熱軋含Ti微合金鋼拉伸性能及沖擊韌性的改善

孟靜　常帥　陳嘉宇 關建輝

關鍵詞：微合金鋼；力學性能；細晶強化；析出強化；沖擊韌性

0 前言

隨著全球面臨的能源和環境問題日益嚴峻，一方面，用戶迫切要求采用更高強度等級鋼材替代低強度鋼材，從而降低鋼件的重量。另一方面，考慮到后續加工和使用要求，鋼材還需要具備優良的韌性以及良好的冷加工成形性能和焊接性能。

微合金化技術是20世紀鋼鐵領域一項重要的發明。目前，微合金鋼以其顯著的優勢取代低強度碳錳鋼，并且已廣泛應用于工程機械、建筑結構、石油管線、橋梁、汽車和輪船制造等行業。這類鋼通常添加V、Nb、Ti、Mo等一種或幾種合金元素，通過細晶強化、固溶強化、相變強化、析出強化和位錯強化等方式獲得較高的強度和優良的使用性能。目前常用的微合金化方式主要有Nb-Ti、Nb-V、V-Ti、Nb-V-Ti， 其中Ti的作用多以固氮、抑制原奧晶粒長大、改善焊接性能等作用為主。當鋼中的Ti含量達到一定量時，Ti還具有較強析出強化效果。隨著冶煉技術的進步，Ti在鋼中的添加量也逐步增大。但是，鋼中Ti含量過高常會導致鋼的韌性變差，影響其后續加工及成品服役。如何在提高鋼強度的同時不損害鋼的韌性，同時還能使鋼板滿足后續加工成形和服役要求，是目前亟待解決的問題。

Nb在鋼中具有較強的細晶作用，微量添加便可有效改善鋼的韌性。周景一等認為含Nb鋼中彌散分布的Nb（C，N）具有沉淀強化和細晶強化的作用，在提高汽車鋼力學性能及耐磨性能等方面具有重要的意義。高石等針對Nb對中低碳超級貝氏體鋼組織與性能的影響開展了研究，發現Nb元素可以促進碳化物析出，促進貝氏體轉變、細化殘留奧氏體、提高組織均勻性與穩定性，是中低碳超級貝氏體鋼性能提高的主要機制。

Ti-Nb復合微合金化被認為是滿足鋼的高強、高韌性能要求的有效途徑。楊雪瑩等針對Ti-Nb復合微合金化高強度鋼強化機理進行了研究，發現鋼基體中的納米級析出（Nb，Ti）（C，N）粒子有效阻礙位錯運動，是提高材料強度的主要機制。近年來，Ti-Nb復合微合金鋼的應用逐漸增多，但相關報道卻并不多見，其力學行為和強韌機理有待進一步研究。本文設計了3種不同成分的含Ti微合金鋼，采用不同的軋制工藝在?750 mm熱軋試驗機組上軋制成鋼板，系統研究合金化成分和軋制工藝對Ti微合金鋼室溫拉伸性能和沖擊韌性的影響，以改善含Ti鋼的強度和沖擊韌性。

1 試驗材料及試驗方法

試驗鋼采用150 kg真空感應爐冶煉，冶煉鋼錠經精整后切成尺寸為130 mm×130 mm×100 mm的坯料，按照其化學成分分別編號為1號、2號、3號和4號，其中1號和2號為對照組。

試驗鋼化學成分見表1。1號試驗鋼采用微Ti處理，即添加質量分數為0.020%的Ti； 2號試驗鋼添加質量分數為0.080%的Ti。3號和4號試驗鋼采用Ti-Nb復合微合金化，即添加質量分數為0.03%的Nb和0.080% 的Ti。

微合金鋼加熱溫度的設定與常規C-Mn鋼不同，加熱過程應保證微合金元素充分固溶，才能在隨后的軋制、冷卻和卷取過程中析出，發揮細晶強化和析出強化的效果。因此，試驗鋼加熱溫度設定為1 250～1 270 ℃，之后保溫2 h， 然后經?750 mm熱軋試驗機組軋成厚度為10 mm的鋼板。1、2和3號試驗鋼軋制工藝參數為：開軋溫度為1 100 ℃，軋制7道次，終軋溫度為880 ℃，軋后冷卻速度為25 ℃/s， 終冷溫度為620 ℃，冷卻后鋼板置于溫度為620 ℃的加熱爐中保溫1 h后爐冷至室溫，以模擬熱軋卷取過程。

考慮到軋制工藝對鋼板性能的影響，4號試驗鋼軋制工藝參數為：開軋溫度為1 050 ℃，軋制7道次，終軋溫度為840 ℃，軋后冷卻速度為25 ℃/s，終冷溫度為560 ℃，冷卻后鋼板置于溫度為560 ℃的加熱爐中保溫1 h后爐冷至室溫。

