钛与铌微合金化Q345C钢显微组织与力学性能的对比

周家林，向 上，黄 高，潘成刚，胡唐国

（1.武汉科技大学，钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉430081；2.武汉钢铁股份有限公司，武汉430083）

0 引 言

传统Q345C钢中厚板主要通过添加微合金元素铌来达到提高其强韧性的目的，目前对于铌微合金化的研究已较为成熟［1-2］。受钛含量波动大、热加工过程中温度不稳定等因素的影响，钛微合金化钢的力学性能不稳定，所以以钛作为单独微合金化元素的实际应用研究较少［3］。随着炼钢和TMCP（Thermo-Mechanical Control Process，控轧控冷工艺）的成熟，钛微合金化钢的综合性能得到了提高，加上我国钛资源丰富且成本相对较低，研究和发展钛微合金化钢具有很好的社会效益与经济效益［4］。以往学者研究的钛微合金化钢中的钛含量均较高［5-8］，而对钛含量较低的钛微合金化钢（质量分数不大于0.02%）的研究较少。为了降低生产成本，某单位以钛替代铌生产微合金化Q345C钢中厚板，通过TMCP工艺，充分发挥钛的细晶强化和沉淀强化作用，获得了综合性能良好的低成本、高性能钛微合金化钢。钛能和氮、碳元素形成稳定的氮化物、碳化物，改善材料的性能，但过量的钛易形成粗大的Ti（C，N），降低钢的韧性［9］。为进一步分析钛替代铌生产微合金化钢的可行性，作者对比研究了钛与铌微合金化Q345C钢的显微组织、力学性能及强化机制的异同，为生产低成本的钛微合金化钢进行有益探索。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料取自某热轧厂生产的厚度为30mm的Q345C钢中厚板（试验钢A为钛微合金化，试验钢B为铌微合金化）。试验钢的化学成分如表1所示，两种钢的碳当量均不大于0.44%。标准要求Q345C钢中钛与氮的质量比为3.43（试验钢A为3.45），屈服强度不小于335MPa，抗拉强度为470～630MPa，伸长率不小于21%，-20℃冲击功不小于34J。

试验钢A和B的生产工艺流程相同：铁液脱硫→150t转炉冶炼→RH真空处理→全程保护浇铸（电磁搅拌＋动态轻压下）→板坯精整→板坯加热→控制轧制→控制冷却→矫直→剪切→精整→正火热处理。工艺制度也大致相同：钢坯加热温度为1 230℃，加热时间为3h，粗轧开轧温度为1 050℃，精轧开轧温度控制在960℃以下，终轧温度为830～870℃。

表1 Q345C钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical compositions of Q345C steel（mass） %

1.2 试验方法

按照GB／T 228-2010的要求，分别在试验钢A和B的表层、厚度1／4处、心部沿横向和纵向各取1组如图1所示的方形拉伸试样，利用GALADBINI型全自动拉伸试验机进行拉伸试验。分别在试验钢A和B的表层、厚度1／4处和心部沿横向取3组试样，用以进行组织观察：采用Axiovert 200MAT型定量光学显微镜观察显微组织，腐蚀剂为5%（体积分数）硝酸酒精溶液；采用JSM-7001F型扫描电镜（SEM）观察夹杂物的形貌，腐蚀剂为3%（体积分数）硝酸酒精溶液；制备萃取复型试样，采用JEM-2100F型透射电镜（TEM）观察析出物的形貌。按照GB／T 229-2007的要求，分别在钢板厚度1／4处、心部沿横向和纵向各取4组规格为10mm×10mm×55mm的方形冲击试样，利用GALABINI IMPACT450型全自动冲击试验机分别在-40，-20，0，20℃下进行冲击试验，采用JSM-7001F型扫描电镜（SEM）观察断口形貌。

图1 拉伸试样的尺寸Fig.1 Size of the tensile sample

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

由表2可知，试验钢A的强度比试验钢B的略低，但其伸长率较大；试验钢A的屈服强度、抗拉强度以及伸长率等均符合标准要求；两种试验钢的韧脆转变温度均低于-40℃，均具有良好的低温冲击韧性，且试验钢A的冲击性能优于试验钢B的。

由图2可知，试验钢A和B心部横向试样-40℃冲击断口形貌相似，大多数均为撕裂韧窝，断口表面颜色呈灰暗色，有明显的塑性变形特征，断口大部分为韧性断口的纤维区，韧窝细小均匀，很少部分为解理断口。

2.2 显微组织

由图3和表3可知，试验钢不同位置处的横向组织均由珠光体和铁素体组成，晶粒相对均匀、细小，晶粒度为9～11级，带状组织为0.5～1级。

2.3 夹杂物

由图4，5可知，试验钢B中的夹杂物主要为尺寸较大的条状MnS；试样钢A中的夹杂物主要为MnS和少量Ti4C2S2，由于钛与硫的亲和力强于锰与硫的，故尺寸更小、硬度更高的Ti4C2S2取代了部分MnS夹杂物，减少了轧后边缘尖锐的长条状MnS的出现，改善了钢的冲击韧性。

