低碳高铌微合金钢的析出行为

Materials󰀁for󰀁Mechanical󰀁EngineeringVol.31󰀁No.9Sep.2007低碳高铌微合金钢的析出行为

文建华1,2,孙新军2,刘清友2,阴树标2,项金钟1

(1.云南大学物理科学技术学院,云南昆明650091;2.钢铁研究总院结构材料研究所,北京100081)

摘󰀁要:

利用热模拟试验机和透射电镜,研究了不同轧后保温时间和变形温度对低碳高铌微合

金钢析出行为的影响。结果表明:变形后适宜的保温可使Nb(C,N)在奥氏体中大量应变诱导析出,相应地降低了固溶铌含量,使固溶铌降低󰀁󰀁󰀁相变温度的作用大大削弱;而适当降低变形温度可使Nb(C,N)在铁素体中大量析出,在条件适宜时还可发生相间析出,从而使析出相发挥重要的析出强化作用。

关键词:

低碳高铌微合金钢;析出行为;Nb(C,N)

中图分类号:TG1󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1000-3738(2007)09-0023-03

PrecipitateBehaviorofLowCarbonandHighNiobiumMicroalloyedSteel

WENJian-hua1,2,SUNXin-jun2,LIUQing-you2,YINShu-biao2,XIANGJin-zhong1(1.YunnanUniversity,Kunming650091,China;2.CentralIronandSteelResearch

Institute,Beijing100081,China)

Abstract:Influenceofdifferentholdingtimeafterrollinganddeformingtemperatureontheprecipitate

behavioroflowcarbonandhighniobiummicroalloyedsteelwasstudiedbyheatsimulationexperimentsandTEManalysis.TheresultsshowthatmanyNb(C,N)precipitatescouldbefoundinaustenitewithselectingsuitableholdingafterdeformation,thenthecontentofdissovedniobiumcouldbedecreasedaccordinglyandtheeffectofdecreasingthephasetransformationtemperaturefromaustenitetoferritecouldbeweakened.However,manyNb(C,N)precipitatescouldbefoundinferriteandinterphaseprecipitationcouldbearisedwhileselectingsutabledefomingtemperature,sothatthereisabetterinfluenceontheprecipitationstrengthening.

Keywords:lowcarbonandhighnibiummicroalloyedsteel;precipitatebehavior;Nb(C,N)

0󰀁引󰀁言

铌微合金钢可通过晶粒细化和沉淀强化来改善钢的强韧性,因此,铌微合金化技术在钢铁材料生产中得到了广泛应用[1-3]。由于铌在钢中的固溶度与碳含量有关,通过降低碳含量可以在一定程度上提高铌的固溶度,这样就允许添加高于常规使用的铌,以获得高的固溶铌含量。这样,既极大地提高了奥氏体的再结晶温度,使控制轧制可以在更高的温度进行,降低轧机的负荷,同时又能降低󰀁󰀁󰀁转变温度,促进低碳贝氏体或针状铁素体的形成,改善钢材的性能[4,5]。然而,在控轧控冷过程中,过饱和的铌势必以适当的方式沉淀出来,而沉淀析出方式的不

收稿日期:2006-11-30;修订日期:2007-07-01

作者简介:文建华(1982-),男,云南曲靖人,硕士研究生。导师:项金钟教授

同又影响钢材的室温组织和性能。因此,研究高铌

钢不同控轧过程中的沉淀析出行为具有十分重要的意义。作者用Gleeble热模拟试验机和透射电镜(TEM)对一种铌含量高达0.13%(质量分数,下同)的低碳高铌微合金钢在不同的轧后保温时间和变形温度条件下,Nb(C,N)的析出行为进行了研究,并对相关规律进行了说明。

1󰀁试样制备与试验方法

1.1󰀁试样制备

试验用低碳高铌微合金钢在实验室真空感应炉上冶炼,其化学成分(质量分数)为0.05%C,0.13%Nb,0.17%Si,1.4%Mn,0.010%P,0.0021%S,0󰀁006%N。浇注成50kg钢锭,经锻造后得到󰀁15mm󰀁1000mm的棒材待用。锻造工艺:钢锭加热到1200󰀁,保温1h,锻成45mm󰀁100mm󰀁L钢坯,终锻温度为1000~1100󰀁;再将切割好的毛

󰀁23󰀁

文建华,等:低碳高铌微合金钢的析出行为坯加热到1250󰀁,锻成󰀁15mm󰀁1000mm的棒材。再将棒材进行预热处理,采用倒装,在1250󰀁保温1h后水淬,目的是使钢中的铌最大限度固溶,最后制取󰀁8mm󰀁12mm的试样。

1.2󰀁试验方法

热模拟和单向压缩试验在Gleeble-1500D型热模拟试验机上进行,将试样加热至1250󰀁,保温5min后按以下方案进行:(1)以20󰀁/s的速率冷至900󰀁后,以1/s的应变速率变形,应变量为50%,再分别不保温和保温3min,然后以5󰀁/s的速率冷至室温;(2)以20󰀁/s的速率分别冷至900和850󰀁后,以1/s的应变速率变形,应变量为50%,然后以5󰀁/s的速率冷至室温。

热模拟试验完成后,用线切割机将试样沿纵截面切开,并取下0.3mm厚的金属薄片,预减薄到50󰀁m以下后冲出󰀁3mm的圆片,用离子减薄制备透射电镜分析试样,用H-800型TEM观察析出物的形貌及分布。

