鈮元素對(duì)普碳鋼熱軋組織性能的影響

白日普

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030003）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

鈮元素對(duì)普碳鋼熱軋組織性能的影響

白日普

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030003）

在普碳鋼Q235中加入少量Nb元素，以控制軋制方式生產(chǎn)不同厚度的熱軋鋼板。對(duì)其力學(xué)性能、金相組織和精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試和觀察，結(jié)果顯示：Nb元素通過細(xì)化組織和析出強(qiáng)化機(jī)制可大大提高鋼的強(qiáng)度；尤其是對(duì)厚度較大的鋼板，這種作用顯得非常重要。

熱軋鋼板 Nb元素 組織結(jié)構(gòu) 性能

提高材料的強(qiáng)度有多種方法［1-3］，而如何使用少量的合金生產(chǎn)高強(qiáng)度的鋼板，即用低合金或微量合金化制造出高合金同等強(qiáng)度的材料是為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展而提出的環(huán)境友好型的工藝方法之一。同時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)輕型化、可靠性高、生產(chǎn)成本低，均是現(xiàn)代鋼鐵材料生產(chǎn)工藝考慮的因素。眾所周知，細(xì)化鋼鐵材料的組織，是提高其強(qiáng)度且不降低其韌性的最有效的手段。利用元素鈮在熱變形鋼中顯著延遲再結(jié)晶的晶粒細(xì)化效應(yīng)和碳、氮化合物的析出強(qiáng)化作用，能夠?qū)⑵胀ǖ吞间摰膹?qiáng)度提高到較高的水平，可獲得較好的強(qiáng)塑性配合［2］，以這種低碳鋼代替加入較多合金元素的固溶強(qiáng)化或組織強(qiáng)化鋼，很有發(fā)展前景。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為太鋼生產(chǎn)的不同化學(xué)成分的普通低碳鋼，分為不加鈮、加入不同含量的鈮軋制的不同厚度的低碳鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1 研究用鋼的化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用金相顯微鏡觀察軋態(tài)鋼板的金相組織，并用H-800型透射電鏡觀察顯微組織及結(jié)構(gòu)。金相腐蝕劑選用V（HNO3）=4%的硝酸酒精溶液。透射電鏡試樣制備：先將要觀察的試樣用線切割切成約1 mm厚的薄片，然后在金相砂紙上將其手工磨制至小于0.1 mm，再在雙噴電解裝置上減薄穿孔。所用電解雙噴液為高氯酸鉀的乙醇溶液（V（KClO3）=5%）。雙噴薄化時(shí)，工作電壓為45 V，工作電流為50 mA，工作溫度大約233 K。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 生產(chǎn)工藝及力學(xué)性能（見表2）

表2 研究用低合金鋼采用的控軋控冷工藝及相應(yīng)力學(xué)性能

2.2 金相組織

圖1—圖6給出了表2中1號(hào)—6號(hào)鋼的金相組織。

圖1 1號(hào)鋼金相組織400×

圖2 2號(hào)鋼金相組織400×

圖3 3號(hào)鋼金相組織400×

圖4 4號(hào)鋼金相組織400×

圖5 5號(hào)鋼金相組織400×

圖6 6號(hào)鋼金相組織400×

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

在固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等鋼材的諸多強(qiáng)化手段中，大多數(shù)在提高鋼鐵材料強(qiáng)度的同時(shí)，必然降低塑性及韌性，而唯獨(dú)細(xì)晶強(qiáng)化可以在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，不降低塑性且提高材料的韌性［4-5］，所以細(xì)晶強(qiáng)化是鋼鐵材料極為重要的強(qiáng)化方式。這是因?yàn)榫Я＜?xì)化產(chǎn)生了更多的晶界，而晶界兩邊的晶粒取向不同且無規(guī)律，此處的原子排列相當(dāng)紊亂。因此，當(dāng)塑性變形從一個(gè)晶粒傳播到相鄰晶粒時(shí)，由于晶界阻力大，穿過晶界就變得比較困難。另外，穿過晶界后滑移方向或裂紋擴(kuò)展方向又要發(fā)生改變。和晶內(nèi)的變形及裂紋擴(kuò)展相比，這種既要穿過晶界、又要改變方向的變形及裂紋擴(kuò)展要消耗很大的能量。所以晶粒越細(xì)小，消耗的能量越大，鋼的強(qiáng)度越高。因此，要設(shè)法獲得細(xì)小而均勻的晶粒組織，使材料具有較好的綜合機(jī)械性能，就是解決如何將鋼的晶粒細(xì)化的問題。

