氮含量和TMCP對微合金V_N鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響_圖文

1、氮含量和T MCP 對微合金V 2N 鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響尹桂全1,2,黃貞益1,2,楊才福3,方芳3,姜輝1,2,鄭建平1,2,程堅(jiān)平4,程曉舫4,陳斌4(1.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002;2.安徽省高校金屬材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽馬鞍山243002;3.北京鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所,北京100081;4.馬鞍山鋼鐵公司技術(shù)中心,安徽馬鞍山243000摘要:研究了含氮量和第三代熱機(jī)械加工工藝(T MCP 參數(shù)對低碳微合金V 2N 鋼力學(xué)性能和顯微組織的影響。對系列超高氮和超低碳含量的微合金V 2N 鋼進(jìn)行了不同工藝的控制軋制,對軋后試樣進(jìn)行了力學(xué)性能測試、

2、顯微組織觀察以及晶粒大小的測定。結(jié)果表明,試驗(yàn)鋼中氮含量的增加及終軋溫度的降低均可使晶粒細(xì)化,強(qiáng)度相應(yīng)提高,但鋼中N 含量過高顯著損害塑性。試驗(yàn)鋼高溫變形奧氏體中析出微細(xì)VN 粒子,該粒子誘導(dǎo)軋后冷卻期間相變初期晶內(nèi)鐵素體的生成,產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化,是V 2N 微合金鋼的重要強(qiáng)化機(jī)制之一。關(guān)鍵詞:超低碳微合金V 2N 鋼;第三代熱機(jī)械加工工藝;力學(xué)性能;顯微組織;VN 粒子中圖分類號:TG142133文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:025426051(20080320004205Effects of n itrogen con ten t and T M CP on m i crostructure an

3、d m echan i ca lproperti es of V 2N m i cro 2a lloy i n g steelsYIN Gui 2quan1,2,HUANG Zhen 2yi 1,2,Y ANG Cai 2fu 3,F ANG Fang 3,J I A NG Hui 1,2,Z HE NG J ian 2p ing 1,2,CHENG J ian 2p ing 4,CHENG Xiao 2fang 4,CHE N B in4(1.School of Material Science and Engineering,Anhui University of Technol ogy,

4、Ma anshan Anhui 243002,China;2.Anhui Key Lab .of MetalMaterial and Pr ocessing,Ma anshan Anhui 243002,China;3.I nstitute f or Structure Material Research,Central Ir on and Steel Research I nstitute,Beijing 100081,China;4.Technical Center,Ma anshan Ir on &Steel Cor p.,Ma anshan Anhui 243000,China

5、 Abstract:The effects of nitr ogen content and third generati on ther mo 2mechanical contr ol p r ocess (T MCP para meters on m icr ostructure and mechanical p r operties of V 2N m icr oall oyed l o w carbon steels were studied .The series V 2N steels contai 2ning the super 2high nitr ogen and ultra

6、 2l ow carbon were r olled by different p r ocess .The mechanical p r operties of the s peci 2mens after r olling were tested .M icr ostructures were observed and grain size was measured .The results show that increasing the nitr ogen content and decreasing the final r olling te mperature of the ste

7、els all can refine the grain size effectively and in 2crease the strength corres pondingly .T oo high a nitr ogen content can da mage the ductility re markably .The fine VN particles p reci p itated fr o m austenite at high te mperature were observed in typ ical r olling s peci m ens using TE M.The

8、fine secondphase particles VN induced intragranular ferrite nucleati on at initial peri od of transf or mati on after r olling .Refine grains functi on of second phase particles is one of the i m portant strengthening mechanis m in the m icr oall oyed V 2N steels .Key words:super 2l ow carbon V 2N m

