Ti-Nb微合金化在低碳鋼組織和性能方面的影響研究

謝 爽

（1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201999；2.汽車用鋼開發(fā)與應用技術國家重點實驗室（寶鋼），上海 201999）

1 微合金低碳鋼概述

自上世紀五十年代以來，全球鋼鐵領域逐步應用了添微合金元素的方式來提升鋼材使用性能這一方式，這也為鋼材在力學性能方面的增強奠定了堅實的基礎。其中使用最為廣泛的微合金元素主要是Ti和Nb，具備良好的析出強化效果，將其與TMCP工藝進行深度結合，能夠讓鋼材具備更高的強度、焊接性能以及沖擊韌性。在勘探技術并不發(fā)達的年代，人們一度將Ti視作稀有金屬的一種，而在科學技術水平不斷進步的背景之下，各類含鈦礦物也層出不窮，加之人們已經探明了鈦于地殼中的含量在總質量中的占比為0.42%，遠遠高于銅、鉛、鎳、鋅這類元素，并且我國有著極為豐富的鈦金屬含量，同時由于鈦冶煉技術水平得到了突飛猛進的提升，鈦的價格持續(xù)下降，這充分表明了Ti金屬在工業(yè)應用之中具備較為廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

當前我國常用的微合金鋼都是將Nb、Ti復合化為核心，但由于Nb在地殼中的儲量遠遠少于Ti，其價格相對較為昂貴，因此人們逐步嘗試降低Nb微合金化的含量，不斷提升了Ti的占比，更有部分研究人員僅僅進行Ti合金化，同樣取得了一定的效果。杜開平等在超快速冷卻條件之下對Ti微合金鋼中的納米碳化物進行了研究，并深入分析了其強化作用，結果顯示在Ti微合金鋼之中有著數量眾多的納米級尺寸FexC、TiC析出物；王長軍對CSP工藝Ti微合金鋼的析出特征和強化機理進行了研究，結果顯示Ti與Mn含量越高，那么其中的小角度晶界分布比例也就越高，同時其中的TiC例子系數數量也有了較大幅度的提升。

2 實驗材料及方法

本次試驗主要是選擇了五種不同Ti含量梯度的低碳鋼作為實驗材料，具體如表1所示。其中的Ti含量由0.019%遞增至0.070%。通過真空感應加熱爐來分別冶煉低碳鋼，在完成冶煉之后利用鋸床進行加工，生成 35×20×8 cm 的小塊，并將其置于1200℃的電阻爐中持續(xù)保溫4.5h，接著利用Φ450×450mm二輥可逆式軋機1250℃保溫0.5h的兩階段控制軋制之后方可成形。其中二階段的開軋溫度為950℃，終軋溫度為860℃。

表1 實驗鋼檢測化學成分（質量分數/%）

鋼錠開坯厚度達到了80mm，成品厚度達到3.0mm，整個軋制過程包含了4道次的粗軋以及4道次的精軋，在粗軋過程中有著69%的總變形量，而在精軋過程中的變形量則有32%。在軋制完成之后，選取其中的金相樣沿軋向進行制備觀察，通過4%的硝酸酒精溶液完成腐蝕作用，并利用Zeiss Axio-Lab A1顯微鏡來完成試樣的觀察，通過Image-Pro Plus 6.0來對其晶粒尺寸進行統(tǒng)計歸納，并利用Tecnai G2 F20 場發(fā)射透射電子顯微鏡來對鋼板實際析出情況進行觀察。同時沿著鋼板軋制方向選擇拉伸試樣，在Instron拉伸試驗機中進行力學性能的測試，拉伸的具體尺寸如圖1所示。

3 測試結果分析

3.1 熱軋板顯微組織

由鋼熱軋實驗后所生成的金相組織能夠得知，如若Ti的含量小于0.042%，那么鐵素體在晶粒尺寸方面的變化并不大，一般在9.4μm左右；如若Ti的含量高于0.042%，那么鐵素體的晶粒尺寸就會隨著Ti含量的提升而變得更為細小，特別是在Ti含量為0.07%時，鐵素體晶粒尺寸就會到達谷值，一般在6.4μm左右。從相組成上而言，如若Ti的含量小于0.05%，那么整個組織大都呈現出多邊形鐵素體以及數量較少的珠光體；如若Ti的含量超過了0.05%，那么Ti含量越多，組織中就會出現相應的貝氏體，且數量和Ti含量成正比。

