微合金元素Nb、V對熱成形鋼組織及氫脆敏感性影響

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽馬鞍山243000)

隨著現(xiàn)代汽車向減重、節(jié)能、高安全性等方向的發(fā)展，先進高強鋼得到了越來越多的應(yīng)用。其中熱成形鋼因具有超高強度而應(yīng)用廣泛[1-4]。但是，隨著強度的提高，鋼的延遲斷裂敏感性也逐漸增大[5-7]。近年來，國家對汽車安全性能提出了更高的要求，各大汽車制造商和主機廠已不僅僅滿足于材料強度的提高，對熱成形鋼的耐氫致延遲斷裂性能也提出了新的要求。熱成形過程中的形變對材料相變產(chǎn)生作用，也會導(dǎo)致零部件基體具較強的殘余應(yīng)力。在含氫服役環(huán)境中，受氫-載荷-殘余應(yīng)力多方面作用，汔車零件易出現(xiàn)氫致延遲斷裂現(xiàn)象[8-9]，嚴重危及駕乘人員的安全，氫致斷裂敏感性高已成為制約高強度級別鋼種推廣應(yīng)用的一個重要因素。研究表明，微合金元素Nb、V為易形成碳氮化物的元素，Nb、V第二相可在位錯線和晶界上析出從而釘扎晶界，使奧氏體晶粒細化，同時在基體內(nèi)形成高效能氫陷阱，可提高鋼材耐氫致延遲斷裂性能[10-16]。因此，研究微合金元素Nb、V對熱成形鋼組織及氫脆敏感性的影響，對高強度耐氫致延遲斷裂熱成形鋼的推廣具有重要意義。為此，筆者通過光學(xué)顯微鏡OM、電子背散射技術(shù)EBSD、透射電子顯微鏡TEM、3D原子探針等檢測手段，對Nb、V微合金化后的熱成形鋼進行實驗研究，分析微合金元素Nb、V對熱成形鋼氫脆敏感性的影響，為新型耐氫致延遲斷裂熱成形鋼奠定理論基礎(chǔ)。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

為某鋼廠生產(chǎn)的傳統(tǒng)22MnB5熱成形鋼及添加微合金元素Nb、V的新型熱成形鋼22MnB5NbV，實驗鋼化學(xué)成分見表1。

表1 實驗鋼化學(xué)成分,w/%Tab.1 Chemical composition of the tested steel,w/%

1.2 實驗方法

實驗鋼淬火處理在某鋼廠熱成形工業(yè)化上完成，經(jīng)930℃保溫5 min后采用平板模淬火至150℃時出模空冷至室溫。切取淬火后的材料將其制備成不同規(guī)格的檢測分析樣品。采用4XB-TV型光學(xué)顯微鏡、JSM-7001F型熱場發(fā)射掃描電鏡和JEM-2100F型場發(fā)射透射電鏡分別對樣品的晶粒形貌和微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。

采用模擬氫環(huán)境溶液評價法，在持續(xù)彎曲加載(高應(yīng)力)條件下，對傳統(tǒng)22MnB5熱成形鋼和22MnB5NbV鋼進行抗延遲斷裂實驗。首先對兩種試樣進行不同程度的冷彎處理，彎曲后卸載僅保留一定的殘余應(yīng)力；然后采用持續(xù)彎曲+0.1 mol/L HCl溶液浸泡試樣(如圖1)，具體步驟下：

1)設(shè)計專用持續(xù)彎曲加載夾具，材質(zhì)為316牌號不銹鋼及PE聚乙烯，將試樣置于夾具中部，通過旋擰夾具兩端的加載螺母，推動夾具上的滑塊向中部移動，使試樣片發(fā)生彎曲變形，直至規(guī)定彎曲跨距大小(145，140，135，120，80 mm)；

圖1 持續(xù)彎曲加載條件下的試樣Fig.1 Specimens under the conditions of continuous of bending and loading

2)將試樣分為5組，每組試樣數(shù)量為2件(22MnB5NbV，22MnB5各1個)，均為相同跨距大小，以便為同一彎曲應(yīng)力水平；

3)氫環(huán)境采用0.1 mol/L HCl溶液摸擬，同樣采用316牌號不銹鋼器皿盛放；

4)實驗過程中先將每組試樣置于夾具上彎曲至指定跨距，利用專用應(yīng)變儀器測量彎曲試樣頂點部位(應(yīng)力最大處)的應(yīng)變，得出相應(yīng)的彎曲應(yīng)力；

5)再將試樣置于0.1 mol/L HCl溶液中浸泡處理，實時觀察不同應(yīng)力水平的試樣是否發(fā)生開裂(≤300 h)，記錄開裂浸泡時間。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 微合金元素Nb、V對熱成形鋼組織的影響