9、 icr oall oyed steels;third generati on T MCP;mechanical p r operties;m icr ostructure;VN particles作者簡介:尹桂全(1948,女,江蘇南通人,教授,主要從事金屬材料和現(xiàn)代顯微分析技術(shù)的教學(xué)和科研工作,已發(fā)表論文40余篇。聯(lián)系電話:0555*E 2mail:ygq319yahoo .co 基金項(xiàng)目:安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2006KJ 080A 收稿日期:2007208202近年隨著低價微合金鋼發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施及研究工作的不斷深入,氮在微合金鋼中的有益作用得到了廣泛的認(rèn)同。采用國內(nèi)外最新開

10、發(fā)的新一代低碳微合金V 2N 鋼和控制軋制工藝,利用高溫軋制過程中析出的VN 粒子形成細(xì)小晶內(nèi)鐵素體(I GF 的技術(shù),可使微合金V 2N 鋼的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用達(dá)到最大程度,同時韌性也得到明顯改善,該技術(shù)被稱為“第三代熱機(jī)械加工工藝(T MCP ”,產(chǎn)生“第三代晶粒細(xì)化”1,已經(jīng)成為微合金化發(fā)展的重要方向之一,涉及的微合金化技術(shù)及“組織細(xì)化理論”是研制開發(fā)新一代鋼鐵材料的核心技術(shù)2,已應(yīng)用于高強(qiáng)度厚截面型鋼和厚板產(chǎn)品的開發(fā)324,具有非常廣闊的應(yīng)用前景與理論價值。已有的研究工作表明,鋼中氮與再結(jié)晶控軋和加速冷卻工藝一起對鋼的強(qiáng)度和韌性產(chǎn)生重要影響526。本研究T MCP 工藝參數(shù)(終軋溫

11、度和軋制形變量對系列低碳微合金V 2N 鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響以及氮在鋼中的作用及機(jī)理,以探索實(shí)用低碳微合金V 2N 鋼合理的成分范圍及相應(yīng)最佳的控軋工藝。1試驗(yàn)材料與方法111試驗(yàn)材料試樣取自武鋼研究院試驗(yàn)生產(chǎn)的系列V 2N 微合金鋼板,為了突出鋼中N 的作用,特意降低碳含量,采用超高氮含量(最高提到01026%和超低碳含量的鋼種。4種試驗(yàn)鋼碳含量基本相同,僅改變氮含量。試驗(yàn)鋼主要化學(xué)成分及V 、N 元素含量比值列于表1。試樣為12mm 厚的板材。試驗(yàn)主要針對2號、3號、4號鋼進(jìn)行,1號鋼中基本不含V ,為對照用鋼。表1試驗(yàn)用V 2N 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%Table 1Che m

12、i ca l co m positi on of the tested V 2N steels (wt%鋼號C Si Mn P S V N A l V N 1號01058010361114<010*<010*<01005<0152號01062014051132010098010063011101014<010*號01060010311124010095<01001011201019<010*號0105501271120010090010050109201026<010053154112試驗(yàn)方法(1采用第三代T MCP 工藝對4種鋼板進(jìn)行軋制試驗(yàn)。

13、在實(shí)驗(yàn)室軋機(jī)上進(jìn)行控制軋制。T MCP 工藝參數(shù):奧氏體化溫度1200,保溫600s,終軋溫度選用950和850兩種,軋制變形量分別控制在30%和50%,軋后空冷。(2力學(xué)性能測試。將軋后試樣制成橫截面為280mm ×30mm 的薄板狀非標(biāo)拉伸試樣,在30t 的Z1000型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),采集試樣的抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和伸長率數(shù)據(jù)。(3顯微組織觀察以及晶粒大小的測定。按常規(guī)方法沿軋制方向磨制試樣,拋光、腐蝕后,用LE I CA DM I R M 光學(xué)金相顯微鏡觀察顯微組織形態(tài)并測定晶粒大小3。(4用H 2800型透射電子顯微鏡(TE M 觀察典型軋制試樣中析出的VN 粒

