size effectively and in 2crease the strength corres pondingly .T oo high a nitr ogen content can da mage the ductility re markably .The fine VN particles p reci p itated fr o m austenite at high te mperature were observed in typ ical r olling s peci m ens using TE M.The

8、fine secondphase particles VN induced intragranular ferrite nucleati on at initial peri od of transf or mati on after r olling .Refine grains functi on of second phase particles is one of the i m portant strengthening mechanis m in the m icr oall oyed V 2N steels .Key words:super 2l ow carbon V 2N m

9、 icr oall oyed steels;third generati on T MCP;mechanical p r operties;m icr ostructure;VN particles作者簡介:尹桂全(1948,女,江蘇南通人,教授,主要從事金屬材料和現(xiàn)代顯微分析技術的教學和科研工作,已發(fā)表論文40余篇。聯(lián)系電話:0555*E 2mail:ygq319yahoo .co 基金項目:安徽省教育廳自然科學研究重點項目(2006KJ 080A 收稿日期:2007208202近年隨著低價微合金鋼發(fā)展戰(zhàn)略的實施及研究工作的不斷深入,氮在微合金鋼中的有益作用得到了廣泛的認同。采用國內外最新開

10、發(fā)的新一代低碳微合金V 2N 鋼和控制軋制工藝,利用高溫軋制過程中析出的VN 粒子形成細小晶內鐵素體(I GF 的技術,可使微合金V 2N 鋼的細晶強化和沉淀強化作用達到最大程度,同時韌性也得到明顯改善,該技術被稱為“第三代熱機械加工工藝(T MCP ”,產生“第三代晶粒細化”1,已經成為微合金化發(fā)展的重要方向之一,涉及的微合金化技術及“組織細化理論”是研制開發(fā)新一代鋼鐵材料的核心技術2,已應用于高強度厚截面型鋼和厚板產品的開發(fā)324,具有非常廣闊的應用前景與理論價值。已有的研究工作表明,鋼中氮與再結晶控軋和加速冷卻工藝一起對鋼的強度和韌性產生重要影響526。本研究T MCP 工藝參數(shù)(終軋溫

11、度和軋制形變量對系列低碳微合金V 2N 鋼顯微組織和力學性能的影響以及氮在鋼中的作用及機理,以探索實用低碳微合金V 2N 鋼合理的成分范圍及相應最佳的控軋工藝。1試驗材料與方法111試驗材料試樣取自武鋼研究院試驗生產的系列V 2N 微合金鋼板,為了突出鋼中N 的作用,特意降低碳含量,采用超高氮含量(最高提到01026%和超低碳含量的鋼種。4種試驗鋼碳含量基本相同,僅改變氮含量。試驗鋼主要化學成分及V 、N 元素含量比值列于表1。試樣為12mm 厚的板材。試驗主要針對2號、3號、4號鋼進行,1號鋼中基本不含V ,為對照用鋼。表1試驗用V 2N 鋼的化學成分(質量分數(shù),%Table 1Che m

12、i ca l co m positi on of the tested V 2N steels (wt%鋼號C Si Mn P S V N A l V N 1號01058010361114<010*<010*<01005<0152號01062014051132010098010063011101014<010*號01060010311124010095<01001011201019<010*號0105501271120010090010050109201026<010053154112試驗方法(1采用第三代T MCP 工藝對4種鋼板進行軋制試驗。

13、在實驗室軋機上進行控制軋制。T MCP 工藝參數(shù):奧氏體化溫度1200,保溫600s,終軋溫度選用950和850兩種,軋制變形量分別控制在30%和50%,軋后空冷。(2力學性能測試。將軋后試樣制成橫截面為280mm ×30mm 的薄板狀非標拉伸試樣,在30t 的Z1000型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗,采集試樣的抗拉強度、斷面收縮率和伸長率數(shù)據(jù)。(3顯微組織觀察以及晶粒大小的測定。按常規(guī)方法沿軋制方向磨制試樣,拋光、腐蝕后,用LE I CA DM I R M 光學金相顯微鏡觀察顯微組織形態(tài)并測定晶粒大小3。(4用H 2800型透射電子顯微鏡(TE M 觀察典型軋制試樣中析出的VN 粒

14、子。2試驗結果及分析211拉伸試驗拉伸試驗結果示于圖1。圖1中的橫坐標自左向右依次表示4種試驗用鋼的含氮量,950/30%表示終軋溫度950,軋制變形量30%(下同。由圖1a 可以看出,試驗鋼的抗拉強度b 隨鋼中N 含量的增加而升高,隨變形溫度的降低和變形量的減少而增大(圖1a 。含N 量相對最高的4號鋼(含01026%的N 在較低的850變形30%之后具有相對最高的抗拉強度值657MPa 。反之,含N 量相對最低、含V 量相對也最低的1號鋼在各種工藝軋制后的強度均最低,其在950變形50%之后具有相對最低的抗拉強度值406MPa。 圖1試驗鋼的拉伸試驗結果(a 抗拉強度b (b 斷面收縮率(