在試驗鋼板上沿其軋制方向切取、制備拉伸試樣，在Model 5582 100 kN拉伸試驗機上按GB/T 228—2010標準測量其強度和伸長率。每個試驗鋼在鋼板長度方向不同位置取3個拉伸試樣，檢測其強度和伸長率并求得均值。沿鋼板軋制方向切取并制備沖擊試樣，沖擊試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm， 測量試驗鋼板在20、0、-20、-40、-60 ℃下的沖擊功。采用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡觀察沖擊試樣斷口，采用Oxford能譜儀分析斷口形貌，采用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡配備的Oxford能譜儀分析夾雜物成分。

沿試驗鋼板軋制方向取金相試樣，并且采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液（4%HNO3+96%C2H2OH）腐蝕10 s， 采用ZEISS Axio Imager Z1 m型金相顯微鏡和ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡觀察試驗鋼的微觀組織。使用顯微鏡Axio Vision4 grain模塊測量鋼板的晶粒度及其平均晶粒尺寸。采用掃描電鏡配備的Explorer4 Analyzer型夾雜物分析儀分析1號和2號夾雜物。

采用萃取復型方法，利用碳膜在拋光腐蝕后的3號和4號金相樣品表面復型，使鋼中的析出相附在碳膜上，并采用型號為JEM-2100F型200 kV場發射透射電鏡，觀察微合金析出物形貌，采用INCA ENGERGY TEM250型能譜儀器分析析出相成分信息。

2 試驗結果及討論

2.1 微觀組織和析出物

圖1所示為試驗鋼的微觀組織形貌，從圖中可以看出，1～3號試驗鋼組織主要為鐵素體+珠光體，其中1號和2號試驗鋼晶粒度相當，鐵素體主要為等軸狀鐵素體晶粒，利用掃描電鏡可以看出珠光體層的片狀形貌。3號試驗鋼添加了0.03%的Nb，與2號試驗鋼相比，鐵素體基體晶粒尺寸變小，其基體主要為等軸狀鐵素體和少量準多邊形鐵素體。4號試驗鋼采用較低的軋制溫度和卷取溫度生產，其組織主要為準多邊形鐵素體，鐵素體晶粒更加細小。

采用萃取復型的方法制備3號和4號試驗鋼薄膜樣品，觀察鋼中的微合金析出物。3號和4號試驗鋼微合金析出物掃描電鏡形貌如圖2所示，其能譜分析結果見表2。微合金析出物主要呈粒狀，尺寸約為10～80 nm， 以Nb-Ti復合析出相為主。4號試驗鋼微合金析出物尺寸和析出量略少于3號試驗鋼，但差別并不明顯。

2.2 力學行為

2.2.1 拉伸性能

試驗鋼的室溫拉伸性能見表3，隨著鋼中微合金元素含量的增多，1～3號試驗鋼的強度逐漸增大。1號試驗鋼強度最低，其屈服強度為327 MPa， 抗拉強度為418 MPa； 2號試驗鋼強度較1號試驗鋼明顯升高，其屈服強度為615 MPa， 抗拉強度為687 MPa； 3號試驗鋼強度最高，其屈服強度為680 MPa， 抗拉強度為740 MPa。1號試驗鋼Ti質量分數為0.020%，Ti在鋼中主要與氮元素結合，細化原奧氏體晶粒，對強度的貢獻很小。2號試驗鋼Ti質量分數為0.080%，少部分Ti與鋼中氮結合形成TiN，細化原奧氏體晶粒，更多Ti在模擬卷取階段以TiC形式析出，顯著增加鋼的強度。3號和4號試驗鋼在2號試驗鋼的基礎上添加了0.03%的Nb， 強度進一步提升。

4號與3號試驗鋼相比，其強度略低。這是由于4號試驗鋼終軋溫度為840 ℃，軋制過程儲存的畸變能促進更多的微合金相析出，由于析出溫度較高，析出相尺寸較大，強化作用不明顯；而3號試驗鋼終軋溫度高，微合金相主要在模擬卷取階段析出，析出相尺寸更小，析出強化效果明顯，因此較4號獲得更高的強度。

2.2.2 沖擊韌性

圖3所示為試驗鋼在不同溫度下的沖擊功，沖擊樣品尺寸為5 mm×10 mm×55 mm。隨著試驗溫度的降低，試驗鋼沖擊功均呈逐漸降低的趨勢。其中2號試驗鋼沖擊功降低最為明顯，在-40 ℃下的沖擊功降低至20 J以下，發生脆性斷裂。1號和3號試驗鋼-20 ℃沖擊功也出現明顯降低，但整體沖擊功均高于2號試驗鋼。4號試驗鋼沖擊功最高，在20、0、-20、-40、-60 ℃下的沖擊功均在100 J以上。