14、子。2試驗(yàn)結(jié)果及分析211拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)結(jié)果示于圖1。圖1中的橫坐標(biāo)自左向右依次表示4種試驗(yàn)用鋼的含氮量,950/30%表示終軋溫度950,軋制變形量30%(下同。由圖1a 可以看出,試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度b 隨鋼中N 含量的增加而升高,隨變形溫度的降低和變形量的減少而增大(圖1a 。含N 量相對最高的4號鋼(含01026%的N 在較低的850變形30%之后具有相對最高的抗拉強(qiáng)度值657MPa 。反之,含N 量相對最低、含V 量相對也最低的1號鋼在各種工藝軋制后的強(qiáng)度均最低,其在950變形50%之后具有相對最低的抗拉強(qiáng)度值406MPa。 圖1試驗(yàn)鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果(a 抗拉強(qiáng)度b (b 斷面收縮率(

15、c 伸長率Fig .1Tensile test results of the tested steels(a tensile strength b (b area contracti on (c el ongati on 由圖1b 、c 可知,試驗(yàn)鋼的斷面收縮率和伸長率隨鋼中N 含量和軋制工藝參數(shù)而變化的趨勢相反,如含N 量相對最高的4號鋼經(jīng)各種工藝軋制后這兩項(xiàng)塑性指標(biāo)均最低,并且變形30%試樣的塑性低于變形50%的。綜合考慮強(qiáng)度和塑性,4種鋼在較低溫度的850軋制變形50%的工藝參數(shù)相對合理,3號鋼的成分相對合理。212顯微組織觀察圖2和圖3所示為試驗(yàn)鋼分別在950和850軋制變形30%后的

16、顯微組織?？梢钥闯?試樣經(jīng)過不同溫度軋制后的顯微組織基本相同,都由鐵素體(圖中顯示為淺色的大量晶粒和珠光體(圖中顯示為鐵素體晶粒間的黑色微區(qū)組成。因?yàn)樵囼?yàn)鋼的含碳量很低,所以珠光體量很少。試驗(yàn)鋼中發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶,晶粒大小明顯不均,見圖2、3中b 、c 、d 。沿晶生成了大量細(xì)小的鐵素體晶粒,晶粒尺寸與晶內(nèi)的塊狀鐵素體明顯不同,出現(xiàn)了混晶,如圖2d 、3d 。比較圖2不同試樣在同一溫度軋制后的顯微組織可以看出,含氮量對試驗(yàn)鋼的顯微組織有很大影響。隨含氮量的增加,4種鋼中塊狀鐵素體晶粒尺寸明顯變小;珠光體含量的變化不明顯,但尺寸更細(xì)小,分布更彌散 。圖2試驗(yàn)鋼經(jīng)950軋制變形30%的顯微組

17、織(a 1號鋼(b 2號鋼(c 3號鋼(d 4號鋼Fig .2M icr ostructure of the tested steels r olled at 950and defor mati on 30%(a steel No .1(b steel No .2(c steel No .3(d steel No . 4圖3試驗(yàn)鋼經(jīng)850軋制變形30%的顯微組織(a 1號鋼(b 2號鋼(c 3號鋼(d 4號鋼Fig .3M icr ostructure of the tested steels r olled at 850def or mati on 30%(a No .1steel (b N

18、o .2steel (c No .3steel (d No .4steel 比較圖2和圖3同一試樣在不同溫度軋制后的顯微組織可以看出,控軋工藝對鋼的顯微組織有很大影響。隨終軋溫度的降低,4種試驗(yàn)鋼的組織均細(xì)化。213晶粒尺寸測定對4種試驗(yàn)鋼軋后晶粒尺寸的測定結(jié)果示于圖4?？梢钥闯?試驗(yàn)鋼晶粒尺寸隨含氮量和T MCP 工藝參數(shù)的變化趨勢與拉伸試驗(yàn)及顯微組織觀察的結(jié)果基本一致。盡管再結(jié)晶產(chǎn)生混晶,但平均晶粒尺寸均隨鋼中氮含量的增多而減小,對應(yīng)強(qiáng)度的升高,見圖1。4號鋼經(jīng)各種工藝軋制后晶粒尺寸均較其它鋼細(xì),且晶粒尺寸穩(wěn)定,強(qiáng)度相應(yīng)最高 。圖4試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸Fig .4Grain sizes of