表2 试验钢不同位置处的力学性能Tab.2 Mechanical properties of tested steels at different positions

图2 试验钢心部横向试样-40℃冲击断口的SEM形貌Fig.2 Impact fracture SEM morphology of the transverse section of the centre of tested steel A（a）and tested steel B（b）at-40℃

表3 试验钢不同位置处横向组织中珠光体的质量分数及晶粒度Tab.3 Mass fraction and grain size of pearlite in transvers section at different positions of tested steels

2.4 析出物

由图6可知，试验钢A中的析出物主要为弥散分布的立方形TiN粒子，尺寸为150～250nm的为高温液态时析出物，可以为相变形核以及第二相粒子析出提供有利的位置；尺寸为50～100nm的为较低温度下的固态析出物，能通过钉扎晶界的方式阻止轧前奥氏体晶粒的长大，并且能够抑制轧制过程中奥氏体的再结晶，从而细化铁素体晶粒。

由图7可知，试验钢B中的析出物基本上全为弥散分布的球形Nb（C，N）复合析出物，尺寸为20～100nm。

2.5 强化机理

相关研究表明［6-8］，钢中含钛化合物的稳定性由小到大依次为 Ti2O3、TiN、Ti4C2S2、Ti（C，N）、TiC。当钛含量较低时，钢中的钛几乎全部形成TiN，硫以MnS形式存在；当钛含量超过氮含量的3.4倍时，形成了Ti4C2S2，并取代部分 MnS；当钛含量超过3.4倍氮含量与3倍硫含量之和时，MnS将全部被Ti4C2S2代替；当钛含量继续增加时，细小而弥散的TiC开始析出起沉淀强化作用。试验钢A中钛的质量分数为氮含量的3.45倍，没有足够的钛形成TiC，析出物为 TiN，夹杂物为 MnS和Ti4C2S2共存。因此，试验钢A强度的提高主要来自于固态析出TiN粒子的细晶强化作用。

试验钢B中的铌元素主要以Nb（C，N）粒子的形式析出，能通过钉扎晶界的方式阻止轧前奥氏体晶粒的长大，并且能够结合溶质铌通过拖拽机制抑制形变奥氏体的再结晶，从而细化铁素体晶粒。试验钢B中析出的Nb（C，N）粒子数量较多，虽然其尺寸不在强化作用的最佳尺寸范围内［10］，但其对位错的阻碍作用仍较为显著，可通过Orowan机制起到沉淀强化作用。因此，试验钢B强度的提高主要来自铌的细晶强化和沉淀强化作用。

图3 试验钢不同位置处的横向显微组织Fig.3 Microstructure of transverse section at different locations of tested steels：（a）the surface of tested steel A；（b）the 1／4of tested steel A；（c）the centre of tested steel A；（d）the surface of tested steel B；（e）the 1／4of tested steel B and（f）the centre of tested steel B

图4 试验钢B中夹杂物的SEM形貌及EDS谱Fig.4 SEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of the inclusion in tested steel B

3 结 论

（1）钛微合金化Q345C钢的力学性能可满足国标要求，强度稍低于铌合金化Q345C钢的，但其冲击韧性和延展性更好。

（2）钛微合金化Q345C钢的显微组织和铌微合金化Q345C钢的相似，均为铁素体和珠光体，晶粒度级别均为9～11级；-40℃冲击断口形貌也相似，表现为韧性断裂，两种试验钢的韧脆转变温度均低于-40℃，均具有较好的低温冲击韧性。

（3）钛微合金化Q345C钢中的夹杂物主要为MnS和少量Ti4C2S2，典型析出物为弥散分布的50～250nm的立方形TiN粒子，强化机制主要为细晶强化；铌微合金化Q345C钢中的夹杂物主要为条状MnS，典型析出物为弥散分布的20～100nm的球形Nb（C，N）粒子，强化机制主要为细晶强化和沉淀强化。

图5 试验钢A中夹杂物的SEM形貌及EDS谱Fig.5 SEM morphology and EDS spectrums of the inclusions in tested steel A：（a）morphology of MnS inclusion；（b）EDS spectrum of MnS inclusion；（c）morphology of Ti4C2S2inclusion and（d）EDS spectrum of Ti4C2S2inclusion

图6 试验钢A中析出物的TEM形貌及EDS谱Fig.6 TEM morphology（a）and EDS spectrum（a）of the precipitate in tested steel A

图7 试验钢B中析出物的TEM形貌及EDS谱Fig.7 TEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of the precipitate in tested steel B

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