合金元素及熱軋工藝對高強鋼組織性能的影響

查顯文 王市均

第一作者：查顯文，男，38歲，高級工程師

收稿日期：2024-03-04

2023年度“科創(chuàng)江蘇”專項行動計劃項目[KCJS（2023）-04]

摘 要：采用熱力學計算，分析了試驗鋼各主要合金含量對組織含量和力學性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，Mn、Mo、Cr、Ni等元素可以提高試驗鋼的力學性能，質(zhì)量分數(shù)0.3％的Cr元素，可以使其硬度可達到43.6HRC，屈服強度和抗拉強度均可顯著提高。

關鍵詞：高強度鋼；成分優(yōu)化設計；組織性能；熱力學計算

EFFECTS OF ALLOYING ELEMENTS AND HOT ROLLING PROCESS ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF AN ADVANCED HIGH STRENGTH STEEL

Zha Xianwen1? ? Wang Shijun2

（1.Jiangsu Feida Group? ? Danyang? ? 212312，China;

2. China Metallurgical Information and Standardization Institute? ? ?Beijing? ? 100730，China）

Abstract：This paper employs thermodynamic calculations to analyze how the major alloy contents influence the microstructure and mechanical properties of the experimental steel. The findings demonstrate that， within a specific range， elements like Mn， Mo， Cr， and Ni have the capability to enhance the mechanical properties of experimental steel. For instance， incorporating 0.3% mass fraction of Cr， along with other elements， noticeably enhances the hardness of the experimental steel， resulting in a hardness level of 43.6HRC， while also improving its yield strength and tensile strength.

Key words： advanced high strength steel; composition optimization design; microstructure; thermodynamic calculations

0? ? 引? ? 言

近年來，建筑行業(yè)、汽車行業(yè)、造船業(yè)、管道運輸、壓力容器和特種設備等相關行業(yè)的飛快發(fā)展，并且對這極大的促進了中厚板的需求旺盛，并對低成本高品質(zhì)配套技術提出了新要求[1]。GB/T 3017-2015《合金結(jié)構用鋼》對各類合金結(jié)構用鋼進行規(guī)范，隨著我國冶金及軋制技術的顯著躍升，尤其是減量化、高強輕質(zhì)化、柔性軋制等技術領先，GB/T 1591-2018《低合金高強度結(jié)構用鋼》中部分鋼種也可升級軋制更好強度的高強鋼甚至超高強度產(chǎn)品。國內(nèi)外學者對高強鋼強韌化的研究一直保持較高強度和熱度。東北大學朱伏先、李艷梅等人利用熱模擬試驗和軋制試驗，對中厚鋼板軋制過程中的奧氏體再結(jié)晶行為及應變累積效應等進行研究，確定了奧氏體再結(jié)晶區(qū)和部分再結(jié)晶區(qū)道次變形量的控制原則，指出在880～820 ℃的精軋溫度區(qū)間內(nèi)增加待溫厚度有利于晶粒細化[2]。北京科技大學張興虎、杜振民利用化學成分、金相組織及掃描電鏡成分分析等對Q355qC橋梁鋼板因冷彎產(chǎn)生的裂紋進行了系統(tǒng)檢驗分析，橋梁鋼板出現(xiàn)冷彎裂紋主要原因是原鑄坯表面存在縱向裂紋所致[3-4]。北京科技大學米振莉等人，研究了Q355鋼直接軋制工藝中C、N化物的析出對組織性能的影響，結(jié)果表明，利用二相粒子析出可以細化奧氏體晶粒組織，從而改善鋼的內(nèi)部組織和材料的力學性能[3]。內(nèi)蒙古科技大郭志強等人提出了一種研究C-Mn鋼的模型，該方法基于使用有限元法（FEM）的熱機械分析，研究了軋制速度、壓下量等軋制參數(shù)對板帶熱軋溫度分布的影響[4]。北京科技大學彭以超等人，通過對C-Mn容器板鋼在不同溫度及時間下的模擬過火處理試驗，研究了過火處理參數(shù)對Q355R鋼宏觀性能的影響，結(jié)果表明，Q355R鋼的表面硬度、抗拉強度及沖擊韌度均在700℃附近存在明顯的下降，而800 ℃以上處理時，綜合性能明顯回升[5-6]。東北大學李婧等人利用無微合金化Q355D連鑄坯料，采用TMCP和RCR+ACC兩工藝進行了厚80～

85 mm高強度厚板工業(yè)試驗，對比了兩工藝厚板的組織和性能，結(jié)果表明，RCR+ACC軋制工藝在奧氏體高溫區(qū)軋制，變形抗力低，且省去TMCP工藝中間待溫時間，具有顯著的經(jīng)濟效益，鋼板在厚度方向上的組織和性能均勻性較好，且較易實現(xiàn)[7-8]。可見，合金元素的含量變化可對鋼材的組織和性能產(chǎn)生重大影響[9]，研究具有良好強韌性能匹配、減量化成分體系和更高性價比的低合金高強度鋼，具有重要的實際應用價值[10]。本論文通過熱力學計算軟件進行優(yōu)化設計研究，探討了合金元素含量對組織和力學性能的影響規(guī)律，為開發(fā)低成本、高質(zhì)量的高強鋼制造新技術提供了指導。