將22MnB5和微合金化的22MnB5NbV熱成形鋼進行淬火試制，觀察2種淬火試樣微觀組織，結(jié)果如圖2。由圖2(a)(c)金相結(jié)果可知，2種熱成形鋼經(jīng)淬火后，組織均完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，22MnB5NbV的板條束更加細小均勻。由圖2(b)(d)可知，22MnB5的平均奧氏體尺寸為11.3 μm，22MnB5NbV的平均奧氏體尺寸為8.1 μm，22MnB5NbV奧氏體晶粒更細小，主要是因為微合金元素Nb與V在奧氏體晶界偏聚，阻礙了熱成形鋼奧氏體的晶粒長大，起到了細化晶粒的作用。

進一步對22MnB5和22MnB5NbV熱成形鋼的淬火態(tài)組織進行EBSD、TEM檢測，結(jié)果如圖3。圖中：TD為transverse direction的縮寫，代表橫向；RD為rolling direction的縮寫，代表軋向；EBSD中晶粒間位向差為大角度晶界的結(jié)構(gòu)(＞15°)，以粗黑線標(biāo)識。

圖2 淬火試樣金相組織和奧氏體晶粒照片EM分析Fig.2 Metallurgical structure and austenite grain images of the quenched spcimens

對比圖3(a)與(b)可看出，22MnB5NbV的總體晶粒尺寸較22MnB5小，且22MnB5NbV小角度晶界也較多；對比圖3(c)與(d)可看出，22MnB5的晶粒尺寸相差較大，最大為20 μm，最小的只有幾微米，而22MnB5NbV的晶粒尺寸大小相對均勻，平均在5 μm左右；對比圖3(e)與(f)可知，22MnB5NbV與22MnB5經(jīng)淬火后，組織形態(tài)均為馬氏體，但22MnB5NbV的馬氏體板條更為細小均勻，這與光學(xué)顯微鏡的分析結(jié)果一致，可見22MnB5NbV中的微合金元素起到了細化組織及晶粒的作用。

對22MnB5NbV淬火態(tài)組織內(nèi)第二相粒子析出特性進行測評，結(jié)果如圖4。由圖4可知，在22MnB5NbV中有明顯的碳化物粒子，尺寸在幾納米到幾十納米不等。對不同尺寸的碳化物析出物進行個數(shù)統(tǒng)計，尺寸在10 nm以上的細小碳化物析出物的平均尺寸約為16.9 nm，單位體積密度約為206.3 μm-3；尺寸在10 nm以下的超細碳化物析出物的平均尺寸約為5.6 nm，單位體積密度約為796.2 μm-3。

圖4 22MnB5NbV淬火態(tài)第二相粒子分布及尺寸Fig.4 Size and distribution of the second phase particles in the quenched 22MnB5NbV

圖5為22MnB5NbV中兩類典型的小尺寸第二相粒子形貌。對上述兩類第二相粒子進行能譜(EDX)分析，檢測結(jié)果如表2。由表2可看出：圖5(a)中沿板條馬氏體內(nèi)部析出的第二相粒子含有大量的V，該析出物為V析出物，其主要是淬火冷卻過程中部分析出產(chǎn)生的，而圖5(b)沿原奧氏體晶界析出的為Nb析出物，其主要在高溫狀態(tài)下析出。

圖5 22MnB5NbV中V、Nb析出物Fig.5 Precipitate of V and Nb in the quenched 22MnB5NbV sample

表2 22MnB5NbV中的Nb、V析出物能譜(EDX)分析結(jié)果(原子數(shù)分數(shù)/%)Tab.2 EDX results of precipitate of V and Nb in the quenched 22MnB5NbV(x/%)

2.2 微合金元素Nb、V對熱成形鋼氫脆敏感性的影響

表3為彎曲加載條件下22MnB5和22MnB5NbV鋼氫脆敏感性實驗結(jié)果。由表3可看出：相同應(yīng)力水平、氫環(huán)境溶液條件下22MnB5NbV鋼發(fā)生延遲斷裂對應(yīng)的時間明顯長于22MnB5鋼；其發(fā)生延遲斷裂對應(yīng)的臨界應(yīng)力水平(僅適用于0.1 mol/L HCl條件下)也高于22MnB5(發(fā)生延遲斷裂臨界應(yīng)力提升幅度≥40%)。

表3 彎曲加載條件下的氫脆敏感性結(jié)果Tab.3 Results of hydrogen embrittlement sensitivity under bending and loading

