鈦含量對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn 鋼組織與力學(xué)性能的影響

劉陽(yáng)春，白鳳霞，徐 彬，張?jiān)弃Q，李 蓓，張世龍

（1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院,北京 100434；2.首鋼集團(tuán)北京首鋼股份有限公司,河北 遷安 064404）

0 引言

近年來(lái)鈦的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用得到了普遍重視，鈦?zhàn)鳛閱我晃⒑辖鸹靥砑拥戒撝幸驳玫搅藦V泛應(yīng)用[1?3]。

目前對(duì)鈦微合金化的研究和應(yīng)用主要集中在碳含量<0.10%的低碳鋼品種。Liu 等[4]從理論上計(jì)算了Ti 的碳化物在奧氏體中的等溫析出曲線，所用試驗(yàn)鋼的碳含量為0.05%，鈦含量為0.05%～0.25%。Turkdogan[5]對(duì)高強(qiáng)度低合金鋼中氮化物和碳氮化物析出的原因及影響進(jìn)行了研究。Saikaly 等[6]研究了TiC 的析出行為以及對(duì)鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分體系是0.085C-0.23Si-0.96Mn，Ti含量為0.045%～0.130%，結(jié)合適當(dāng)?shù)臒峒庸すに嚕琓iC 對(duì)試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可達(dá)100～250 MPa。Soto 等[7]研究了0.07C-(0.04-0.13)Ti 鋼的固溶鈦含量隨溫度的變化情況，平衡條件下，TiC 的析出溫度范圍約為 1 150～800 ℃，隨著Ti 含量的增加，TiC開(kāi)始析出溫度逐步升高；當(dāng)溫度低于800 ℃時(shí)，鋼中的固溶Ti 幾乎全部析出。霍向東等[8]以普通集裝箱板的化學(xué)成分為基礎(chǔ)，研究了鈦含量對(duì)熱軋帶鋼組織和力學(xué)性能的影響：鈦含量變化對(duì)鐵素體晶粒尺寸影響不大，隨鋼中鈦含量增加，TiN 尺寸增大，TiC 體積分?jǐn)?shù)增加，粒子平均尺寸減小，產(chǎn)生顯著的沉淀強(qiáng)化作用。

另一方面，對(duì)含有更高碳含量的鋼種應(yīng)用鈦微合金化研究和應(yīng)用很少。王建鋒等[9]對(duì)鈦微合金化Q345E 鋼進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該鋼的碳含量為0.12%～0.15%，鈦含量為0.025%～0.035%，認(rèn)為強(qiáng)度增加主要是鈦細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化作用引起的。趙小婷等[10]研究了鈦含量對(duì)碳錳鋼厚板力學(xué)性能的影響，該鋼的碳含量為0.16% 左右，分別添加0.08%、0.14%、0.18%的鈦，認(rèn)為隨著試驗(yàn)鋼中Ti含量的增加，強(qiáng)度、韌性呈下降趨勢(shì)，與析出更多的未溶粗大TiC 粒子有關(guān)。

筆者選擇典型的0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼，該化學(xué)成分體系鋼碳含量為0.17% 左右，應(yīng)用極其廣泛。對(duì)該鋼添加不同含量的鈦元素進(jìn)行微合金化，探討鈦含量對(duì)含碳為0.17%左右的低碳錳鋼組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用的0.17C-0.30Si-1.40Mn 鋼取自某鋼廠。其冶煉工藝流程是：鐵水預(yù)處理→210 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐精煉→板坯連鑄→精整→入庫(kù)。2 160 mm 熱連軋機(jī)軋制工藝流程是：板坯加熱→高壓水除鱗→二機(jī)架可逆式粗軋機(jī)粗軋→六機(jī)架連軋式精軋機(jī)精軋→層流冷卻→卷取→入庫(kù)。

按照相同的冶煉工藝冶煉6 爐碳含量為0.17%的低碳錳鋼，其化學(xué)成分體系是0.17C-0.30Si-1.40Mn，并且分別向鋼中添加0、0.020%、0.030%、0.040%、0.050% 和0.070% 的鈦，然后均采用相同的軋制工藝軋制成熱軋板卷，其中終軋溫度為840 ℃，卷取溫度為600 ℃，軋成板卷厚度為11.50～15.75 mm。

