高強鋼中鈦析出相與性能的關系

王海云

(攀鋼集團西昌鋼釩有限公司，四川西昌 615032)

1 引言

鈦在鋼中的固溶度非常低，在較低的鈦含量將不能得到足夠體積分數(shù)的TiN來有效阻止晶粒粗化。雖然較高的鈦含量將導致粗大的液態(tài)析出TiN的出現(xiàn)而不能起到阻止晶粒長大的作用，但超出Ti/N理想化學配比的鈦還將以固溶鈦的形式或以細小TiC質點形式而顯著阻止再結晶，起到析出強化的作用，從而實現(xiàn)高強鋼的生產(chǎn)。

2 含鈦高強鋼中鈦的析出相

含鈦高強鋼中鈦的析出相的大小、形態(tài)與分布主要表現(xiàn)為:第一類析出物形狀為立方形、長方形、三角形或橢球形，長邊典型尺寸120～600 nm。它們的產(chǎn)生是偶然和隨機的，其形態(tài)是典型的TiN顆粒。這些析出物中除了Ti，還含有少量Nb。在液態(tài)金屬凝固過程中析出的TiN顆粒，在奧氏體和鐵素體內是穩(wěn)定的。但這類析出相對強度沒有貢獻。

相對細小的第二類析出物形狀為球形、橢球形、三角形、長棒形、四方形等，其尺寸范圍為10～120 nm，這些析出物主要為(Nb，Ti)C，大多分布在晶內和亞晶界上。析出物釘扎亞晶界和亞晶界，從而延遲了回復和再結晶過程。由于延遲了再結晶，可以增大變形量，以期細化晶粒。

第三類析出物形狀為球狀，尺寸 ＜10 nm，主要在位錯線、亞晶界上形核，主要為NbC、TiC。這些粒子主要在鐵素體內的位錯線上析出。

起析出強化作用的粒子尺寸范圍為3～10 nm，不同尺寸的析出粒子是在加工過程的不同階段形成的。非常細小的粒子與鐵素體基體應該是共格的，并且這些細小粒子的析出在鋼中起到了重要的強化作用。日本新日鐵開發(fā)的NANOHITEN納米級析出鋼具有典型球狀析出顆粒［1］，析出的顆粒經(jīng)TEM分析主要是(Ti，Mo)C。該鋼種的基體是單相的鐵素體，由圖1可見，析出物3nm左右，排列整齊。

圖1 NANOHITEN鋼球狀析出顆粒

3 鈦析出物與性能的關系

根據(jù)Ashby-Orowan模型，析出強化的可表達為［2］:

式中:G為切變模量;b為布氏矢量;f為析出粒子的體積分數(shù);d為滑移平面上粒子的平均直徑;K與位錯類型有關的常量，即

式中:γ為鐵基體的泊松比。

由式(1)、(2)代入有關常數(shù)(G為80.65 GPa，b為0.24824 nm，γ 為0．291)，可得:

式中:Δσ單位為MPa;d單位為nm。

1 nm和10 nm的析出物隨析出量的增加強度的增量關系如圖2所示。由圖2可見，抗拉強度的增量決定于析出物的間距，在析出物大量析出的情況下，析出物的尺寸起決定性作用，當TiC的析出量達到0.08%，1 nm析出物帶來的強度增量為700 MPa。

圖2 TiC的析出量、尺寸與強度增量的關系

4 鈦的析出工藝

根據(jù)鋼的具體成分，采用高溫回火，制定相應的淬火制度來得到鈦的細小析出物，這是通常采用的一種方法，采用該種方法生產(chǎn)的鋼比較多，強度也得到了相應的提高，但缺點是生產(chǎn)工期長、耗能大、成本高。

目前普遍采用的是在熱連軋的基礎上通過控軋控冷來獲得Ti的細小析出相。雖然熱連軋的效果達不到日本新日鐵報道的幾個納米級的析出物，但是在改善鋼的性能上有巨大的體現(xiàn)。鋼鐵研究總院曾經(jīng)在實驗室通過控軋控冷的Ti處理16Mn鋼來得到細小的析出物［3］，其軋制工藝如表1。

表1 16Mn鋼的軋制工藝

為了進行對比，引進了大生產(chǎn)情況下鋼樣，它的控制冷卻速度達到28.5℃/s，得到了析出物的萃取復形形貌圖如圖3所示。由圖3可見，在實驗室的3個試樣中，試樣析出物顆粒的直徑隨冷卻速度的增加而減小;析出物的量(黑色部分)隨冷卻速度增加而減少;析出物的彌散程度隨冷速的增加而減小。一般來說析出強化的增量主要由上面的三個因素來控制，所以在生產(chǎn)中應該在保證顆粒細小的基礎上，析出物要有一定的量和彌散度。因此，該類鋼生產(chǎn)的一個很重要的控制是終軋溫度和卷曲溫度的選定。

圖3 析出物的萃取復形形貌圖

依據(jù)Ashby-Orowan模型，該鋼種的析出強化增量估算如表2所示，其中的Ti含量由實驗測量后計算得到。

表2 16Mn的析出強化增量

5 結語

(1)起析出強化作用的Ti的析出物一般是指TiC顆粒以及同它具有相同點陣常數(shù)(Ti，X，Y……)C化合物，主要在鐵素體的位錯線上析出。

(2)采用高Ti成分設計，并且控制成分中的N含量，可獲得TiC的析出物。析出相中細小粒子TiC的尺寸小于10 nm時，析出強化作用顯著。

(3)在熱連軋的情況下要得到Ti的細小析出物，必須采用嚴格的控軋控冷工藝。

［1］ Seto Kazuhiro．Hot Rolled High Strength Steels for Suspension and Chassis Parts“NANOHITEN”and“BHT Steel［J］．JFE TECHNICAL REPORT．Dec．2007，No．10．

［2］ 李杏娥，趙志毅，薛潤東．Ti在熱軋高強帶鋼中的析出相與性能關系的研究［J］，鋼鐵，2008(6)．

［3］ 王英妹，都秀榮，賈麗萍．控軋控冷鈦處理16Mn鋼中的Ti(CN)析出行為及其作用［J］，鋼鐵研究總院學報，1988，18(6)．