鈦與鈮微合金化Q345C鋼顯微組織與力學性能的對比

周家林，向 上，黃 高，潘成剛，胡唐國

（1.武漢科技大學，鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，武漢430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司，武漢430083）

0 引 言

傳統Q345C鋼中厚板主要通過添加微合金元素鈮來達到提高其強韌性的目的，目前對于鈮微合金化的研究已較為成熟［1-2］。受鈦含量波動大、熱加工過程中溫度不穩定等因素的影響，鈦微合金化鋼的力學性能不穩定，所以以鈦作為單獨微合金化元素的實際應用研究較少［3］。隨著煉鋼和TMCP（Thermo-Mechanical Control Process，控軋控冷工藝）的成熟，鈦微合金化鋼的綜合性能得到了提高，加上我國鈦資源豐富且成本相對較低，研究和發展鈦微合金化鋼具有很好的社會效益與經濟效益［4］。以往學者研究的鈦微合金化鋼中的鈦含量均較高［5-8］，而對鈦含量較低的鈦微合金化鋼（質量分數不大于0.02%）的研究較少。為了降低生產成本，某單位以鈦替代鈮生產微合金化Q345C鋼中厚板，通過TMCP工藝，充分發揮鈦的細晶強化和沉淀強化作用，獲得了綜合性能良好的低成本、高性能鈦微合金化鋼。鈦能和氮、碳元素形成穩定的氮化物、碳化物，改善材料的性能，但過量的鈦易形成粗大的Ti（C，N），降低鋼的韌性［9］。為進一步分析鈦替代鈮生產微合金化鋼的可行性，作者對比研究了鈦與鈮微合金化Q345C鋼的顯微組織、力學性能及強化機制的異同，為生產低成本的鈦微合金化鋼進行有益探索。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料取自某熱軋廠生產的厚度為30mm的Q345C鋼中厚板（試驗鋼A為鈦微合金化，試驗鋼B為鈮微合金化）。試驗鋼的化學成分如表1所示，兩種鋼的碳當量均不大于0.44%。標準要求Q345C鋼中鈦與氮的質量比為3.43（試驗鋼A為3.45），屈服強度不小于335MPa，抗拉強度為470～630MPa，伸長率不小于21%，-20℃沖擊功不小于34J。

試驗鋼A和B的生產工藝流程相同：鐵液脫硫→150t轉爐冶煉→RH真空處理→全程保護澆鑄（電磁攪拌＋動態輕壓下）→板坯精整→板坯加熱→控制軋制→控制冷卻→矯直→剪切→精整→正火熱處理。工藝制度也大致相同：鋼坯加熱溫度為1 230℃，加熱時間為3h，粗軋開軋溫度為1 050℃，精軋開軋溫度控制在960℃以下，終軋溫度為830～870℃。

表1 Q345C鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical compositions of Q345C steel（mass） %

1.2 試驗方法

按照GB／T 228-2010的要求，分別在試驗鋼A和B的表層、厚度1／4處、心部沿橫向和縱向各取1組如圖1所示的方形拉伸試樣，利用GALADBINI型全自動拉伸試驗機進行拉伸試驗。分別在試驗鋼A和B的表層、厚度1／4處和心部沿橫向取3組試樣，用以進行組織觀察：采用Axiovert 200MAT型定量光學顯微鏡觀察顯微組織，腐蝕劑為5%（體積分數）硝酸酒精溶液；采用JSM-7001F型掃描電鏡（SEM）觀察夾雜物的形貌，腐蝕劑為3%（體積分數）硝酸酒精溶液；制備萃取復型試樣，采用JEM-2100F型透射電鏡（TEM）觀察析出物的形貌。按照GB／T 229-2007的要求，分別在鋼板厚度1／4處、心部沿橫向和縱向各取4組規格為10mm×10mm×55mm的方形沖擊試樣，利用GALABINI IMPACT450型全自動沖擊試驗機分別在-40，-20，0，20℃下進行沖擊試驗，采用JSM-7001F型掃描電鏡（SEM）觀察斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的尺寸Fig.1 Size of the tensile sample

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能

由表2可知，試驗鋼A的強度比試驗鋼B的略低，但其伸長率較大；試驗鋼A的屈服強度、抗拉強度以及伸長率等均符合標準要求；兩種試驗鋼的韌脆轉變溫度均低于-40℃，均具有良好的低溫沖擊韌性，且試驗鋼A的沖擊性能優于試驗鋼B的。

由圖2可知，試驗鋼A和B心部橫向試樣-40℃沖擊斷口形貌相似，大多數均為撕裂韌窩，斷口表面顏色呈灰暗色，有明顯的塑性變形特征，斷口大部分為韌性斷口的纖維區，韌窩細小均勻，很少部分為解理斷口。