在軋制普碳鋼時(shí)，鋼的高溫動(dòng)態(tài)再結(jié)晶非常快，故獲得細(xì)小的鐵素體晶粒比較困難。而鋼中加入鈮元素后，由于可將鋼的未再結(jié)晶溫度區(qū)提高到950℃左右［6-7］，通過獲得較細(xì)的奧氏體組織和相變形核位置而使鐵素體組織充分細(xì)化；另一方面，由于鈮的存在必然使碳、氮化鈮從鐵素體中析出，從而起到對(duì)鋼的強(qiáng)化作用。

由圖1—圖6、表2可見，鋼在軋制后，組織基本為鐵素體+珠光體，只是晶粒大小及均勻程度不同。1號(hào)鋼不含鈮，表現(xiàn)為強(qiáng)度低，鐵素體晶粒較大；其他的鋼通過加入了合金元素Nb，特征是鐵素體組織得到充分細(xì)化，而使鋼的強(qiáng)度得到提高，并且隨著鋼中鈮含量的提高，基體上的顆粒析出物似乎也在增多，也必然起到提高鋼強(qiáng)度的作用。

為了清晰地說明鋼的這種強(qiáng)度和組織的變化，對(duì)加鈮和不加鈮的鋼取樣進(jìn)行透射電鏡觀察，如圖7—圖10所示。

圖7 1號(hào)鋼P(yáng)形貌12 000×

圖8 4號(hào)鋼P(yáng)形貌20 000×

圖9 6號(hào)鋼碳化物析出形貌（暗場(chǎng)）40 000×

圖10 6號(hào)鋼碳化物釘扎位錯(cuò)40 000×

由TEM圖精細(xì)結(jié)構(gòu)可見：1號(hào)鋼的珠光體片層較粗（見圖7）；而加入鈮后珠光體片層細(xì)化（見圖8）；在加入Nb的鋼組織中，均可以看到在鐵素體基體上析出了許多均勻、彌散、細(xì)小的碳化物顆粒（見圖9），并且這種碳化物對(duì)鋼中的位錯(cuò)有強(qiáng)烈的釘扎作用（見圖10）。這就證明，加入強(qiáng)碳化物形成元素Nb的鋼，在控制軋制過程中通過特殊碳化物的溶解與析出，起到阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大和細(xì)化鐵素體晶粒，也有細(xì)化珠光體片層的作用。同時(shí)，沉淀析出強(qiáng)化的作用和釘扎位錯(cuò)作用提高鋼的強(qiáng)度也是非常顯著的。

4 結(jié)論

1）在普碳鋼中加入鈮和不加鈮，通過控制軋制，其基體組織為鐵素體和珠光體；但加鈮生產(chǎn)的鋼板鐵素體晶粒得到的細(xì)化且珠光體片層較細(xì)而不含鈮的鋼晶粒較粗。

2）加鈮鋼鐵素體基體上分布有大量細(xì)小、彌散的碳化物，起到強(qiáng)化鋼的作用。

3）加鈮鋼通過細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和位錯(cuò)釘扎的綜合作用大大提高了鋼的強(qiáng)度。

［1］ 翁宇慶，孔令航，王國(guó)棟，等.超細(xì)晶鋼-鋼的組織細(xì)化理論與控制軋制技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：1-26.

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［4］ 楊忠民，趙燕，王瑞珍，等.普通低碳鋼低溫變形獲得超細(xì)晶體素體的形成機(jī)制［J］.金屬學(xué)報(bào)，2000（10）：1 061.

［5］ 楊平，傅云義，崔鳳娥，等.形變溫度對(duì)Q235碳素鋼應(yīng)變誘導(dǎo)相變的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2001，37（6）：601-608.

［6］ M.科恩.鈮和釩對(duì)微合金化鋼的綜合影響［G］//鋼的微合金化及控制軋制論文集.李述創(chuàng)，向德淵，譯.北京：冶金工業(yè)出版社，1984：215-234.

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（編輯：胡玉香）

The Impact of Niobium Elements on the Performance of Plain Carbon Steel Hot-rolled Structure Property

Bai Ripu
（Technology Center，Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

The effects of Nb addition are investigated on the microstructure and mechanical properties of Q235 plates with different thicknesses produced by controlling rolling.The results of mechanical properties，optical and TEM microstructures show that both of the yield strength and tensile strength are obviously improved by alloying with Nb addition，by grain refining and precipitation strengthening.Furthermore，the strengthening effect is especially important for the thicker Q235 plates.

hot-rolled steel plate，Nb element，structure，performance

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.10

TG142.41

A

1672-1152（2015）06-0029-02

2015-11-12

白日普（1969—），男，主要從事合金鋼及低合鋼的研究工作，工程師。E-mail：bairp@tisco.com.cn