釩鐵與釩氮的復合強化機理及對鋼材強度的影響

謝 祥,胡友紅,伍從應,劉立德,李 燚,高長益

(首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司,貴州六盤水 553028)

釩鐵與釩氮的復合強化機理及對鋼材強度的影響

謝 祥,胡友紅,伍從應,劉立德,李 燚,高長益

(首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司,貴州六盤水 553028)

以HRB500試驗鋼為研究對象,分析了釩鐵與釩氮的復合強化機理及對鋼材強度的影響,弄清了不同微合金化方法的固溶析出行為和強化效果。其主要結果如下：(1)對于釩鐵微合金化,當C=0.26%時,V含量由0.056%增加至0.2%時,產生的析出強化增量由46.2 MPa增加至114.7 MPa;(2)對于釩氮微合金化,當C= 0.26%、N=0.010%時,V含量從0.056%增加至0.20%時,析出強化增量由70.7 MPa增大到140.2 MPa,N含量的增加使鋼材析出強化增量和固溶強化增量均顯著增大。

HRB500;高強度鋼筋;釩;微合金化;強化

1 引言

釩是強碳、氮化物形成元素,與鋼中的間隙元素碳與氮元素的化學親和力大。在鋼中加入微量釩,可以促進第二相VC或VN的析出,細小彌散的第二相分散在鋼中,產生第二相強化。釩也是重要的晶粒細化元素,隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長,奧氏體晶粒會逐漸長大,粗大的奧氏體晶粒會降低鋼的性能。在鋼中加入微量釩元素,可以提高晶粒的粗化溫度,這是因為彌散析出的第二相會釘扎奧氏體晶界,阻礙晶界遷移,阻止了奧氏體晶粒粗化。另外,釩還可以通過阻礙奧氏體和鐵素體再結晶的機制細化最終產品的晶粒。為了充分發揮釩在鋼中的析出強化與細晶強化作用,其關鍵是要其在鋼中充分地析出。為了研究微合金元素V對鋼性能的影響,從鋼中第二相析出、固溶量變化等角度進行分析,并結合水鋼生產的HRB500鋼進行研究。

2 釩鐵微合金化

2.1 析出行為分析

V是強碳化物形成元素。在鋼中采用釩鐵微合金化時,V會與鋼中的C形成VC沉淀析出,改變鋼的性能。在軋制過程中,隨著溫度的降低,VC在鋼中的溶解度逐漸變小。

對水鋼HRB500試驗鋼在各溫度下各主要元素固溶量及第二相析出量進行理論計算[1-4],得出各元素固溶量及第二相析出量隨溫度的變化規律,見圖1所示。

圖1 固溶析出量隨溫度變化

由圖1可知,V和C在奧氏體中的固溶量隨著溫度的降低而減少,析出物VC隨著溫度的降低逐漸增多,這是因為溫度降低后,VC的析出驅動力增大,促使VC從基體中析出。

以水鋼HRB500試驗鋼為基礎,C和V分別在一定范圍內變化,750℃至全固溶溫度區間,固溶C和V的質量百分數、第二相VC析出的體積百分數理論計算結果見圖2、圖3所示。

圖2 C含量對固溶析出量的影響

圖3 V含量對固溶析出量的影響

由圖2可知,當其它條件固定時,全固溶溫度隨著C含量的增大而提高,由807℃提高至845℃。溫度降低,固溶V量明顯減少,而固溶C量變化不明顯。隨著溫度降低,C含量對奧氏體中元素固溶析出的影響程度逐漸降低,以800℃和770℃為例,在800℃時,C含量的增加明顯促進第二相VC析出,而770℃時,C含量對VC析出的促進程度減緩。C含量的增加明顯提高奧氏體中固溶C量,但減少了固溶V量,使得V的利用率提高。但是隨著C含量的增加,室溫組織中的珠光體含量會增大,鋼的強度升高但韌性會明顯下降,因此應該充分考慮C含量對鋼強度和韌度的影響,合理設計成分。

