Mn含量对热轧超低碳钛低合金钢组织与力学性能的影响

马娅娜，杜林秀，胡 军

(东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 110819)



Mn含量对热轧超低碳钛低合金钢组织与力学性能的影响

马娅娜，杜林秀，胡 军

(东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 110819)

实验钢在传统C-Mn钢的基础上添加低合金元素Ti，通过调整钢中Mn元素含量，同时采用简便的控制轧制与控制冷却工艺，获得了良好的组织形态及纳米尺度析出物，从而在保证优良延伸性能的前提下大幅度提高了钢板的强度，显著降低了钢材成本。使用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对微观组织进行观察。结果表明：当实验钢Mn含量从1.05%(质量分数，下同)提高至1.5%，平均晶粒尺寸从6.4μm细化至5.2μm；基体中纳米尺度TiC的析出量明显增加；屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别提高了56.7，42.2MPa和1.2%，达到了558.7，662.2MPa和22.4%。

Mn含量；超低碳；低合金钢；钛；组织与性能

高强度及优异韧性匹配的低合金钢一直是钢种开发工作中的重点。为了获得良好的韧性与焊接性能需降低钢材中的C含量，随之引起的强度降低可通过添加Si和Mn元素来补偿。此外，通过单独或复合添加微合金化元素Nb，V，Ti等形成的析出强化和细晶强化作用进一步提高了钢的强度[1,2]。岳重祥等[3]在0.07%(质量分数，下同)C-1.1%Mn钢中添加Ti，Nb，Ni，Cr，Mo等合金元素，获得了屈服强度大于590MPa的细密贝氏体高强钢。王建锋等[4]在0.046%C-1.45%Mn钢中添加0.09%的合金元素Ti，获得了屈服强度为640MPa的多边形铁素体+粒状贝氏体高强钢。Hu等[5]在0.04%C-1.5%Mn的钢中添加合金元素Ti，V，制备出屈服强度为709MPa的高强铁素体钢。衣海龙等[6]在C(<0.12%)-Mn(<1.8%)钢中添加低合金元素Ti，Nb，通过控轧控冷工艺(Thermo Mechanical Control Process, TMCP)制备出抗拉强度为730MPa的高强钢。Misra等[7]以0.06%C-1.5%Mn为基础成分，添加Nb，Ti，Mo和B微合金元素，通过析出强化和贝氏体组织强化实现钢板770MPa的高屈服强度。Funakawa等[8]以0.04%C-1.5%Mn为基础成分，添加微合金元素Mo，Ti，获得了抗拉强度780MPa级热轧超高强度铁素钢。日本JFE公司[9]开发出屈服强度980MPa级热轧超高强Ti-Mo-V合金化钢板，通过提高C，Mo，Ti及V含量，大幅提高钢板强度，且保证了较高的断后伸长率。然而，上述合金钢中加入Mo，Cr，Ni，Cu，Nb，V等贵重合金元素，导致钢材成本增加。在低碳合金钢中添加Ti元素，通过调整Mn元素含量来研究Mn对显微组织及力学性能影响的文章还鲜有报道。本工作在传统C-Mn钢基础上添加微合金元素Ti，通过调整Mn元素含量，同时结合简便的控轧控冷工艺，获得良好的组织形态及纳米尺度析出物，从而在保证优良延伸性能的前提下大幅度提高了钢板的强度。

1 实验方法

实验钢由真空电磁感应炉进行冶炼并浇铸成50kg钢锭，经锻造制成45mm厚坯料。根据Mn含量不同将实验钢分成A(1.05Mn)，B(1.5Mn)两组，其余元素含量相同，其中主要成分如下： Fe，C(0.02%～0.05%)， Ti(0.1%～0.2%)，P，S，Al。实验钢控制轧制和控制冷却工艺在φ450mm二辊可逆试验机及冷却系统上进行。钢坯以300℃/h的加热速率加热至1200℃，保温2h后，缓冷至开轧温度930℃，在未再结晶区经5道次控制轧制至7mm厚钢板，终轧温度约为900℃，继而以35℃/s的冷速水冷至卷取温度600℃，随后炉冷至室温，模拟卷取过程。

金相试样研磨抛光后经4%的硝酸酒精溶液腐蚀，利用Leica DMIRM光学显微镜(OM) 及FEI Quanta 600扫描电子显微镜(SEM)进行观察；试样通过高氯酸酒精溶液电解抛光后，使用SEM的电子背散射衍射(EBSD)配件进行组织形貌观察；采用FEI Tecnai G2F20透射电子显微镜(TEM)对金属薄片试样进行研究，加速电压为200kV，析出物成分采用能谱(EDS)分析；室温拉伸实验在Shimadzu AG-X万能试验机上进行。