15、c 伸長率Fig .1Tensile test results of the tested steels(a tensile strength b (b area contracti on (c el ongati on 由圖1b 、c 可知,試驗鋼的斷面收縮率和伸長率隨鋼中N 含量和軋制工藝參數(shù)而變化的趨勢相反,如含N 量相對最高的4號鋼經各種工藝軋制后這兩項塑性指標均最低,并且變形30%試樣的塑性低于變形50%的。綜合考慮強度和塑性,4種鋼在較低溫度的850軋制變形50%的工藝參數(shù)相對合理,3號鋼的成分相對合理。212顯微組織觀察圖2和圖3所示為試驗鋼分別在950和850軋制變形30%后的

16、顯微組織?？梢钥闯?試樣經過不同溫度軋制后的顯微組織基本相同,都由鐵素體(圖中顯示為淺色的大量晶粒和珠光體(圖中顯示為鐵素體晶粒間的黑色微區(qū)組成。因為試驗鋼的含碳量很低,所以珠光體量很少。試驗鋼中發(fā)生了不同程度的再結晶,晶粒大小明顯不均,見圖2、3中b 、c 、d 。沿晶生成了大量細小的鐵素體晶粒,晶粒尺寸與晶內的塊狀鐵素體明顯不同,出現(xiàn)了混晶,如圖2d 、3d 。比較圖2不同試樣在同一溫度軋制后的顯微組織可以看出,含氮量對試驗鋼的顯微組織有很大影響。隨含氮量的增加,4種鋼中塊狀鐵素體晶粒尺寸明顯變小;珠光體含量的變化不明顯,但尺寸更細小,分布更彌散 。圖2試驗鋼經950軋制變形30%的顯微組

17、織(a 1號鋼(b 2號鋼(c 3號鋼(d 4號鋼Fig .2M icr ostructure of the tested steels r olled at 950and defor mati on 30%(a steel No .1(b steel No .2(c steel No .3(d steel No . 4圖3試驗鋼經850軋制變形30%的顯微組織(a 1號鋼(b 2號鋼(c 3號鋼(d 4號鋼Fig .3M icr ostructure of the tested steels r olled at 850def or mati on 30%(a No .1steel (b N

18、o .2steel (c No .3steel (d No .4steel 比較圖2和圖3同一試樣在不同溫度軋制后的顯微組織可以看出,控軋工藝對鋼的顯微組織有很大影響。隨終軋溫度的降低,4種試驗鋼的組織均細化。213晶粒尺寸測定對4種試驗鋼軋后晶粒尺寸的測定結果示于圖4?？梢钥闯?試驗鋼晶粒尺寸隨含氮量和T MCP 工藝參數(shù)的變化趨勢與拉伸試驗及顯微組織觀察的結果基本一致。盡管再結晶產生混晶,但平均晶粒尺寸均隨鋼中氮含量的增多而減小,對應強度的升高,見圖1。4號鋼經各種工藝軋制后晶粒尺寸均較其它鋼細,且晶粒尺寸穩(wěn)定,強度相應最高 。圖4試驗鋼的晶粒尺寸Fig .4Grain sizes of

19、the tested steels214TE M 觀察用H 2800型透射電子顯微鏡對典型軋制試樣中析出的VN 粒子的觀察結果示于圖5?？梢钥闯?試驗鋼軋制組織中存在大量微細的第二相粒子,粒子尺寸僅有1020n m 。粒子位于鐵素體晶界(圖5a 以及胞狀亞晶粒內(圖5a 、b ,還有粒子位于單個鐵素體小片內部和界面,與不同取向的鐵素體微區(qū)完全對應(圖5c 。對同類試樣中析出粒子進行選區(qū)電子衍射譜標定的結果證實7,試樣中的細小粒子就是軋制過程中從高溫形變奧氏體中析出的第二相粒子VN 。是軋后冷卻期間相變初期晶內鐵素體的形核核心,產生細晶強化。而均勻分布于鐵素體晶界的較大的VN 粒子(圖5a ,釘

20、扎晶界,阻礙晶界的遷移,同樣產生細晶強化作用。3討論311N 含量對試驗鋼T M CP 組織轉變及性能的影響已有的研究結果表明1,V 2N 微合金鋼的強化機制主要有兩種:通過奧氏體中形變誘導析出的VN促進軋后相變初期晶內鐵素體形成,產生細晶強化作用,碳和氮通過V (C,N 相間析出和在鐵素體中的一般析出產生的析出強化作用。鋼中增氮改變了V 的相間分布,促進了V (C,N 的析出,增強了V 的細晶強化和沉淀強化作用。目前大量應用的V 2N 微合金鋼均同時采用這兩種強化機制。本研究應用第三代T MCP 技術,即采用系列超高含氮量和超低含C 量的V 2N 微合金鋼以及在VN 粒子大量析出的溫度范圍軋