圖3顯示,VC的全固溶溫度隨著V含量的增加而升高,從837℃升高至914℃,相比C而言,V對VC全固溶溫度的影響更大。隨著溫度降低,固溶V量、C量減少,析出物VC增加。隨著V含量增加,相同溫度下的固溶V量變化不大,而固溶C量明顯降低,提高了C元素的利用率,促進VC析出。V含量從0.1%增加至0.2%時,第二相VC析出量體積分數增加了一倍多,由此可見,V含量對第二相析出量的影響非常大。但是在鋼中增加V含量,會提高生產成本,并且過多V固溶在鋼中會使鋼的韌脆轉變溫度升高。

2.2 對產品性能的影響

在鋼中加入不同含量的微合金元素,第二相析出量會發生變化,而析出的第二相對鋼材的性能影響極大。高溫下未溶的VC可以釘扎奧氏體晶界,阻礙晶粒長大,起到細化晶粒的作用。在軋制冷卻過程中析出的第二相彌散分布,產生第二相強化,對鋼材性能貢獻很大。

通過2.1中的計算結果圖,可得到指定成分的鋼材在一定溫度下的平衡固溶析出量,考慮到鋼中僅含V微合金元素時第二相的全固溶溫度較低,并結合實際生產過程的軋制溫度區間,現以800℃下的固溶析出為例,并假設在該溫度下為平衡固溶析出,將微合金元素V和C對析出強化和固溶強化的貢獻值進行計算。

釩鐵微合金化對產品強度的影響計算結果見表1。

表1 釩鐵微合金化對產品強度的影響

表1中A0為HRB500試驗鋼初始成分,A1～A3是在初始鋼成分基礎上變動V含量,A4～A6是在初始鋼成分基礎上變動C含量。△σp表示第二相析出量產生的析出強化增量,△σss表示鋼中固溶的V量產生的固溶強化增量。從表中計算結果可以看出,微合金元素V對鋼材性能的主要貢獻為析出強化,產生的固溶強化增量非常小,可以忽略不計。根據表1的計算結果可以作出圖4,圖4表示不同V、C含量產生的析出強化增量。

圖4 不同V、C含量產生的析出強化增量

由圖4可以發現,V含量產生的析出強化增量很大,其它元素含量不變時,V含量由0.056%增加至0.2%時,產生的析出強化增量可由46.2 MPa增加至114.7 MPa。C含量對析出強化的影響與V相比較弱,但隨著C含量的增加,析出強化增量也逐漸增大。

3 釩氮微合金化

3.1 析出行為分析

鋼中的第二相VC和VN都是面心立方點陣的氯化鈉結構,并且VC和VN的點陣常數相近,兩者之間可以完全互溶形成碳氮化釩。當材料的化學成分確定后,一定溫度下析出的第二相V(C,N)就具有確定的化學組成,可表示為VCxN1-x,x為C的占位分數,0≤x≤1。

對試驗鋼在各溫度下主要元素固溶量及析出第二相分數進行理論計算,得出各元素固溶量及析出第二相分數隨溫度的變化規律見圖5所示。

圖5 固溶析出量隨溫度變化

由圖5可知固溶V、C、N量都隨著溫度的降低而減少,這是因為隨著溫度的降低,合金元素在鋼中的固溶度減少,開始逐漸析出第二相VCxN1-x。析出相VCxN1-x中的x隨著溫度的降低而增大,則C元素在析出相中的質量百分比增加。

以試驗鋼HRB500為基礎,C、N、V分別在一定范圍內變化,750℃至全固溶溫度區間,固溶C、N、V的質量百分數、第二相VCxN1-x中x值大小及析出的百分數理論計算結果見圖6～圖8。

圖6 C含量對V-N-C鋼固溶析出量的影響

圖7 N含量對V-N-C鋼固溶析出量的影響

圖8 V含量對V-N-C鋼固溶析出量的影響

由圖6～圖8可得到以下結論：

(1)VC在奧氏體中固溶度積比VN明顯大很多,因此析出第二相VCxN1-x在溫度較高時x值趨近于0,VCxN1-x中富N,VCxN1-x的析出溫度與VN的析出溫度接近,則第二相VCxN1-x的全固溶溫度主要與V和N含量的變化有關,C含量對第二相VCxN1-x的全固溶溫度影響很小。