2 实验结果与讨论

2.1 实验结果

图1为A，B两种实验钢的EBSD晶体取向图和晶粒尺寸柱状图。由图1可知，A钢中小尺寸的晶粒为5～7μm，大尺寸晶粒为12μm左右，平均尺寸6.4μm；B钢晶粒主要为2.5～5μm，个别大晶粒尺寸为10～12μm左右，平均尺寸5.2μm。A钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别是502.0，620.0MPa和23.6%，而B钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率则分别是558.7，662.2MPa和22.4%。通过提高Mn含量，屈服强度和抗拉强度分别提高了56.7MPa和42.2MPa，并保证了较高的断后伸长率。

图1 实验钢的EBSD晶体取向图和晶粒尺寸柱状图 (a)A钢晶体取向图；(b)B钢晶体取向图；(c)A钢晶粒尺寸柱状图；(d)B钢晶粒尺寸柱状图Fig.1 EBSD orientation image maps and grain size histograms of experimental steels (a)orientation image map of steel A;(b)orientation image map of steel B;(c)grain size histogram of steel A;(d)grain size histogram of steel B

图2为实验钢的显微组织图。由SEM图片可知，A钢与B钢的显微组织均为细小的沿轧制方向有轻微带状形态的铁素体组织，且B钢铁素体晶粒尺寸较A钢小。晶粒的细化主要是由于TMCP的作用，铁素体在变形带和变形奥氏体晶界处形核，形变使得奥氏体基体内部缺陷增多，位错密度增大，畸变能升高，铁素体形核率显著提高，由于铁素体晶粒之间的相互碰撞，使得晶粒在几何空间的长大受到抑制，从而铁素体晶粒得到细化[10]。

图2 实验钢的显微组织 (a)A钢OM；(b)A钢SEM；(c)B钢OM；(d)B钢SEM Fig.2 Microstructures of experimental steels (a)OM of steel A;(b)SEM of steel A;(c)OM of steel B;(d)SEM of steel B

图3和图4分别为A钢和B钢的TEM形貌及析出物EDS化学成分分析。A钢和B钢晶内及晶界处分布着高密度的位错，位错之间相互缠结。A钢和B钢的基体内均有大量纳米粒子析出，由于这些第二相粒子的钉扎作用，使得位错的运动变得更加困难，可大幅提高实验钢的屈服强度。A钢铁素体晶粒内部的纳米析出物呈现两类尺寸，分别为15～18nm和5～8nm；B钢中纳米析出物数量明显多于A钢，但尺寸较A钢小，较大的析出物尺寸约为13nm，较小的约为3～5nm。尺寸较大的析出物形核于控制轧制及道次间隔阶段，而较小析出物是在快冷后的缓慢冷却过程中形成的。析出物在3～5nm时与位错的交互作用最强[11]，A钢的析出尺寸粗大，而且体积分数小。此外，位错的绕过机制与粒子间距有关，B钢的粒子间距更利于提高钢材的屈服强度。经EDS分析，A钢与B钢中纳米尺度析出物均为TiC。

图3 A钢的TEM形貌及析出物EDS分析 (a)组织形貌；(b)析出物形貌；(c)析出物EDS分析Fig.3 TEM morphologies and precipitates EDS analysis in experimental steel A(a)microstructures morphology;(b)precipitates morphology;(c)precipitates EDS analysis

图4 B钢的TEM形貌及析出物EDS分析 (a)组织形貌；(b)析出物形貌；(c)析出物EDS分析Fig.4 TEM morphologies and precipitates EDS analysis in experimental steel B(a)microstructures morphology;(b)precipitates morphology;(c)precipitates EDS analysis

2.2 分析讨论

2.2.1 Mn元素对TiC析出行为的影响

根据Irving等[12]、Akben等[13]和Wang等[14]的研究，Mn含量对TiC在奥氏体中的固溶度(log[Ti][C]γ)可以用式(1)表示：

(1)

式(1)表明，在相同温度条件下，钢中Mn含量的增加可以提高TiC在奥氏体中的固溶度。B钢Mn含量高于A钢，B钢中TiC的固溶度大于A钢，由于控制轧制的形变诱导析出作用，A钢在奥氏体中的析出物较B钢多，如图3(b)和图4(b)中较大的析出物所示，因此终轧后，B钢中Ti，C原子在奥氏体中的溶解量多于A钢。微合金元素的碳氮化物的平衡析出温度与平衡固溶度有关，在某一温度下的过饱和度愈大，其析出量就愈大。快速冷却后，B钢的奥氏体组织中TiC的过饱和度大于A钢，因此B钢的析出物多于A钢。实验钢在卷取缓冷过程中，微量元素的碳氮化物开始大量析出。由于A钢中TiC在奥氏体中的大量析出消耗了Ti，C等析出形成元素，因此在卷取过程中，A钢的5～8nm尺度的析出物较少，而B钢的大量Ti，C原子在终轧后仍处于固溶状态，所以在卷取过程中，高过饱和度增大了析出的驱动力，形成了高体积分数弥散的3～5nm析出物。