熱軋板卷逐卷取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試、金相組織檢驗(yàn)和透射電鏡觀察，以此探討鈦含量對(duì)含碳0.17%低碳錳鋼組織和力學(xué)性能的影響。拉伸試樣取樣方向與軋制方向垂直，拉伸試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。在熱軋板卷寬度四分之一處切取金相試樣，用標(biāo)準(zhǔn)程序制樣后再用 4% 硝酸酒精溶液侵蝕，借助徠卡DMI5000M 倒置金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，并利用Imagepro-plus 軟件測(cè)量晶粒尺寸。采用碳復(fù)型萃取方法制作薄膜樣品，利用 JEM2100F 型透射電鏡觀察碳膜上附著的析出相粒子。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

表1 是6 爐試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分。其中1號(hào)樣未添加鈦鐵，2～5 號(hào)樣分別含有0.021%、0.032%、0.038%、0.054%和0.073%的鈦含量。

表1 6 爐試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical compositions of 6 heats of test steel %

2.2 力學(xué)性能

將表1 中的6 爐試驗(yàn)鋼軋制成熱軋板卷，拉伸性能檢測(cè)結(jié)果如圖1 所示，其中屈服強(qiáng)度ReL、抗拉強(qiáng)度Rm和延伸率A的數(shù)據(jù)均為各爐若干熱軋板卷平均值。可以看出，在相同的生產(chǎn)工藝條件下，含碳0.17% 低碳錳鋼添加微合金化元素鈦可以產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用：當(dāng)鈦含量≤0.020% 時(shí)，強(qiáng)度緩慢提高，延伸率少量降低；當(dāng)鈦含量為0.021%～0.038%時(shí)，強(qiáng)度顯著提高，延伸率明顯降低；當(dāng)鈦含量大于0.038%時(shí)，強(qiáng)度增加趨緩，延伸率進(jìn)一步降低。鈦含量為0.021%～0.073% 時(shí)，鈦對(duì)試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可達(dá)10～145 MPa。

圖1 鈦含量對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼拉伸性能的影響Fig.1 Effect of titanium content on tensile properties of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbon-manganese steel

對(duì)表1 中的6 爐試驗(yàn)鋼軋制成的熱軋板卷進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)：每個(gè)板卷各取1 組系列沖擊試樣，每1 個(gè)試驗(yàn)溫度取3 個(gè)沖擊試樣，3 個(gè)沖擊試樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為該卷在各試驗(yàn)溫度下的沖擊試驗(yàn)數(shù)值；沖擊試樣方向?yàn)榭v向，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，其中各數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值為各熱軋板卷在各試驗(yàn)溫度下沖擊功數(shù)值的平均值。可以看出：隨著鋼中鈦含量的增加，鋼的沖擊功則不斷下降。

圖2 鈦含量對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼系列溫度沖擊性能的影響Fig.2 Effect of titanium content on temperature impact properties of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbonmanganese steel

2.3 顯微組織

對(duì)6 爐試驗(yàn)鋼熱軋板卷的顯微組織進(jìn)行檢測(cè)，部分板卷的顯微組織如圖3 所示。由圖3 可以看出，試驗(yàn)鋼組織均由鐵素體+珠光體+少量魏氏體組成；隨著鋼中鈦含量的增加，熱軋板卷的晶粒尺寸略微變細(xì)。

圖3 鈦含量對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼熱軋板卷顯微組織的影響Fig.3 Effect of titanium content on microstructures of hot rolled coil of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbon-manganese steel

圖4 是6 爐試驗(yàn)鋼熱軋板卷的晶粒尺寸檢測(cè)結(jié)果，圖中數(shù)據(jù)均為各爐若干熱軋板卷晶粒尺寸平均值。可以看出，隨著鋼中鈦含量自0 增加至0.073%，平均晶粒尺寸自8.33 μm 減小至6.50 μm，鋼的晶粒尺寸略微細(xì)化。

圖4 鈦含量對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼平均晶粒尺寸的影響Fig.4 Effect of titanium content on average grain size of hot rolled coil of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbonmanganese steel

2.4 含鈦析出物

透射電鏡觀察和能譜分析表明，對(duì)表1 中6 爐試驗(yàn)鋼添加鈦元素，隨鋼中Ti 含量由0 增加到0.073%，很難觀察到TiN，但是均能夠觀察到Ti4C2S2、Ti(CN)和TiC，Ti 含量越高，這些顆粒的數(shù)量越多，尤其是隨鋼中Ti 含量增高，TiC 顆粒的數(shù)量急劇增加。Ti4C2S2、Ti(C,N)和部分大尺寸TiC顆粒尺寸大多約10 ～100 nm，大量微細(xì)TiC 顆粒尺寸一般＜10 nm。