圖4所示為2號和4號試驗鋼在-40 ℃下的沖擊斷口形貌，4號試驗鋼沖擊斷口有大量的韌窩，為典型韌性斷裂，如圖4（b）所示，而2號斷口主要表現為脆性解理斷裂形貌。

2號試驗鋼沖擊殘樣中TiN形貌及能譜分析結果如圖5所示。2號試驗鋼在-40 ℃下沖擊斷口呈解理斷裂形貌，淺磨沖擊斷裂面，并用體積分數為4%的硝酸酒精溶液（4%HNO3+96%C2H2OH）腐蝕，金相形貌如圖5（a）所示，在裂紋擴展形成的溝槽中有TiN分布，其掃描電鏡形貌如圖5（b）所示，能譜分析結果見表4。TiN呈立方體型，帶有尖銳棱角，其尺寸為3～20 μm。大尺寸的TiN形成于連續凝固階段，楊躍標等針對鋼液凝固過程進行計算，結果表明，當固相率大于57%時，兩相區中的Ti、N實際濃度積會大于平衡濃度積，于是會在凝固兩相區高溫析出TiN。

當鋼中N元素含量、凝固條件等一定時，Ti含量越高，鋼水凝固階段形成的TiN數量越多，尺寸也越大。采用掃描電鏡配備的Explorer4 Analyzer型夾雜物分析儀對不同Ti含量的1號和2號試驗鋼進行分析。掃描分析面積為70 mm2，2號試驗鋼中TiN典型形貌如圖6所示，TiN主要為立方形或近似立方形，其夾雜物統計結果見表5。由表中可以看出，Ti質量分數為0.080%的2號試驗鋼TiN夾雜物數量和尺寸明顯高于1號試驗鋼。

在常規鑄坯加熱和軋制過程中TiN很難消除。TiN屬于鋼中的硬脆相，鋼中存在的TiN破壞了鋼基體的連續性。在正應力及位錯塞積力的作用下，容易導致大顆粒TiN夾雜物與基體剝離，從而產生微裂紋。若鋼的晶粒尺寸較大時，裂紋擴展的阻力較小，裂紋容易快速擴展從而導致解理斷裂，嚴重降低鋼的低溫韌性。

2.3 討論

2.3.1 含Ti微合金鋼強化機理

低碳微合金鋼的強化方式包括固溶強化、細晶強化、位錯強化和析出強化，其中細晶強化和析出強化是主要強化方式。Ti-Nb微合金鋼中細晶強化分量可以用Hall-Petch公式描述，如式（1）所示。

σg=kyd-1/2（1）

式中：σg為細晶強化引起的強度增量，MPa； ky為比例系數，低碳鋼取值為17.4 MPa·mm1/2；d為鐵素體基體平均晶粒尺寸，μm。

實測1號、3號和4號試驗鋼鐵素體基體平均晶粒尺寸分別為10.9、6.8、3.9 μm， 代入式（1），細晶強化引起的強度增量分別為166、211、279 MPa。

析出強化機制可以用Ashby-Orowan模型描述，如式（2）所示。

（2）

式中：σP為沉淀強化分量，MPa； f為析出相體積分數；X為析出相粒徑，μm。

可以看出，析出相體積分數越大、析出相粒徑越細小，析出強化作用就越好。與1號試驗鋼相比，2號試驗鋼添加了質量分數為0.080%的Ti， 強度明顯提高，屈服強度增加了288 MPa， 抗拉強度增加了269 MPa， 具體數值見表3。可以看出，Ti的析出強化效果十分明顯。文獻曾提出有效Ti概念，有效Ti計算公式如式（3）所示，分別代入1號、2號和3號試驗鋼化學成分，得到有效Ti質量分數分別為：0.000 8%、0.058%、0.056%、0.056%。文獻研究了有效Ti含量對鋼強度的影響，認為0.01%的有效Ti質量分數對強度的貢獻約為44 MPa。

we（[Ti]）=w（Ti）-3.4w（N）-3w（S）（3）

式中：we（[Ti]）為有效Ti質量分數，%；w（Ti）、w（N）和w（S）分別為Ti、N和S的質量分數，%。

Ti的化學性質活潑，易在液態或凝固初期與鋼中N元素結合形成TiN，起到固氮和細化原奧氏體晶粒的作用，此時，微量的Ti對鋼的強度貢獻不大。隨著鋼中Ti含量的增加，在軋制或卷取階段，鋼中的微合金元素與C、N反應，產生細小彌散的微合金析出物，具有明顯的析出強化效果。

2.3.2 含Ti微合金鋼沖擊韌性的改善

隨著鋼強度的升高，材料的沖擊韌性不斷降低，當鋼中存在帶有尖銳棱角的大顆粒TiN夾雜物時，會進一步降低鋼的低溫韌性。如何改善含Ti鋼的低溫韌性成為制約含Ti鋼應用的主要難題。