1? ? 試驗材料與方法

試驗材料成分采用GB/T1591成分標準，其初始設定成分質(zhì)量百分數(shù)（wt%）為0.03～0.10C，0.10.40Si，0.61.9Mn，P≤0.035，S≤0.035，Nb+V+Ti≤0.15， Nb≤0.07， V≤0.15， Ti≤0.20， Ni≤0.012， Mo≤0.10， 其余為Fe。在1 200 ℃下保溫１h， 成分設計采用在設定其余成分變量在合理估值情況下，單變量輪換梯度變化關鍵合金含量，冷卻速度為20 ℃/s時，得出主要化學成分含量對組織和力學性能的影響規(guī)律。

1.1? ? 微觀相組成計算模型

P=Σxipo i+ΣΣxixjΣ?v ij（xi-xj） v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Pt=xαPα+xγPγ+xIIIPIII? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：P為計算相的性能值；Po i為這個相的性能值； ?v ij為v的系數(shù)；xi，xj為組分i和j的摩爾分數(shù)；Pt為所需試驗材料混合相的相對性能；Pα為α相的力學性能；Pγ為γ相的力學性能；PIII是相III的力學性能。

1.2? ? 屈服強度計算模型

σy=σ0+kd-1/2 （Hall-Patch）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

1.2Gb? ? ? ? r

σppt= 0.84M（———）ln— （Ashby Oroman）? ? ? ? （4）

2πL? ? ? ? b

σ（y，ε）=σ（y，ε0）（ε/ε0）m（Stress and Strain Effects）? （5）

式中：σy為材料的屈服強度；σ0為純金屬的晶界應力；k為材料的相關系數(shù)；d為晶粒的直徑；σppt為二次強化；ε為應變率；m為溫度的應力狀態(tài)參數(shù)。

1.3? ? 抗拉強度計算模型

σb=xασα+xγσγ+xIIIσIII? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：σb為試驗材料的混合相的期望抗拉強度；σα為相α的抗拉強度值性能；σγ為相的力學性能；σIII為III相的力學性能。

2? ? 試驗結(jié)果與分析

2.1? ? C含量對試驗鋼微觀組織的影響

C是決定試驗鋼顯微組織和力學性能的重要化學元素。鋼中隨著C量的增加，屈服強度和抗拉強度會升高，但塑性和沖擊性會降低[11]。試驗鋼中碳含量不超過0.20%。

由圖1a可知，C元素在0.14%～0.2%時，試驗鋼的顯微組織主要是馬氏體、貝氏體、奧氏體和鐵素體，不存在珠光體組織，其中除馬氏體外其他組織都很少。貝氏體和鐵素體隨C含量的增加而減少，馬氏體和奧氏體則相反，其隨碳含量的增加而增加。由此得出，在C含量為0.14%～0.2%時，10 ℃/s冷卻速度下，隨著C含量的增加，有利于馬氏體和奧氏體的形成。

屈服強度、抗拉強度和硬度與C含量之間的關系如圖1b所示，在C含量為0.14%～0.2%這個范圍內(nèi)，隨著C含量的增加，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度也隨之增加，并且屈服強度和抗拉強度的增幅基本保持一致；隨著C含量的增加，試驗鋼的硬度呈上升趨勢，增加速度較快，C含量每增加0.02%，硬度增加約1.7 HRC。

2.2? ? Si含量對試驗鋼微觀組織的影響

Si含量對微觀組織及關鍵力學性能的影響如圖2a所示，Si元素是0.2%～0.5%時，試驗鋼組織是馬氏體、貝氏體和奧氏體，不存在珠光體和鐵素體組織，其中除馬氏體外其他組織都很少。貝氏體隨Si含量的增加而減少；馬氏體則相反，其隨碳含量的增加而增加，但當Si元素含量是0.3%～0.5%時，增加較為緩慢；奧氏體含量基本沒變化，處在0.08%左右。由此得出，在Si含量為0.2%～0.5%時，10 ℃/s冷卻速度下，隨著Si含量的增加，有利于馬氏體的形成。

屈服強度、抗拉強度和硬度與Si含量之間的關系如圖2b，Si元素為0.2%～0.5%時，Si元素含量增加，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度降低；Si元素在1.3%～1.5%這個范圍內(nèi)增加時，試驗鋼的硬度下降，下降速度較快，Si含量每增加0.1%，硬度降低約0.28HRC。

2.3? ? Mn含量對試驗鋼微觀組織的影響

Mn在鋼中是作為脫氧劑和脫硫劑來使用的。Fe和Mn形成的固溶體，是碳化物形成的元素，能夠進入滲碳體中取代一部分鐵原子，Mn在鋼中由于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，起到細化珠光體的作用，也間接地起到提高珠光體鋼強度的作用[12-13]。在其他元素含量不變的情況下，改變Mn元素含量，同時設定試驗鋼從1 200 ℃開始冷卻，冷卻速率為