針對上述相同應(yīng)力水平、氫環(huán)境溶液條件下22MnB5NbV鋼發(fā)生延遲斷裂對應(yīng)的時間明顯長于22MnB5鋼實驗結(jié)果，分析認為，馬氏體鋼在外加載荷和長期氫擴散作用下首先萌生沿晶裂紋，此時氫擴散主要受到晶體缺陷應(yīng)力場控制，使氫在晶界逐漸擴散聚集。隨氫濃度的升高晶界結(jié)合力逐漸減弱，原始結(jié)合力最弱的高能晶界最先達到臨界開裂值而發(fā)生開裂。因此，低能晶界抵制裂紋(小角度晶界)，高能晶界(大角度晶界)對氫脆裂紋較為敏感，易發(fā)生開裂。沿晶裂紋產(chǎn)生后，裂紋尖端成為應(yīng)變集中區(qū)，開始萌生位錯，氫擴散方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛晌诲e運動主導(dǎo)，裂紋開始以穿晶方式擴展，穿越不同晶粒時，裂紋隨解理或滑移晶面的取向變化而發(fā)生彎折，使裂紋擴展路徑呈S形。氫在裂紋萌生過程中發(fā)揮了重要作用，可促進位錯滑移，降低臨界開裂應(yīng)力和晶面結(jié)合能，使裂紋尖端和遠端硬化區(qū)易在外應(yīng)力作用下沿滑移面和解理面開裂。因此，對于這類馬氏體基體組織材料，有必要提高其基體內(nèi)部的小角度晶界數(shù)量，以提升材料抗氫脆性能。經(jīng)EBSD檢測，22MnB5NbV鋼基體小角度晶界數(shù)量多于22MnB5鋼，起到了降低材料氫脆敏感性的作用。

其次，熱成形鋼發(fā)生延遲斷裂的臨界條件為擴散氫濃度與應(yīng)力梯度間的一種耦合狀態(tài)，在應(yīng)力相同條件下對應(yīng)發(fā)生延遲斷裂的臨界擴散氫濃度理論上是一定的。利用Nb、V與C結(jié)合在材料內(nèi)部營造出大量的捕獲氫陷阱(C、N析出相粒子)，使可沿最大應(yīng)力梯度方向發(fā)生富集的氫濃度大大降低，故而推遲了發(fā)生延遲斷裂的時間。此外，要在較低氫濃度條件下發(fā)生延遲斷裂，就需更高的應(yīng)力梯度，這也同時提升了延遲斷裂臨界斷裂應(yīng)力，這與22MnB5NbV發(fā)生延遲斷裂對應(yīng)的臨界應(yīng)力水平高于22MnB5的結(jié)論相統(tǒng)一。

圖6 3D原子探針實驗結(jié)果Fig.6 Results of 3D atom probe investigation

進一步利用3D原子探針對兩類鋼基體內(nèi)部的元素分布進行對比分析，結(jié)果如圖6。由圖6可看出：對于22MnB5，其內(nèi)部H與C元素分布無關(guān)聯(lián)性；而22MnB5NbV板中H元素與C，Nb，V等元素分布呈現(xiàn)出一定的關(guān)聯(lián)性，即C，Nb，V及H聚集區(qū)域基本重合，進一步驗證了Nb，V通過與C結(jié)合形成的第二相粒子區(qū)域可實現(xiàn)對H元素的有效捕獲，有效起到了抑制氫擴散的作用。

3 結(jié) 論

對比分析Nb、V微合金化后熱成形鋼22MnB5NbV和傳統(tǒng)未微合金化的熱成形鋼22MnB5淬火后的組織及氫脆敏感性能，得到如下主要結(jié)論：

1)與22MnB5鋼相比，22MnB5NbV鋼淬火后的組織更細小、更均勻，同時22MnB5NbV鋼沿板條馬氏體內(nèi)部或原奧氏體晶界等部位析出了尺寸在幾納米到幾十納米不等的Nb、V碳化物粒子；

2)相同應(yīng)力水平、氫環(huán)境溶液條件下，22MnB5NbV鋼發(fā)生延遲斷裂對應(yīng)的時間長于22MnB5鋼，且其發(fā)生延遲斷裂對應(yīng)的臨界應(yīng)力水平(僅適用于0.1 mol/L HCl條件下)高于22MnB5(發(fā)生延遲斷裂臨界應(yīng)力提升幅度≥40%)；

3)低能晶界抵制裂紋(小角度晶界)，高能晶界(大角度晶界)對氫脆裂紋較為敏感，易發(fā)生開裂，22MnB5NbV鋼基體小角度晶界數(shù)量多于22MnB5鋼，可降低材料氫脆敏感性；

4)對于22MnB5鋼，其內(nèi)部H與C元素分布無關(guān)聯(lián)性，而22MnB5NbV鋼中H元素與C，Nb，V等元素分布呈一定的關(guān)聯(lián)性，即C，Nb，V及H聚集區(qū)域基本重合，Nb，V通過與C結(jié)合形成的第二相粒子區(qū)域可實現(xiàn)對H元素的有效捕獲，起到抑制氫擴散的作用。