微量nb-i對c-mn鋼性能的影響

微量nb-i對c-mn鋼性能的影響

nb和ti是現(xiàn)代鋼產(chǎn)品中最常見的微鐵粉元素。通過tp技術的結(jié)合，可以顯著提高產(chǎn)品的強度、抗污染強度和焊接性能。微合金化主要是通過細化鐵素體晶粒和彌散分布的析出相顆粒來達到強化目的。然而在設計中厚板產(chǎn)品的化學成分時,許多工程技術人員不清楚添加多少微合金元素含量才能達到產(chǎn)品性能指標要求。為了保證產(chǎn)品性能,一般要增加微合金元素含量,比如在低級別高強船板中Nb含量一般超過0.03%,使沖擊功高達300J以上,遠遠超出了技術指標要求,使合金成本提高,造成不必要的浪費。本文通過實驗室模擬工業(yè)化TMCP工藝,制備微量Nb-Ti鋼和C-Mn鋼,對比兩者的拉伸強度和沖擊韌性,分析各種微觀組織變量對微合金化提高強度和韌性的貢獻,考察從強化理論出發(fā)設計微合金鋼化學成分和TMCP工藝的可行性,為微合金鋼產(chǎn)品成分和工藝優(yōu)化提供思路。1tmcp工藝流程采用真空感應爐冶煉80kg鋼錠,兩種鋼化學成分如表1所示。Nb-Ti鋼含有0.013%Nb和0.013%Ti,C-Mn鋼只含有微量的0.005%Ti。鋼錠去除氧化鐵皮后在電阻爐內(nèi)1200℃保溫1h,然后在500mm熱軋機上經(jīng)表2的TMCP工藝軋成鋼板。從鋼板橫向取試樣,在ZWICK萬能試驗機和ZBC-2602自動沖擊試驗機上分別進行拉伸性能和系列沖擊性能檢驗,拋光試樣經(jīng)2%硝酸酒精溶液腐蝕后,用ZEISSAXIOVERT200顯微鏡觀察微觀組織,用FEITECNAIG220透射電鏡觀察和X射線能譜表征碳膜復型試樣的Nb、Ti碳氮化物析出相,用ImageJ圖像軟件測量鐵素體晶粒尺寸和析出顆粒尺寸,并統(tǒng)計其分布。2結(jié)果2.1含nb鋼拉伸性能更高表3為實驗鋼板橫向試樣的拉伸性能。從表中可以看出,Nb-Ti鋼屈服強度比C-Mn鋼高55MPa,抗拉強度高15MPa,即屈強比更高,這符合含Nb鋼拉伸性能的特點。圖1為兩種鋼在-60~0℃系列溫度夏比沖擊功曲線,Nb-Ti鋼上平臺沖擊吸收比C-Mn鋼上平臺能量高出約110J,在-40℃時差距擴大到200J。兩者韌脆轉(zhuǎn)變溫度相差40℃以上,Nb-Ti鋼沖擊韌性明顯優(yōu)于C-Mn鋼。這表明即使只添加0.013%Nb-0.013%Ti,也可以明顯改善TMCP低碳鋼的沖擊韌性。2.2鐵素體平均晶粒尺寸圖2為兩種鋼板的光學顯微組織,基體均為多邊形鐵素體和條狀鐵素體,Nb-Ti鋼具有更細和均勻的組織。用截線法測量和統(tǒng)計Nb-Ti鋼,鐵素體平均晶粒尺寸約為7.6μm,C-Mn鋼中鐵素體平均晶粒尺寸約為10.0μm。兩種鋼中都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的帶狀組織和大塊的珠光體,珠光體尺寸細小,均勻彌散分布。顯微照片上彌散分布的珠光體和晶界灰度相當,因此難以用圖像軟件測量珠光體的體積分量,但兩種鋼化學成分除Nb、Ti外基本相同,采用相同的TMCP工藝制備,鋼中珠光體含量和片層間距差別也應不大,因此可以合理假設珠光體對兩種鋼的強度貢獻相等。2.3出料相和出顆粒測量圖3為兩種鋼的析出相分布和成分,EDS能譜分析表明,Nb-Ti鋼析出顆粒主要是富氮的方形Ti,Nb(C,N),統(tǒng)計其平均直徑約為16.3nm,數(shù)量密度為2.8×106個/mm2。C-Mn鋼因只含0.005%的Ti,析出相主要是富氮的方形Ti(C,N),統(tǒng)計其平均直徑為12.0nm,數(shù)量密度為5.6×105個/mm2,密度約為Nb-Ti鋼的1/5。析出顆粒用圖像軟件進行測量和統(tǒng)計,尺寸分布如圖4所示。析出相顆粒尺寸大部分分布在10nm附近,而Nb-Ti鋼有少量大顆粒。TEM碳膜復型試樣難以萃取出小尺寸的析出顆粒,所以統(tǒng)計上會有偏差。3出顆粒在增強機理、ashby-orowan中的作用熱軋鋼板主要強化機理為固溶強化、細晶強化和彌散強化。固溶元素提高了α-Fe點陣變形阻力,在合金含量較低時,固溶強化的效果與成分含量一般有線性關系。考慮溶質(zhì)固溶強化和晶粒尺寸效應,Hall-Petch強化效應可用公式(1)表示:式中,σy為拉伸屈服應力;σi為α-Fe的摩擦應力;ki為i溶質(zhì)強化系數(shù);ci為溶質(zhì)元素質(zhì)量百分含量(%);ky為晶粒尺寸強化系數(shù);d為晶粒尺寸。Pickering等人根據(jù)大量實驗結(jié)果回歸分析得出經(jīng)驗公式(2):式中,元素含量為質(zhì)量百分含量;Nf為鐵素體中固溶自由氮質(zhì)量百分含量;d為截線法測得的鐵素體平均晶粒尺寸,mm。本文鋼中N不可能完全以固溶態(tài)存在,必定有一部分以氮化物形式析出。