10 ℃/s，得到的組織含量與Mn含量之間的關系，如圖3a所示。Mn元素在1.1%～1.7%時，試驗鋼組織為馬氏體、少量的貝氏體、奧氏體和鐵素體，不存在珠光體組織，其中除馬氏體外其他組織都很少。C含量增加時，貝氏體和鐵素體減少，馬氏體和奧氏體增加。由此得出，在Mn含量為1.1%～1.7%時，10 ℃/s冷卻速度下，隨著Mn含量的增加，有利于馬氏體和奧氏體的形成。

屈服強度、抗拉強度和硬度與Mn元含量之間的關系，如圖3b所示。在Mn含量為1.1%～1.7%這個范圍內(nèi)，隨著Mn含量的增加，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度整體呈降低趨勢，并且屈服強度和抗拉強度的變化趨勢基本保持一致，Mn含量在1.3%～1.5%這個范圍內(nèi)，試驗鋼屈服強度和抗拉強度的降幅相對之前的快了一些，在此之后其又呈緩慢上升趨勢，但整體還為下降趨勢；Mn含量在1.3%～1.5%這個范圍內(nèi)，試驗鋼的硬度呈下降趨勢，下降速度較快，Mn含量在1.5%～1.7%這個范圍內(nèi)，硬度呈上升趨勢。

2.4? ? Al含量對試驗鋼微觀組織的影響

在其他元素含量不變的情況下，改變Al元素含量，同時設定試驗鋼從1 200 ℃開始冷卻，冷卻速率為10 ℃/s，得到的組織含量與Al含量之間的關系，如圖4a所示。由圖4a得：Al元素含量小于0.045%時，組織主要是馬氏體、貝氏體和奧氏體。Al元素增加貝氏體也增加，當Al元素小于0.03%時，貝氏體基本不變，在0.11%左右，當Al含量為0.03%～0.045%時，其緩慢增加；馬氏體含量未發(fā)生變化，保持在99.79%左右；奧氏體含量也基本未增加，含量在0.086%左右。

屈服強度、抗拉強度和硬度與Al含量之間的關系圖4b所示。Al元素在0～0.045%時，Al元素增加，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度會降低，其中Al元素在0.03%～0.045%時，屈服強度、抗拉強度降低速度較快，并且屈服強度和抗拉強度的變化趨勢基本保持一致；Al元素在0～0.045%時，Al含量增加，試驗鋼的硬度會降低，Al元素在0.03%～0.045%，Al含量增加，使試驗鋼的硬度降低速度較快。

2.5? ? Cr含量對試驗鋼微觀組織的影響

在其他元素含量不變的情況下，改變Cr元素含量，同時設定試驗鋼從1 200 ℃開始冷卻，冷卻速率為10 ℃/s，得到的組織含量與Cr含量之間的關系，如圖5a所示。Cr元素含量小于3%時，試驗鋼顯微組織是馬氏體、奧氏體、貝氏體、鐵素體。Cr元素增加時，貝氏體減少，當Cr元素小于0.1%時，貝氏體具有較快的減小速率，當Cr含量為0.1%～0.3%時，貝氏體減少速度較慢；馬氏體則相反，Cr元素占比增加馬氏體也增加，當Cr含量為0～0.1%時，其增加較快，當Cr含量為0.1%～0.3%時，其增加較慢；奧氏體含量整體呈增加趨勢，但隨Cr含量增加其增幅較慢；鐵素體含量在Cr含量增加下，整體呈下降趨勢，但下降較為緩慢。

屈服強度、抗拉強度和硬度與Cr含量之間的關系如圖5b所示，Cr元素小于0.3%時，Cr元素增加，試驗鋼的抗拉強度、屈服強度整體是增加的，其中Cr元素在0.1%～0.2%，Cr元素增加，屈服強度、抗拉強度會降低，Cr元素在0.2%～0.3%，Cr元素增加，屈服強度、抗拉強度緩慢增加；Cr元素小于0.1%時，Cr元素增加，試驗鋼的硬度也增加，Cr元素在0.1%～0.2%，Cr元素增加，試驗鋼的硬度會降低，Cr元素在0.2%～0.3%，Cr元素增加使試驗鋼的硬度也增加，整體趨勢為硬度增加。

3? ? 結(jié)? ? 論

1） C對試驗鋼組織性能影響很大，碳含量增加，屈服強度和抗拉強度會升高，但塑性和沖擊性會降低。

2）有些金屬元素在試驗鋼中雖含量少，但在一定范圍內(nèi)其含量的增減會顯著影響試驗鋼的組織性能；

3）S、P、N、O作為鋼中主要的有害元素，其在鋼中的存在并不是完全無用的，例如P能提高鋼的強度和在空氣中的耐腐蝕性；

4）Cr元素能夠顯著提高鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度，而Si元素恰恰相反，Si元素可以降低鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度。

5）優(yōu)化后試驗鋼部分化學元素含量：C為0.16%～0.20%，Mn為1.50%～1.70%，Si為0.10%～0.30%，P為0.02%～0.035%，Ni為0～0.01%，Cr為0.02%～0.03%。

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