Nb、Ti對低合金高強鋼組織性能的影響

柴可馨 曹佳麗　徐亞鵬　趙毅鋒

摘要：通過添加不同含量的Nb、Ti微合金元素，并對不同退火工藝下低合金高強鋼力學性能和組織、析出相進行分析，研究了NbTi對低合金高強鋼組織和性能的影響。結果表明：材料組織為鐵素體基體加少量滲碳體，同時在基體中有不同尺寸的NbTi析出相生成。隨著退火溫度的增加，材料的屈服強度和抗拉強度逐漸降低，伸長率逐漸升高，增加Ti含量組織更加細化，同時強度提高。

關鍵詞：低合金高強鋼；連續退火；析出相；Nb、Ti元素

低合金高強鋼由于具有較高的屈服強度、良好的焊接性能、高的斷裂韌性以及低的韌脆轉變溫度和良好的冷成形性能［1］，廣泛應用于橋梁、船舶、車輛、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結構等領域。

在低合金鋼生產過程中，一般添加Nb、Ti等微合金元素以獲得更好的力學性能［2］，與此同時，退火工藝也會對材料的晶粒尺寸、析出相、位錯等結構和性能產生影響。本研究通過添加不同含量的Nb、Ti，并進行不同工藝下的退火模擬，研究成分、退火工藝對低合金鋼組織和性能的影響。

1 實驗材料和方法

設計實驗鋼化學成分如表1所示。G固定C、Si、Mn等元素含量，分別添加0.036Nb+ 0.02Ti0.034Nb+0.04Ti元素進行微合金化。按照表1化學成分采用50 Kg真空感應爐冶煉，經熱軋、酸洗、冷軋后得到1.5 mm厚度冷軋板。最后利用MULTIPAS連退模擬器在760 ℃、780 ℃和800 ℃下進行連續退火處理，具體連退工藝如表2所示。退火完成后，對試樣力學性能進行檢測，同時利用金相觀察分析不同工藝試樣的組織，并對析出相進行TEM觀察。

2 實驗結果與討論

2.1 退火工藝對低合金鋼組織的影響

冷軋后按照表2工藝對試驗鋼A、B進行連續退火處理，采用4%硝酸酒精進行侵蝕得到的金相形貌，所得結果如圖1所示。從中可以看出，對試驗鋼A、B，經連續退火處理后，雖然退火溫度不同，但試驗鋼的組織都是不規則的鐵素體組織，并有少量的滲碳體和析出相分布在鐵素體晶界處；同時在鐵素體晶粒內部有大量析出相生成。對鐵素體晶粒尺寸進行分析，三種退火溫度下材料的晶粒尺寸都較小，約為幾微米，這是由于Nb、Ti在鐵素體晶界處與C、N等生成碳氮化物，對晶界、亞晶界的遷移起到釘扎作用，使得晶粒細化［3］。隨著退火溫度的增加，材料中鐵素體晶粒尺寸變化不大。對比試驗鋼A、B在相同退火溫度下的組織可以發現，由于試驗鋼B中Ti元素含量更高，晶粒細化作用更加顯著，使得其組織晶粒尺寸更加細小。

利用TEM對試驗鋼A、B在760℃退火工藝下的析出相進行形貌觀察和能譜分析，所得試驗結果如圖2所示。從圖中可以看出，試驗鋼A、B鐵素體晶粒內部都含有大量的彌散析出相，其中有0.1 μm左右直徑的大析出相和直徑只有10 nm左右的細小析出相［4］。較大的析出相相對較少，主要以矩形或近球形為主；較小的析出相數量較多，主要為球形或顆粒狀分布，其強化作用的主要是此類析出相。對析出相進行能譜檢測，發現存在NbTi元素，因此可以認為析出相為NbTi析出相。方形大尺寸析出相，主要為TiN；圓形小尺寸析出相NbC。TiN析出相尺寸較大，應為凝固過程中形成的大顆粒的TiN（100 nm左右），而后NbC以TiN為核心形成或獨自形核長大。對比試驗鋼A、B析出相可以發現，試驗鋼B析出相數量更多，且大尺寸析出相的尺寸更大。這是由于試驗鋼B中Ti元素含量更高，能夠形成更大尺寸的TiN析出。

2.2 退火工藝對低合金鋼力學性能的影響

對試驗鋼A、B不同溫度下退火得到的試樣進行力學性能檢測，所得力學性能如表3所示。從表3中數據可以看出，不論是試驗鋼A還是試驗鋼B，隨著退火溫度從760 ℃增加到800 ℃，實驗鋼的屈服強度和抗拉強度均顯著降低，屈服強度分別從622 MPa、629 MPa降低到539 MPa和578 MPa，抗拉強度分別從653 MPa、657 MPa降低到585 MPa和616 MPa；伸長率則逐漸增大，A50分別由13%/9%提高至21%和15.5%。對比A試驗鋼和B試驗鋼性能，各工藝下試驗鋼B強度均大于試驗鋼A。

本實驗中，細晶強化和析出強化同時存在，Nb元素可顯著提高再結晶溫度、細化晶粒，Ti可以形成穩定細小析出相，細化組織，提高力學性能。對試驗鋼A和B而言，當退火溫度提高后，晶粒尺寸變化不大，表明晶粒細化的強化作用基本不變；而Nb、Ti在試驗鋼中生成的大量彌散的析出相對材料的性能有較大影響，因此可以認為退火工藝通過影響NbTi碳氮化物析出相的析出狀態（數量和尺寸）來控制材料的服強度、抗拉強度以及伸長率等力學性能。

試驗鋼B組織較A試驗鋼鐵素體組織更加細小，因而細晶強化作用更加顯著；同時試驗鋼B析出相數量更多，具有更強的析出強化效應。這些細小彌散的析出相通過與位錯發生交互作用，提高了位錯運動的阻礙度，從而使材料強度增大［5］。

3 結論

1）通過添加NbTi元素得到低合金鋼組織為鐵素體基體+滲碳體，晶粒尺寸較小且隨退火溫度的增加變化不大，增加Ti元素含量晶粒尺寸更加細化。

2）實驗鋼內部出現100 nm和10 nm左右兩種不同尺寸的TiNb（C，N）析出相，增加Ti元素含量析出相的數量增加。

3）隨著退火溫度的增加，實驗鋼材料屈服強和抗拉強度降低而延伸率升高，增加Ti元素含量可獲得更高的屈服強度和抗拉強度。

參考文獻

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