19、the tested steels214TE M 觀察用H 2800型透射電子顯微鏡對典型軋制試樣中析出的VN 粒子的觀察結(jié)果示于圖5?？梢钥闯?試驗(yàn)鋼軋制組織中存在大量微細(xì)的第二相粒子,粒子尺寸僅有1020n m 。粒子位于鐵素體晶界(圖5a 以及胞狀亞晶粒內(nèi)(圖5a 、b ,還有粒子位于單個鐵素體小片內(nèi)部和界面,與不同取向的鐵素體微區(qū)完全對應(yīng)(圖5c 。對同類試樣中析出粒子進(jìn)行選區(qū)電子衍射譜標(biāo)定的結(jié)果證實(shí)7,試樣中的細(xì)小粒子就是軋制過程中從高溫形變奧氏體中析出的第二相粒子VN 。是軋后冷卻期間相變初期晶內(nèi)鐵素體的形核核心,產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化。而均勻分布于鐵素體晶界的較大的VN 粒子(圖5a ,釘

20、扎晶界,阻礙晶界的遷移,同樣產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用。3討論311N 含量對試驗(yàn)鋼T M CP 組織轉(zhuǎn)變及性能的影響已有的研究結(jié)果表明1,V 2N 微合金鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要有兩種:通過奧氏體中形變誘導(dǎo)析出的VN促進(jìn)軋后相變初期晶內(nèi)鐵素體形成,產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用,碳和氮通過V (C,N 相間析出和在鐵素體中的一般析出產(chǎn)生的析出強(qiáng)化作用。鋼中增氮改變了V 的相間分布,促進(jìn)了V (C,N 的析出,增強(qiáng)了V 的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用。目前大量應(yīng)用的V 2N 微合金鋼均同時采用這兩種強(qiáng)化機(jī)制。本研究應(yīng)用第三代T MCP 技術(shù),即采用系列超高含氮量和超低含C 量的V 2N 微合金鋼以及在VN 粒子大量析出的溫度范圍軋

21、制變形的T MCP 工藝,得到了氮含量、組織晶粒尺寸、T MCP 工藝參數(shù)和強(qiáng)度、塑性之間的良好對應(yīng)關(guān)系:試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度隨鋼中N 含量的增加而升高,在適當(dāng)?shù)淖冃螠囟群妥冃瘟繒r達(dá)到最大。試驗(yàn)證明了鋼中N 細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度的有利作用。然而,同樣含N 但基本不含V 的1號鋼經(jīng)同樣的T MCP 軋制后強(qiáng)度卻最低,這說明,鋼中的N 主要通過與V 生成VN 產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用。TE M 觀察證實(shí),試驗(yàn)鋼中產(chǎn)生了大量彌散分布于鐵素體基體和亞晶內(nèi)部的細(xì)小VN 粒子。細(xì)小的第二相VN 粒子是在高溫軋制過程中形變誘導(dǎo)析出的,在軋后冷卻期間相變初期誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核,生成大量細(xì)晶粒的鐵素體組織,產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化 。圖

22、5試驗(yàn)鋼中析出的VN 粒子(TE M (a 4號鋼,850終軋變形30%(b 2號鋼,950終軋變形30%(c 4號鋼,850終軋變形30%,TE M 薄膜暗場像Fig .5The VN particles p reci p itated in the tested steels (TE M (a No .4steel,defor mati on 30%at 850(b No .2steel,def or mati on 30%at 950(c steel No .4,def or mati on 30%at 850(dark field i m age 312鋼中適合的VN比長期以來,由于N