一般情况下，碳氮化物的析出有两种：一是相间析出，即随着奥氏体向铁素体的转变，相界面不断推进，形成一排排有规则的新析出相；另一种是无规则地在位错线、空位晶界、亚晶界和基体上沉淀析出，即一般析出[15]。大多数情况下析出-温度-时间 (PTT)曲线呈现“C曲线”的特征，这是因为在“鼻尖”温度以上温度区间驱动力起主导作用，在“鼻尖”温度以下温度区间，原子扩散能力起作用所致[16]。由于析出温度区间在600℃以下，铁素体的相变速率快，所以铁素体/奥氏体界面迁移迅速，而析出物的形成元素Ti的扩散速率慢，因此先发生铁素体相变，然后在铁素体基体上过饱和析出TiC，即在此温度范围内相间析出难以发生，而是以随机析出形式存在，即一般析出。

2.2.2 Mn元素对合金钢组织与性能的影响

由于B钢中Mn元素含量较高，Mn元素偏聚在奥氏体晶界，降低了界面能，从而减少晶界形核，延缓奥氏体的分解[17]，因此细化了晶粒，而晶粒细化又是唯一提高强度而不损害韧性的强化机制。晶粒细化引起的屈服强度增量(ΔYSFG, MPa)可以由Pickering[18]提出的经典公式的导出公式(2)计算。

(2)

式中：DF为细平均晶粒尺寸，mm；DC为粗平均晶粒尺寸，mm。如前所述，控轧控冷后的A钢和B钢的平均晶粒尺寸分别为6.4μm与5.2μm，因此ΔYSFG计算结果为23.8MPa，余下的32.9MPa来源于Mn促进TiC纳米尺度析出物的析出强化作用。

3 结论

(1)在超低碳(0.02%～0.05%)低合金钢中，添加微量(0.1%～0.2%)Ti元素，通过调整Mn元素含量，并采用简便的控轧控冷工艺，得到具有良好塑性的高强钢，显著降低了钢材的成本。

(2)在超低碳钛低合金钢中将Mn元素的含量从1.05%增加至1.5%，可使得平均晶粒尺寸从6.4μm细化至5.2μm。

(3)Mn元素含量增加，提高了TiC在奥氏体中的固溶度，进而促进了TiC纳米粒子在铁素体中的析出，提高了析出强化作用；大量的TiC粒子钉扎晶界，细化晶粒尺寸，提高了细晶强化的作用。

(4)在细晶强化和固溶强化作用下，屈服强度和抗拉强度分别提高了56.7MPa和42.2MPa，达到558.7MPa和662.2MPa，并保证了较高的断后伸长率。

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Effect of Mn Content on Microstructures and Mechanical Properties of Hot-rolled Ultra-low Carbon Ti Low Alloyed Steel

MA Ya-na,DU Lin-xiu,HU Jun

(The State Key Laboratory of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

Based on conventional C-Mn steel, low alloyed element Ti was appropriately added to the experimental steels, and the content of Mn was adjusted. Meanwhile, the simple thermo mechanical control process (TMCP) was adopted. As a result, the good microstructural morphology and nano-scale precipitates were obtained. Therefore, the strength of steel plate obviously increased under the premise of guaranteed good elongation, and the cost of steel was reduced significantly. The microstructures were observed by OM, SEM, and TEM. The results show that when Mn content in the experimental steels increases from 1.05% (mass fraction) to 1.5%, the average grain size is refined from 6.4μm to 5.2μm, the nano-scale precipitates of TiC increase evidently. At the same time, the yield strength, the tensile strength and elongation increase by 56.7, 42.2MPa and 1.2%, and reach 558.7, 662.2MPa and 22.4%.

Mn content;ultra-low carbon;low alloyed steel;titanium;microstructure and property

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.001

TG335.3

A

1001-4381(2015)09-0001-05

国家科技支撑计划项目(2011BAE25B03)

2014-03-31；

2015-03-23

杜林秀(1962-)，男，教授，博士生导师，主要从事材料成形过程组织性能控制、低成本高性能钢材产品开发等方面的研究工作，联系地址：辽宁省沈阳市和平区文化路3巷11号东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(110819)，E-mail:dulx@ral.neu.edu.cn