(2)N含量對VCxN1-x中x值的影響最大,其次為V,影響最小的為C。N含量增大時,x值明顯減小,N在較高溫度下促進VN大量析出,消耗奧氏體中V的固溶量,而較低溫度時與C結合析出的V所剩無幾,則VCxN1-x主要由VN組成,VCxN1-x中C的摩爾分數x很小。V含量增大時,x值顯著增大,這是因為鋼中N含量為0.010%,若以理想V、N化學配比3.64析出,則V含量應該為0.037%,而V含量由0.056%增加至0.20%,遠遠超過了理想V、N化學配比,則N在高溫下與V結合析出已被大量消耗,較低溫度下N含量少,V與C結合,析出VC,使VCxN1-x中C的摩爾分數x增大。C含量增大時,x值有所增加,但變化不太明顯。鋼中V含量為0.056%,N含量為0.010%,V、N比超過理想化學配比,V有30%左右的余量,剩余V在較低溫度與C大量結合,析出VC,但C含量繼續增大時,固溶的V含量有限,因此析出VC只會適當增加一些,x值適當增加,剩余C大量固溶在鋼中。

(3)V含量對析出第二相體積分數的影響最大,其次為N,影響最小的為C。V含量變化對較高溫度下析出第二相的分數影響較小,但在較低溫度下析出第二相的分數隨著V含量的增加而急劇增大。850℃下,V含量由0.056%增加至0.20%時,x值大小由0.271增大至0.745,固溶C量由0.258%減少至0.235%,析出第二相體積分數由0.061%增大至0.239%。則較低溫度下V與C大量結合析出VC,減少C在奧氏體中的固溶量,增大C在析出相VCxN1-x中的摩爾分數。N含量增加主要影響在較高溫度下析出第二相分數,會促進VCxN1-x的析出,而在較低溫度的影響不太顯著。C含量對析出第二相分數的影響很小,并且主要集中在較低溫度下。

(4)總的來說,C、N、V含量的增加有利于析出更多的第二相VCxN1-x[5-7],但奧氏體中處于固溶態的元素含量會相應增加。固溶C量增加會導致奧氏體向鐵素體轉變的溫度下降,同時增加室溫組織中的珠光體含量,使鋼材的強度升高而塑性、韌性降低。V含量增大,不僅增加了生產成本,而且過多V固溶在鋼中,會導致鋼材的韌脆轉變溫度升高。若N過多固溶在鋼中,會使鋼材的應變時效敏感性提高。因此在對鋼材進行成分設計時,應充分考慮C、N、V對鋼材性能的影響。

3.2 對產品性能的影響

計算可知,在鋼中加入不同含量的C、N、V,析出第二相的分數會發生變化,對鋼材強度變化帶來一定影響。

以850℃下的固溶析出為例,并假設在該溫度下為平衡固溶析出,析出的第二相尺寸為10 nm,將微合金元素C、N、V對析出強化的增量與V、N對固溶強化的增量進行計算。計算結果見表2所示。

表2 釩氮微合金化對產品強度的影響

表2中,B0為試驗初始鋼成分,B1～B3是在初始鋼成分基礎上變動V含量,B4～B6是在初始鋼成分基礎上變動N含量,B7～B9是在初始鋼成分基礎上變動C含量。△σp表示析出第二相產生的析出強化增量,△σss表示鋼中固溶V和固溶N產生的固溶強化增量。根據表2的計算結果可以作出圖9,圖9表示不同V、N、C含量產生的強化增量。

圖9 不同V、N、C含量產生的強化增量

由圖9可知,V含量對析出強化增量的影響最大,當V含量從0.056%增加至0.20%時,析出強化增量由70.7 MPa增大到140.2 MPa,而固溶強化增量減小,這是由于鋼中V含量增加時,固溶N含量減小,第二相析出量增大,而處于固溶態的V含量雖然明顯增加,但固溶V對屈服強度增量的系數很小,因此產生的固溶增量很小。N含量對固溶強化增量的影響最大,當N含量由0.005%增加至0.020%時,固溶強化增量由6.2 MPa增加到38.1 MPa,這是由于固溶N量隨著N含量的增加明顯增大,固溶N對屈服強度增量的系數很大,因此產生的固溶強化增量增大。而C含量對析出強化和固溶強化的影響均不明顯。