2.2 顯微組織

由圖3和表3可知，試驗鋼不同位置處的橫向組織均由珠光體和鐵素體組成，晶粒相對均勻、細小，晶粒度為9～11級，帶狀組織為0.5～1級。

2.3 夾雜物

由圖4，5可知，試驗鋼B中的夾雜物主要為尺寸較大的條狀MnS；試樣鋼A中的夾雜物主要為MnS和少量Ti4C2S2，由于鈦與硫的親和力強于錳與硫的，故尺寸更小、硬度更高的Ti4C2S2取代了部分MnS夾雜物，減少了軋后邊緣尖銳的長條狀MnS的出現，改善了鋼的沖擊韌性。

表2 試驗鋼不同位置處的力學性能Tab.2 Mechanical properties of tested steels at different positions

圖2 試驗鋼心部橫向試樣-40℃沖擊斷口的SEM形貌Fig.2 Impact fracture SEM morphology of the transverse section of the centre of tested steel A（a）and tested steel B（b）at-40℃

表3 試驗鋼不同位置處橫向組織中珠光體的質量分數及晶粒度Tab.3 Mass fraction and grain size of pearlite in transvers section at different positions of tested steels

2.4 析出物

由圖6可知，試驗鋼A中的析出物主要為彌散分布的立方形TiN粒子，尺寸為150～250nm的為高溫液態時析出物，可以為相變形核以及第二相粒子析出提供有利的位置；尺寸為50～100nm的為較低溫度下的固態析出物，能通過釘扎晶界的方式阻止軋前奧氏體晶粒的長大，并且能夠抑制軋制過程中奧氏體的再結晶，從而細化鐵素體晶粒。

由圖7可知，試驗鋼B中的析出物基本上全為彌散分布的球形Nb（C，N）復合析出物，尺寸為20～100nm。

2.5 強化機理

相關研究表明［6-8］，鋼中含鈦化合物的穩定性由小到大依次為 Ti2O3、TiN、Ti4C2S2、Ti（C，N）、TiC。當鈦含量較低時，鋼中的鈦幾乎全部形成TiN，硫以MnS形式存在；當鈦含量超過氮含量的3.4倍時，形成了Ti4C2S2，并取代部分 MnS；當鈦含量超過3.4倍氮含量與3倍硫含量之和時，MnS將全部被Ti4C2S2代替；當鈦含量繼續增加時，細小而彌散的TiC開始析出起沉淀強化作用。試驗鋼A中鈦的質量分數為氮含量的3.45倍，沒有足夠的鈦形成TiC，析出物為 TiN，夾雜物為 MnS和Ti4C2S2共存。因此，試驗鋼A強度的提高主要來自于固態析出TiN粒子的細晶強化作用。

試驗鋼B中的鈮元素主要以Nb（C，N）粒子的形式析出，能通過釘扎晶界的方式阻止軋前奧氏體晶粒的長大，并且能夠結合溶質鈮通過拖拽機制抑制形變奧氏體的再結晶，從而細化鐵素體晶粒。試驗鋼B中析出的Nb（C，N）粒子數量較多，雖然其尺寸不在強化作用的最佳尺寸范圍內［10］，但其對位錯的阻礙作用仍較為顯著，可通過Orowan機制起到沉淀強化作用。因此，試驗鋼B強度的提高主要來自鈮的細晶強化和沉淀強化作用。

圖3 試驗鋼不同位置處的橫向顯微組織Fig.3 Microstructure of transverse section at different locations of tested steels：（a）the surface of tested steel A；（b）the 1／4of tested steel A；（c）the centre of tested steel A；（d）the surface of tested steel B；（e）the 1／4of tested steel B and（f）the centre of tested steel B

圖4 試驗鋼B中夾雜物的SEM形貌及EDS譜Fig.4 SEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of the inclusion in tested steel B

3 結 論

（1）鈦微合金化Q345C鋼的力學性能可滿足國標要求，強度稍低于鈮合金化Q345C鋼的，但其沖擊韌性和延展性更好。

（2）鈦微合金化Q345C鋼的顯微組織和鈮微合金化Q345C鋼的相似，均為鐵素體和珠光體，晶粒度級別均為9～11級；-40℃沖擊斷口形貌也相似，表現為韌性斷裂，兩種試驗鋼的韌脆轉變溫度均低于-40℃，均具有較好的低溫沖擊韌性。

（3）鈦微合金化Q345C鋼中的夾雜物主要為MnS和少量Ti4C2S2，典型析出物為彌散分布的50～250nm的立方形TiN粒子，強化機制主要為細晶強化；鈮微合金化Q345C鋼中的夾雜物主要為條狀MnS，典型析出物為彌散分布的20～100nm的球形Nb（C，N）粒子，強化機制主要為細晶強化和沉淀強化。

圖5 試驗鋼A中夾雜物的SEM形貌及EDS譜Fig.5 SEM morphology and EDS spectrums of the inclusions in tested steel A：（a）morphology of MnS inclusion；（b）EDS spectrum of MnS inclusion；（c）morphology of Ti4C2S2inclusion and（d）EDS spectrum of Ti4C2S2inclusion

圖6 試驗鋼A中析出物的TEM形貌及EDS譜Fig.6 TEM morphology（a）and EDS spectrum（a）of the precipitate in tested steel A

圖7 試驗鋼B中析出物的TEM形貌及EDS譜Fig.7 TEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of the precipitate in tested steel B

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