為改善含Ti鋼的低溫韌性，3號試驗鋼采用Ti-Nb微合金化工藝，在2號試驗鋼成分的基礎上添加質量分數為0.03%的Nb， 微合金元素Nb的加入使3號試驗鋼的低溫韌性得到明顯改善，如圖2所示。為進一步提高鋼的韌性，4號試驗鋼采用與3號試驗鋼近似的化學成分，采用840 ℃低溫終軋和560 ℃低溫卷取工藝生產，鋼的強度雖略有減低，但沖擊韌性明顯改善，在20、0、-20、-40、-60 ℃下的沖擊功均在100 J以上。

4號試驗鋼強度略低于3號試驗鋼，主要與微合金碳氮化物析出引起的沉淀強化效果有關。首先，4號試驗鋼采用低溫軋制工藝促進了變形奧氏體微合金碳氮化物析出，奧氏體中微合金碳氮化物析出可以釘扎奧氏體晶界，但由于奧氏體階段微合金碳氮化物析出溫度較高，析出顆粒尺寸較大，對強度的貢獻較小。同時，奧氏體微合金碳氮化物的析出較多會導致后續鐵素體中的析出物減少，降低了鐵素體中沉淀析出的強化效果。文獻認為軋制溫度的降低有利于奧氏體晶粒的細化，能夠得到更細小的鐵素體晶粒，但低溫軋制消耗了更多的微合金元素，使得隨后在鐵素體中析出量減小，從而會影響沉淀強化效果。其次，為了抑制鐵素體晶粒長大，4號試驗鋼采用低溫卷取工藝，低溫卷取條件下，微合金元素擴散能力相對減弱，也在一定程度上影響到微合金相的析出量，3號和4號試驗鋼中微合金碳氮化物析出相分布如圖7所示，3號試驗鋼析出相更多且粒徑較小。以上兩個方面的原因導致4號試驗鋼沉淀強化效果低于3號試驗鋼，盡管4號試驗鋼較3號試驗鋼晶粒更細小，但整體上強度仍略低于3號試驗鋼。

4號試驗鋼較3號試驗鋼低溫韌性的改善主要與微合金元素Nb及低溫軋制引起的細晶效果有關。首先，Nb的微合金碳氮化物主要在精軋階段析出，文獻的計算結果表明，微合金碳氮化物在奧氏體中沉淀析出的PPT曲線呈C曲線形式，形變溫度對微合金碳氮化物在奧氏體中的沉淀析出行為有顯著影響。非再結晶溫度以下，軋制變形溫度越低，鋼板的變形抗力越大，被儲存在鋼中的變形能就越多。微合金碳氮化物析出遵循“形核-長大機制”，一方面，低溫軋制導致晶格畸變大，可以為微合金碳氮化物析出提供更多的形核質點，另一方面，軋制溫度低，微合金碳氮化物析出的過冷度大，這樣也會促使更多的形核點生成。綜上，4號試驗鋼低溫軋制促使精軋過程析出更多的碳氮化物。精軋階段析出Nb的碳氮化物可以有效釘扎位錯，從而又使精軋階段積累更多的變形能；其次精軋階段奧氏體基體中析出的彌散碳氮化物可以為后續冷卻過程鐵素體形核提供核心。以上兩個方面的作用都有利于在軋后獲得細小的鐵素體晶粒。

晶粒細化是鋼鐵材料中大幅提高韌性的主要方式。晶粒細化，單位體積內晶粒數目增多，塑性變形可以分散在多個晶粒內進行，因而塑性變形均勻，內應力集中程度小。同時晶粒細化、晶界面積增加、裂紋擴展所需的阻力增大，擴展所需能量增加。因此，為改善低碳Ti微合金鋼的沖擊韌性，可以采用Nb微合金化，同時配合低溫軋制和低溫卷取工藝細化晶粒，從而獲得較好的沖擊韌性。

3 結論

（1）低碳鋼中加入質量分數為0.080%的Ti， 通過Ti的析出強化，可以顯著提高鋼的強度，但同時也會導致鋼的沖擊韌性明顯降低。凝固過程析出的大顆粒TiN、軋制和冷卻過程形成粗大的鐵素體晶粒是導致含Ti微合金鋼沖擊韌性惡化的主要因素。

（2）鋼中Ti含量越高，凝固過程析出的TiN夾雜物越多，顆粒尺寸也越大。

（3）通過在Ti微合金鋼中加入Nb， 采用Ti-Nb復合強化，同時配合840 ℃低溫終軋和560 ℃低溫卷取工藝，可顯著改善含Ti微合金鋼的沖擊韌性，使鋼板獲得高強、高韌的綜合性能。

本文摘編自《中國冶金》2023年第2期