例如2 號(hào)試驗(yàn)鋼添加0.021% 鈦元素，其試樣中的含鈦析出物形貌及其能譜分析如圖5 所示，圖中23 號(hào)和26 號(hào)顆粒是Ti(C,S)，24 號(hào)和25 號(hào)顆粒是Ti(C,N)，27 號(hào)和28 號(hào)顆粒是TiC。

圖5 含鈦0.021%試驗(yàn)鋼試樣中的含鈦析出物形貌及其能譜分析Fig.5 Morphology and energy spectrum analysis of titanium precipitates in sample of testing steel bearing 0.021% titanium

圖6 是含鈦0.032%～0.073%試驗(yàn)鋼試樣的碳復(fù)型透射電鏡照片，顯示隨鋼中鈦含量增加，能夠沉淀析出大量的TiC 顆粒。這些TiC 顆粒形狀呈不規(guī)則狀態(tài)分布，邊界不甚清晰，少量沿鐵素體晶界析出，大部分在鐵素體晶粒內(nèi)部析出，大部分顆粒尺寸≤10 nm。

圖6 含鈦0.032%～0.073%試驗(yàn)鋼試樣中的TiC 顆粒形貌Fig.6 Morphologies of TiC particals in sample of testing steel bearing 0.032%～0.073% titanium

3 分析與討論

3.1 鈦含量對(duì)鋼力學(xué)性能的影響

有很多文獻(xiàn)對(duì)鈦在鋼中的析出行為及其對(duì)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了大量的研究，得到了很多有益的試驗(yàn)結(jié)果，例如文獻(xiàn)[11] 研究了碳含量為0.055%耐大氣腐蝕鋼SPA-H 鋼中鈦含量與屈服強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)針對(duì)碳含量為0.055%的低碳錳鋼，強(qiáng)度隨Ti 含量轉(zhuǎn)變的2 個(gè)拐點(diǎn)分別是0.045%和0.095%。然而本論文研究結(jié)果表明：針對(duì)碳含量為0.17%的低碳錳鋼，雖然強(qiáng)度隨鈦含量轉(zhuǎn)變的曲線形狀與文獻(xiàn)中大致相似，但是強(qiáng)度隨Ti 含量轉(zhuǎn)變的2 個(gè)拐點(diǎn)分別是0.020%和0.038%，二者明顯不同。

上述差異可以這樣定性解釋：文獻(xiàn)采用常規(guī)耐大氣腐蝕鋼SPA-H 進(jìn)行鈦微合金化，其碳含量為0.055%左右，而本論文采用0.17C-0.30Si-1.40Mn低碳錳鋼進(jìn)行鈦微合金化，其碳含量為0.17%左右，碳含量明顯高出很多，而碳含量的大幅增加可以大大加快鋼中Ti(C,N)、Ti4C2S2和TiC 顆粒的沉淀析出，因而使強(qiáng)度隨鈦含量轉(zhuǎn)變的2 個(gè)拐點(diǎn)提前出現(xiàn)。

因此鈦對(duì)鋼力學(xué)性能的影響還是比較復(fù)雜的，至少鈦對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響還與鋼中碳含量有關(guān)，至于鈦含量對(duì)含有更高碳含量的鋼，例如中碳鋼（≥0.30%）和高碳鋼（≥0.60%）的力學(xué)性能的影響還幾乎沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。

3.2 鈦含量對(duì)鋼晶粒尺寸的影響

根據(jù)Hall-Petch 公式[12?13]，對(duì)于鐵素體+珠光體類型低碳鋼，屈服強(qiáng)度σs與鐵素體晶粒尺寸有如下關(guān)系：

式中，ky為系數(shù)，對(duì)于大角度晶界，其值為15.1～18.1 MPa·mm1/2（低碳鋼中常采用17.4 MPa·mm1/2）；d為鐵素體晶粒平均直徑，mm。

由圖3 和圖4 可以看出鈦對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼的顯微組織影響不大，僅能使其晶粒尺寸略微減小。例如，鋼中添加0.073%的鈦，僅能使其平均晶粒尺寸由8.20 μm 細(xì)化至6.50 μm，根據(jù)Hall-Petch 公式可以計(jì)算得出細(xì)晶強(qiáng)化增量為：

圖1 顯示，0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼添加0.073%鈦，其熱軋板卷屈服強(qiáng)度平均值提高145 MPa，因此晶粒細(xì)化的強(qiáng)化作用極其有限，貢獻(xiàn)率僅有24/145=16.6%。