(b)󰀁保温3min

图1󰀁保温对析出物形貌的影响

Fig.1󰀁Theinfluenceofholdingonprecipitates󰀁morphology

(a)withoutholding󰀁(b)holding3min

(a)󰀁不保温

2󰀁试验结果与分析

2.1󰀁保温对析出物的影响

由图1可见,经900󰀁变形后,不保温和保温后

试样的析出情况有很大不同。不保温时,Nb(C,N)基本上仅在奥氏体晶界或亚晶界上析出,析出的量很少;在变形保温3min后,Nb(C,N)除优先在晶界或亚晶界上形核析出外,还在位错线上及晶内均匀析出,析出相为近球形,尺寸约10nm。

有研究指出

[6,7]

尺寸可以控制在10nm左右,从而产生强烈的阻止形变奥氏体再结晶的作用[7,8]。

大量研究结果表明,Nb(C,N)在奥氏体中析出时,其析出温度曲线的󰀁鼻子点󰀁温度在900~950󰀁范围内。当基体应变量在50%左右时,󰀁鼻子点󰀁温度应趋于上限,且在该温度附近的沉淀开始时间一般仅为数秒。

当Nb(C,N)在奥氏体中析出后,使固溶铌含量下降,从而影响了后续的奥氏体相变,使得固溶铌降低󰀁󰀁󰀁相变温度的作用大大削弱。2.2󰀁变形温度对析出物的影响

由图2可见,不同变形温度下的析出物形貌存在较大差异。在900󰀁变形时,Nb(C,N)主要在奥氏体晶界或亚晶界上形成,析出的量很少;在850󰀁变形后,析出情况较为复杂,观察到了三种类型的Nb(C,N)析出相,首先,部分Nb(C,N)在奥氏体晶界或亚晶界上析出,析出相为近球形,尺寸较大,粒径约10nm,随后,在󰀁󰀁󰀁相变过程中发生了相间析出,析出物呈有序排列,点列间距约30nm,此外,还有一部分Nb(C,N)在铁素体中均匀析出。相间析出和在铁素体中均匀析出的相与铁素体之间存在Baker-Nutting位向关系,为使体积一定的Nb(C,N)与铁素体之间的总界面能最小,析出相为圆片状[6]。

[6]

,微合金碳氮化物在奥氏体中

沉淀析出时,将优先在晶界上形核,但由于形核位置

的而仅能进行到一定程度后就将转变为以位错线上形核为主,而均匀形核则由于形核率偏低也不能成为主导的形核沉淀方式,同时,依靠位错线上形核可以使微合金碳氮化物的沉淀析出过程基本完成。对于试验钢,由于铌含量很高,在变形后的保温过程中大量的铌应变诱导析出,虽变形使基体的位错增加,形核位置增多,但仍难以满足大量Nb(C,N)析出的形核要求,故而一些Nb(C,N)在晶界和位错线以外的其它位置均匀析出。

比较图1a、b中的析出相,发现析出相的尺寸变化不大,这主要是因为Nb(C,N)粒子的Ostwald熟化速率较小,其尺寸稳定性较高,其尺寸主要是初始析出时的尺寸;而在一般的微合金钢中,初始析出的尺寸仅与化学成分、析出温度和具体的合金系等因素有关。在奥氏体中应变诱导析出的Nb(C,N),其

󰀁24󰀁

文建华,等:低碳高铌微合金钢的析出行为进一步分析得知,相间和铁素体中均匀析出的Nb(C,N)尺寸较小,粒径为2~5nm。

2000s和20s。Nb(C,N)在铁素体温度区域析出(包括相间析出和均匀析出),此时铁素体转变已经发生或完成,因而对相变的影响不大,它的作用主要体现在强烈的析出强化上,使得析出强化成为微合金钢中仅次于晶粒细化的一种最重要的强化方式。

3󰀁结󰀁论

(1)通过不同的控轧工艺,可使高铌微合金钢中的铌分别在奥氏体、铁素体和相间析出,从而使铌

(a)󰀁900󰀁

通过不同的析出方式发挥不同的作用。

(2)变形后适宜的保温可使Nb(C,N)在奥氏体中大量应变诱导析出,相应地降低了固溶铌含量,使固溶铌降低󰀁󰀁󰀁相变温度的作用大大削弱。

(3)适当降低变形温度可使Nb(C,N)在铁素体中大量析出,在条件适宜时还可发生相间析出,从而使析出相发挥重要的析出强化作用。

参考文献:

(b)󰀁850󰀁

图2󰀁变形温度对析出物形貌的影响Fig.2󰀁Theinfluenceofdeformingtemperatureson

precipitates󰀁morphology

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通过比较不难发现,在900󰀁变形冷却后的组织中没有相间析出,这主要是因为在850󰀁变形时,

试验钢󰀁󰀁󰀁转变的相变温度Ar3比900󰀁变形时要高,Nb(C,N)形核速率足够快,跟上了󰀁/󰀁相界面的迁移速度;而在900󰀁变形时,Nb(C,N)的形核速率较慢,跟不上󰀁/󰀁相界面的迁移,故而不发生相间析出。

一般来说,在铁素体中析出的微合金碳氮化物的尺寸明显小于在奥氏体中析出的微合金碳氮化物,且在铁素体中析出的微合金碳氮化物的尺寸均匀性也较佳[9]。铁素体温度区析出相的尺寸与析出温度有关,随析出温度降低,溶质过饱和度增大,进而增大了析出反应的化学驱动力,使析出相尺寸变小。但析出温度也不能降得太低,一般应在最大形核率温度附近。

有试验结果表明[10],各种微合金碳氮化物在铁素体中析出的最大形核率温度约为600󰀁,最快析出温度约为700󰀁。最快析出温度下微合金碳氮化物在铁素体中的析出完成时间约为50s,故析出开始时间约为0.5s,在最大形核率温度下则分别约为

[6]

󰀁25󰀁