對比圖4可得,當鋼中其它元素含量固定時,N含量的增加使鋼材析出強化增量和固溶強化增量均顯著增大。鋼中加入適當N元素,提高元素利用率,提高屈服強度。

4 結論

以水鋼HRB500試驗鋼為研究對象,通過分析釩鐵與釩氮的復合強化機理及對鋼材強度的影響,弄清了采用不同微合金化方法的固溶析出行為和強化效果,其主要結論如下：

4.1 采用釩鐵微合金化

(1)V、C的固溶析出行為

V和C在奧氏體中的固溶量隨著溫度的降低而減少,析出物VC隨著溫度的降低逐漸增多;VC的全固溶溫度隨著C含量的增大而提高。在V= 0.056%時,而C含量從0.15%提高到0.30%時, VC的全固溶溫度由807℃提高至845℃;VC的全固溶溫度隨著V含量的增加而升高。在C=0.26%時,而V含量從0.10%提高到0.20%時,VC的全固溶溫度從837℃升高至914℃。

(2)V、C的強化效果

V產生的析出強化增量很大,當C含量為0.26%時,V含量由0.056%增加至0.2%時,產生的析出強化增量可由46.2 MPa增加至114.7 MPa。C含量對析出強化的影響與V相比較弱,但隨著C含量的增加,析出強化增量也逐漸增大。

4.2 采用釩氮微合金化

(1)V、N、C的固溶析出行為

固溶V、N、C都隨著溫度的降低而減少。析出相VCxN1-x中的x隨著溫度的降低而增大,則C元素在析出相中的質量百分比增加;VC在奧氏體中固溶度積比VN明顯大很多,因此析出第二相VCxN1-x在溫度較高時x值趨近于0,VCxN1-x中富N, VCxN1-x的析出溫度與VN的析出溫度接近;N含量對VCxN1-x中x值的影響最大,其次為V,影響最小的為C。N含量增大時,x值明顯減小,N在較高溫度下促進VN大量析出,消耗奧氏體中V的固溶量,而較低溫度時與C結合析出的V所剩無幾,則VCxN1-x主要由VN組成;C、N、V含量的增加有利于析出更多的第二相VCxN1-x。

(2)V、N、C的強化效果

V含量對析出強化增量的影響最大,在C= 0.26%、N=0.010%時,而V含量從0.056%增加至0.20%時,析出強化增量由70.7MPa增大到140.2MPa,而固溶強化增量減小。N含量對固溶強化增量的影響最大,在C=0.26%、V=0.056%時,而N含量由0.005%增加至0.020%時,固溶強化增量由6.2 MPa增加到38.1 MPa。而C含量對析出強化和固溶強化的影響均不明顯。與釩鐵微合金化時V、C的析出強化增量相比,當鋼中其它元素含量固定時,N含量的增加使鋼材析出強化增量和固溶強化增量均顯著增大。鋼中加入適當N元素,提高元素利用率,提高屈服強度。

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Compound Strengthening Mechanism and Effect of V-Fe and V-N-Fe on Strength of Steel

XIE Xiang,HU Youhong,WU Congying,LIU Lide,LI Yi,GAO Changyi
(Shougang Shuicheng Iron and Steel(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui 553028,Guizhou,China)

Using HRB500 experimental steel as study object,we analyzed compound strengthening mechanism and effect of V-Fe and V-N-Fe on strength of Steel and made clearly solid solution and precipitation behavior and strengthening effect for different microalloying methods.The main results are as follows：(1)for V-Fe microalloying,when C=0.26%,as V increases from 0.056%to 0.20%,the incremental strength from precipitation increases from 46.2 MPa to 114.7 MPa;(2)for V-N-Fe microalloying,when C=0.26%and N=0.010%,as V increases from 0.056%to 0.20%,the incremental strength from precipitation increases from 70.7 MPa to 140.2 MPa, the incremental strength from precipitation and solution enormously increases with N increase.

HRB500,high strength steel bar,vanadium,microalloying,strengthening

TG142

A

1001-5108(2017)04-0046-07

謝祥,高級工程師,主要從事鋼鐵冶金及棒線材產品研究開發工作。