21、制變形的T MCP 工藝,得到了氮含量、組織晶粒尺寸、T MCP 工藝參數(shù)和強度、塑性之間的良好對應關系:試驗鋼的抗拉強度隨鋼中N 含量的增加而升高,在適當?shù)淖冃螠囟群妥冃瘟繒r達到最大。試驗證明了鋼中N 細化晶粒、提高強度的有利作用。然而,同樣含N 但基本不含V 的1號鋼經同樣的T MCP 軋制后強度卻最低,這說明,鋼中的N 主要通過與V 生成VN 產生細晶強化作用。TE M 觀察證實,試驗鋼中產生了大量彌散分布于鐵素體基體和亞晶內部的細小VN 粒子。細小的第二相VN 粒子是在高溫軋制過程中形變誘導析出的,在軋后冷卻期間相變初期誘導晶內鐵素體形核,生成大量細晶粒的鐵素體組織,產生細晶強化 。圖

22、5試驗鋼中析出的VN 粒子(TE M (a 4號鋼,850終軋變形30%(b 2號鋼,950終軋變形30%(c 4號鋼,850終軋變形30%,TE M 薄膜暗場像Fig .5The VN particles p reci p itated in the tested steels (TE M (a No .4steel,defor mati on 30%at 850(b No .2steel,def or mati on 30%at 950(c steel No .4,def or mati on 30%at 850(dark field i m age 312鋼中適合的VN比長期以來,由于N

23、與各種脆性現(xiàn)象的不良作用有關,N在鋼中的含量受到嚴格控制。最新發(fā)展的V2N 微合金鋼的研究工作結果表明,V鋼中加入N對改善鋼的性能有較好的效果。本試驗結果證實,含N量和T MCP工藝參數(shù)對提高低碳含V鋼的強度具有很大影響(圖1a,因此須合理配置超低碳V2N鋼中的V、N 含量,方可充分利用廉價而豐富的氮,節(jié)約貴重的V 合金,降低鋼的成本,兼顧強、塑性兩方面的要求。通過計算可知,釩鋼中V與N的理想化學配比是3164,這是產生最大析出強化的V、N質量比值。在本試驗條件下,4號鋼的V、N比最接近理想值,在所有T MCP工藝下具有相對最高的強度值,但是塑性相應最低。而具有更高VN值的3號鋼的綜合性能相對

24、較好,鋼中V相對N過量,應為相對合理的成分。因為鋼中V除了產生析出強化之外,還產生固溶強化,這與微Ti鋼中Ti、N比值的考慮不同8。為了充分發(fā)揮V在鋼中的作用,含V量應是析出強化和固溶強化兩種作用之和。所以V2N鋼中適宜的V、N比應高于理想化學配比值,這可以根據(jù)對鋼材綜合力學性能的要求以及鋼中C。4結論(1V2N微合金鋼中的N對經第三代熱機械加工后鋼的顯微組織和性能具有重要影響,鋼中N細化晶粒,提高強度。(2試驗鋼的氮含量、晶粒尺寸、熱機械加工后鋼的工藝參數(shù)和強度、塑性之間有良好對應關系。隨著鋼中氮含量的增加以及終軋溫度的降低,組織變細,強度提高,但塑性降低。(3V2N鋼中適宜的V、N比應高于

25、理想化學配比值,方能充分發(fā)揮V的析出強化和固溶強化作用,改善綜合力學性能。(4試驗鋼軋制過程中從高溫形變奧氏體中析出大量微細的第二相粒子VN,它們誘導軋后相變初期晶內鐵素體的生成,產生細晶強化。是V2N微合金鋼的重要強化機制之一。參考文獻:1Ki m ura T,et al.Ferrite grain refine ment thr ough intra2granu2lar ferrite transf or mati on on VN p reci p itati on in T MCP of HS2LA steel.Ther mec97Conference Pr oceedingsC.Wo

26、ll on2gong,Australia,Published by T MS,1997:6452651.2翁宇慶,等.超細晶鋼鋼的組織細化理論與控制技術M.北京:冶金工業(yè)出版社,2003.3楊才福,張永權.釩氮微合金化技術在HS LA鋼中的應用J.鋼鐵,2002,37(11:42247.4Zajac S,Si w ecki T,Hutchins on W B,Lagneborg R.Strength2ening mechanical in vanadiu m m icr oall oyed steels intendedf or l ong p r oductsJ.I SI J I ntern

27、ati onal,1998,38(10:113021139.5Zajac S,Lagneborg R,Si w ecki T.The r ole of nitr ogen in m i2cr oall oyed steelsA.M icr oall oying95Conference Pr oceed2ingsC,Pittsburgh,P A,I SSI,1995:3212340.6Lagneborg R,Si w ecki T,Zajac S,Hutchins on W B.The r oleof vanadiu m in m icr oall oyed steelsJ.Scandinavian Journalof Metallurgy,1999,28(5:12241.7YI N Gui2quan,