23、與各種脆性現(xiàn)象的不良作用有關(guān),N在鋼中的含量受到嚴(yán)格控制。最新發(fā)展的V2N 微合金鋼的研究工作結(jié)果表明,V鋼中加入N對改善鋼的性能有較好的效果。本試驗(yàn)結(jié)果證實(shí),含N量和T MCP工藝參數(shù)對提高低碳含V鋼的強(qiáng)度具有很大影響(圖1a,因此須合理配置超低碳V2N鋼中的V、N 含量,方可充分利用廉價而豐富的氮,節(jié)約貴重的V 合金,降低鋼的成本,兼顧強(qiáng)、塑性兩方面的要求。通過計(jì)算可知,釩鋼中V與N的理想化學(xué)配比是3164,這是產(chǎn)生最大析出強(qiáng)化的V、N質(zhì)量比值。在本試驗(yàn)條件下,4號鋼的V、N比最接近理想值,在所有T MCP工藝下具有相對最高的強(qiáng)度值,但是塑性相應(yīng)最低。而具有更高VN值的3號鋼的綜合性能相對

24、較好,鋼中V相對N過量,應(yīng)為相對合理的成分。因?yàn)殇撝蠽除了產(chǎn)生析出強(qiáng)化之外,還產(chǎn)生固溶強(qiáng)化,這與微Ti鋼中Ti、N比值的考慮不同8。為了充分發(fā)揮V在鋼中的作用,含V量應(yīng)是析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化兩種作用之和。所以V2N鋼中適宜的V、N比應(yīng)高于理想化學(xué)配比值,這可以根據(jù)對鋼材綜合力學(xué)性能的要求以及鋼中C。4結(jié)論(1V2N微合金鋼中的N對經(jīng)第三代熱機(jī)械加工后鋼的顯微組織和性能具有重要影響,鋼中N細(xì)化晶粒,提高強(qiáng)度。(2試驗(yàn)鋼的氮含量、晶粒尺寸、熱機(jī)械加工后鋼的工藝參數(shù)和強(qiáng)度、塑性之間有良好對應(yīng)關(guān)系。隨著鋼中氮含量的增加以及終軋溫度的降低,組織變細(xì),強(qiáng)度提高,但塑性降低。(3V2N鋼中適宜的V、N比應(yīng)高于

25、理想化學(xué)配比值,方能充分發(fā)揮V的析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用,改善綜合力學(xué)性能。(4試驗(yàn)鋼軋制過程中從高溫形變奧氏體中析出大量微細(xì)的第二相粒子VN,它們誘導(dǎo)軋后相變初期晶內(nèi)鐵素體的生成,產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化。是V2N微合金鋼的重要強(qiáng)化機(jī)制之一。參考文獻(xiàn):1Ki m ura T,et al.Ferrite grain refine ment thr ough intra2granu2lar ferrite transf or mati on on VN p reci p itati on in T MCP of HS2LA steel.Ther mec97Conference Pr oceedingsC.Wo

26、ll on2gong,Australia,Published by T MS,1997:6452651.2翁宇慶,等.超細(xì)晶鋼鋼的組織細(xì)化理論與控制技術(shù)M.北京:冶金工業(yè)出版社,2003.3楊才福,張永權(quán).釩氮微合金化技術(shù)在HS LA鋼中的應(yīng)用J.鋼鐵,2002,37(11:42247.4Zajac S,Si w ecki T,Hutchins on W B,Lagneborg R.Strength2ening mechanical in vanadiu m m icr oall oyed steels intendedf or l ong p r oductsJ.I SI J I ntern

27、ati onal,1998,38(10:113021139.5Zajac S,Lagneborg R,Si w ecki T.The r ole of nitr ogen in m i2cr oall oyed steelsA.M icr oall oying95Conference Pr oceed2ingsC,Pittsburgh,P A,I SSI,1995:3212340.6Lagneborg R,Si w ecki T,Zajac S,Hutchins on W B.The r oleof vanadiu m in m icr oall oyed steelsJ.Scandinavian Journalof Metallurgy,1999,28(5:12241.7YI N Gui2quan,