高溫條件下TiN最穩(wěn)定,如果Ti全部析出,析出相中N含量可根據(jù)配比近似計算得出,再推算自由氮含量,即可計算出兩種鋼屈服強度,結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出,由于晶粒細化強化,Nb-Ti鋼屈服應力提高了18MPa。在微合金鋼中,彌散細小的碳氮化物析出顆粒通常在奧氏體區(qū)和奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時形成。由于碳氮化物顆粒非常硬,變形時位錯幾乎不可能將顆粒切開,因此微合金鋼析出顆粒彌散強化機理是位錯繞過顆粒時發(fā)生彎曲并留下Orowan位錯環(huán)而產(chǎn)生的額外應力。位錯環(huán)強化機理與顆粒尺寸呈負相關性,可用Ashby-Orowan模型描述。公式(3)顯示了以彈性模量G=80300MPa和柏氏矢量b=2.5×10-4μm代入Ashby-Orowan公式得到的鋼中析出顆粒尺寸和體積分數(shù)對強度提高的關系式:式中,△σy為彌散顆粒提高的屈服應力;f為顆粒體積分數(shù);X為顆粒直徑,μm。圖5為不同顆粒尺寸彌散強化效果與體積分數(shù)之間的關系。圖中3條線分別顯示了用公式(3)計算出的5、10和50nm直徑顆粒隨體積分數(shù)變化的彌散強化效應。相同體積分數(shù)條件下,減小顆粒尺寸可有效提高強度,因此抑制析出相顆粒長大也是微合金鋼軋后快速冷卻的主要目的之一。如果鋼中微合金元素全部析出,根據(jù)各元素的相對原子質(zhì)量,析出相NbC、NbN、TiC及TiN的密度,晶體點陣參數(shù)和Nb、Ti質(zhì)量百分比,可推算出鋼中析出顆粒的體積分數(shù)。如對M(C,N)復合析出相,可用公式(4)計算出大致的體積分數(shù)f:式中,m為轉(zhuǎn)換因子。結(jié)合TEM測量統(tǒng)計得到的(Nb,Ti)(C,N)和Ti(C,N)顆粒尺寸,就可以計算出微合金析出顆粒對鋼強度的貢獻。表4列出計算的析出顆粒體積分數(shù)f,并根據(jù)公式(3)計算得出彌散強化強度△σy。圖5更直觀地對比了兩種鋼的彌散強化效應,可以看出,Nb-Ti鋼的Ashby-Orowan強化效應明顯高于C-Mn鋼。根據(jù)對合金成分的固溶強化、晶粒尺寸的Hall-Petch效應和(Nb,Ti)(C,N)及Ti(C,N)析出顆粒彌散強化機理的量化分析,可分別計算出Nb-Ti鋼和C-Mn鋼的屈服強度,計算結(jié)果與實際屈服強度對比列于表4中。計算值與實際值雖有一定差異,但兩者接近。這種差異是因為計算中并未考慮珠光體強化效果,而且用碳膜復型萃取方法難以獲得更小尺寸的析出顆粒,測量所得析出顆粒尺寸可能大于實際尺寸,這也會導致誤差。理論計算驗證了添加0.013%Nb-0.013%Ti對鋼的強化機理主要來自細晶強化和析出彌散強化。Hall-Petch公式(1)中的摩擦應力σi隨著溫度降低明顯增加,而晶粒尺寸強化系數(shù)ky與溫度相關性則不那么明顯,所以晶粒尺寸細化在一定溫度范圍內(nèi)都有穩(wěn)定的強化效果。當屈服應力超過脆性斷裂應力時,將發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。而脆性斷裂應力比屈服應力對晶粒尺寸更敏感,所以盡管晶粒細化提高了屈服強度,同時還可降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT),因此晶粒細化也是目前唯一能同時提高強度和韌性的強化機制。Pickering等人通過大量的回歸統(tǒng)計,得出鐵素體-珠光體鋼的DBTT與晶粒尺寸d-1/2有著-11.5的負系數(shù)關系,并得到公式(5)所示的DBTT與鋼中Si含量、自由氮含量Nf、珠光體含量和鐵素體晶粒尺寸d(mm)的關系:公式(5)包括了鋼的固溶元素、珠光體、鐵素體晶粒尺寸的微觀組織參數(shù)。因本文研究的兩種鋼的珠光體含量無法測量,但根據(jù)鋼中C含量和珠光體C含量以及相圖杠桿原理,可大致估算出平衡條件下珠光體含量約為12.5%。由此計算出Nb-Ti鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-97℃,C-Mn鋼為-56℃。盡管計算所得DBTT與圖1中實驗所得到的DBTT有差距,但Nb-Ti鋼比C-Mn鋼DBTT低40℃卻與實驗結(jié)果相符。通過計算,可以確定這種差異來自Nb-Ti鋼更細的晶粒尺寸和(Nb,Ti)(C,N)析出相消耗所降低的鋼中自由氮含量。4算值和實驗結(jié)果的一致性通過鐵素體晶粒尺寸、微合金析出顆粒尺寸及體積分量等微觀組織特征分析,量化計算HallPetch細晶強化和Ashby-Orowan彌散強化對TMCP制備0.013%Nb-0.013%Ti鋼的強韌化貢獻,計算值和實驗結(jié)果有很好的一致性。(1)添加0.013%Nb-0.013%Ti在TMCP工藝條件下可提高鋼的屈服強度約50MPa,主要強化機理來自鐵素體晶粒細化強化和微合金碳氮化物析出顆粒的彌散強化,兩者對強化貢獻相當。(