對(duì)上述定量計(jì)算結(jié)果可以定性解釋為：現(xiàn)代冶煉流程普遍采用潔凈鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)，包括深脫氧、深脫硫、低氮鋼、鋼水殘余元素控制等技術(shù)，以及全過(guò)程保護(hù)澆注技術(shù)等，使鋼中的氮、氧、硫等元素控制在較低水平，并且還往往向鋼中添加一定數(shù)量的鋁，因此能夠與鈦化合形成TiN 或者Ti(CN)的氮實(shí)在太少。例如本論文所用試驗(yàn)鋼氮含量很低（僅有0.002 1%～0.003 1%），即使鋼中添加更多的鈦元素，也難以析出TiN 顆粒，只能析出少量的Ti(N,C)或者Ti4C2S2顆粒，而且尺寸較大（如圖5 所示），只能起到微弱的細(xì)晶強(qiáng)化作用，這樣就可以很好地解釋圖3 和圖4 的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 鈦微合金化鋼的強(qiáng)化機(jī)理

根據(jù)Gladman 等人對(duì)Ashby-Orowan 修正模型的處理[14]，細(xì)小粒子的沉淀強(qiáng)化作用可表示為：

其中，σd為沉淀強(qiáng)化對(duì)鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa；r為平均粒子半徑，μm；μ為剪切系數(shù)，對(duì)于鋼材（鐵素體）其值為80.26×103MPa；b為柏氏矢量，2.48×10?4μm；f為第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)。

要估算TiC 顆粒的沉淀強(qiáng)化作用，需要確定TiC 顆粒的平均顆粒半徑和TiC 顆粒的體積分?jǐn)?shù)，目前的相關(guān)試驗(yàn)不能確定這2 個(gè)參數(shù)，因此無(wú)法利用公式3 來(lái)計(jì)算鋼中TiC 顆粒的沉淀強(qiáng)化作用。

透射電鏡分析表明：針對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn低碳錳鋼，隨鋼中Ti 含量由0 增加到0.073%，很難觀察到TiN 顆粒，但是能夠觀察到少量的尺寸較大的Ti4C2S2、Ti(CN)顆粒，以及大量的微細(xì)TiC 顆粒，Ti 含量越高，這些微細(xì)TiC 顆粒的數(shù)量越多，根據(jù)公式（3）就可以定性推斷：盡管鋼中存在的大量的微細(xì)TiC 顆粒的本質(zhì)及其析出過(guò)程有待進(jìn)一步澄清，但根據(jù)其尺寸和分布特征，它們?cè)阡撝心軌蚱鸬綇?qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化作用，因此鋼中主要強(qiáng)化方式是大量微細(xì)TiC 顆粒所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化作用。

正是因?yàn)殁佋?.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼中只能起到微弱的細(xì)晶強(qiáng)化作用，主要強(qiáng)化方式是大量微細(xì)TiC 粒子所產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化作用，因此含碳0.17%碳鋼中加入越多鈦，鋼的延伸率和沖擊功下降就越多，其系列溫度沖擊曲線上沒(méi)有明顯的韌脆轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

4 結(jié)論

1）鈦對(duì)0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼組織和力學(xué)性能的影響是：結(jié)合適當(dāng)?shù)臒峒庸すに?，鈦含量?.021%～0.073% 時(shí)，鈦對(duì)試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可達(dá)10～145 MPa。當(dāng)鈦含量≤0.020%時(shí)，強(qiáng)度緩慢提高；當(dāng)鈦含量為0.021%～0.038%時(shí)，強(qiáng)度顯著提高；當(dāng)鈦含量大于0.038% 時(shí)，強(qiáng)度增加趨緩。鈦加入到含碳0.17%低碳錳鋼中越多，鋼的延伸率和沖擊功下降就越多，其系列溫度沖擊曲線上沒(méi)有明顯的韌脆轉(zhuǎn)折點(diǎn)。鈦對(duì)鋼的顯微組織影響不大，僅能使其晶粒尺寸略微減小。

2）鈦微合金化0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼的強(qiáng)化機(jī)理是：鋼中添加一定數(shù)量的鈦元素，只能沉淀析出少量的Ti(N,C)和Ti4C2S2顆粒，尺寸較大，只能起到微弱的細(xì)晶強(qiáng)化作用；但是鈦在鋼中能夠沉淀析出大量的細(xì)微TiC 顆粒，能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化作用，因此鈦微合金化含碳0.17%低碳錳鋼的主要強(qiáng)化方式是大量細(xì)微TiC 析出相粒子所產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化作用。

3）鈦含量對(duì)低碳錳鋼力學(xué)性能的影響還與鋼中碳含量有關(guān)，鋼中碳含量不同，強(qiáng)度隨鈦含量轉(zhuǎn)變曲線上的2 個(gè)拐點(diǎn)也不相同。