3.2 力學性能

熱軋板軋制方向的具體力學性能如表2所示。由表中的數據能夠得知，Ti含量越多，那么就會導致實驗鋼的屈服強度、屈服比以及抗拉強度不斷上升，延伸率不斷下降，同時屈服強度與抗拉強度的上升臨界點是Ti含量為0.042%時。

表2 熱軋板力學性能

3.3 強化機制分析

對于鋼材力學性能而言，成分以及加工工藝是最為關鍵的影響因素，本實驗所采取的五組實驗鋼有著相近的加工工藝，主要是探討Ti含量對實驗鋼力學性能所產生的影響，并結合低碳鋼強化機制來進行深入的分析。低碳鋼主要強化機制包含了固溶強化、沉淀強化以及細晶強化，其屈服強度如下列公式所示：

其中，σ0主要指的是晶格摩擦應力，在低碳鋼中的取值達到了48MPa；σs分別指的是固溶強化、σg細晶強化、σd位錯強化以及σp沉淀強化。

細晶強化主要是利用Hall-Petch公式來進行表達，具體如下：

其中d主要指的是鐵素體的平均晶粒尺寸，指的是比例系數，在低碳鋼中的取值達到了17.4MPa。

根據實驗研究數據能夠得知，在一般稀固熔體之中，固溶強化效應的表達如下：

其中主要指的是固溶態(tài)元素的質量分數，鐵素體中固溶碳含量w（C）的數值是0.01%；銅、錳、鉻、硅、鎳以及磷這類元素都是以固溶態(tài)形式存在于低碳鋼之中，而Ti則和氮、碳、硫這類元素產生化學反應，進而生成相應的化合物，在鐵基中的鈦含量相對較低，其所具備的強化作用基本可以忽略不計。

在對沉淀強化增量進行計算的過程之中，通過實驗所析出的Ti（C，N）是一種硬質相，在變形時位錯無法有效切開，故而其強化機制主要使用了不可變形顆粒強化理論-Orowan理論，其強化主要源自位錯繞過析出相發(fā)生彎曲而留下 Orowan 位錯環(huán)而產生的額外應力。

由于TiN在奧氏體中有著相對較低的溶解度，一般認為在均熱條件之下1100℃時，大部分TiN都能夠被析出，且有著較為粗大的出相顆粒。并且Ti也極易和S發(fā)生化學反應，進而生成Ti4C2S2，這樣便會對硫化物的實際夾雜狀態(tài)進行改變。但由于其所析出的粒子尺寸相對較大，并不會產生較為明顯的沉淀強化作用，因此主要是通過TiC這一析出例子來達成強化作用。通過計算能夠得出TiC的體積分數f以及沉淀強化增量△P，具體如表3所示。

表3 實驗鋼的物理參數

從表中的數據能夠得知，在使用強化模型之后，所獲取的沉淀強化增量和實測值基本吻合，且強度隨著Ti含量的變化能夠產生相應的變化，和有效鈦隨Ti含量變化趨勢基本相同。因此細晶強化對實驗鋼的強度增長做出了最大的貢獻，而沉淀強化則是引發(fā)試驗鋼在力學性能方面產生差異的關鍵因素。

4 結語

綜上所述，經過本次實驗研究發(fā)現，在Ti含量不斷提升之下，鋼材的屈服強度、屈服比以及抗拉強度也會隨之上升，而延伸率也會有效下降，鐵素體中所析出的數量眾多TiC顆粒是引發(fā)實驗鋼強度隨鈦含量變化以 Ti%=0.042%為界斜率呈現較大差異的關鍵因素。 鈦微合金鋼中，當 Ti 含量低于 0.042%時，Ti含量的提高對晶粒細化影響很??；當 Ti 含量高于 0.042%時，隨Ti 含量提高晶粒細化效果顯著增強。細小的 Ti C 顆粒可以抑制原始奧氏體晶粒長大和再結晶過程。采用 Hall-Petch 細晶強化公式和 Ashby-Orowan 沉淀強化模型計算得到的屈服強度與實測值有較好的吻合性，細晶強化對強度增量的貢獻最大，而沉淀強化是導致五組實驗鋼力學性能差異的主要原因。因此，相關人員應當明確認識到微合金化對低碳鋼組織及性能所產生的直接影響，在后續(xù)的工業(yè)生產之中選擇合理的工藝來全面提升低碳鋼的具體性能，進而保障工業(yè)生產相關工作的順利開展。