（钢铁冶金专业论文）钒氮微合金化对高强度耐候钢组织与性能的影响.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文绪论概述了耐候钢的发展历史及其在国内外的发展应用与趋势，并介绍了 钒氮微合金化技术和研究进展，对钒氮微合金化钢的主要强韧化机理进行了探讨。 并以高强耐候3 1 0 乙字钢作为研究对象，分析生产中存在的问题。 本课题通过采用金相显微镜、扫描电镜等观测手段，对高强耐候3 1 0 乙字钢的 非金属夹杂物、先共析铁素体+ 珠光体组织、带状组织、冲击断口形貌进行了研究。 在牌号为y q 4 5 0 n q r l 的高强耐候3 1 0 乙字钢的基础上，对比不同钒氮含量下钢的 组织与性能的差异，着重研究钒氮微合金化对高强耐候3 1 0 乙字钢组织与性能的影 响，分析影响工业生产的3 1 0 乙字钢低温冲击功的因素。 研究结果表明： 1 ) 钒氮微合金化钢具有较高的屈服强度和抗拉强度，同时具有较好的塑性和韧 性。屈服强度和抗拉强度随着钒、氮含量的增加而增大，对于钒含量为0 1 0 的钢， 每增加1 0 p p m 的氮，屈服强度和抗拉强度约提高1 2 m p a 和7 m p a 。塑性和韧性在 0 1 0 一0 0 1 n 的配比时，性能最为优秀。 2 1 高强耐候3 1 0 乙字钢锻后和轧制后的组织为先共析铁素体+ 珠光体，铁素体 的含量在7 0 以上，其形态、分布和晶粒度的改变，对于钢的性能有重要影响。增 加铁素体的比例和细化晶粒能够改善低温冲击韧性。 3 ) 钒氮微合金化能够有效的提高钢的综合性能，同时也要注意钒氮含量的匹 配，氮含量过高时，部分氮游离在钢中，对钢的塑性和韧性产生不利的影响。3 1 0 乙 字钢进行钒氮微合金化时，强韧性匹配最佳的成分是0 1 0 v 一0 0 1 n ，能够充分发 挥钒细化晶粒、沉淀析出的作用，合理的增氮能够进一步强化钒的作用。 钔由于温度场在3 1 0 乙字钢断面不均匀的分布，使得腰部组织中先共析铁素体 与薄腿和厚腿差异较大，导致其低温冲击功显著低于其它两部分。 关键词：钒氮微合金化：耐候钢；组织；力学性能 内蒙古科技人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i s t o r ya n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fa n t i - c o r r o s i o ns t e e l i nd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a li n d u s t r ya l es u m m a r i z e d ，a n dt h ev a n a d i u m - n i t r o g e na l l o y e dt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ns t a t u sa l ef u r t h e ri n t r o d u c e di nt h i sp a p e r 1 1 1 em a i ns t r e n g t h e n i n g - t o u g h e n i n g m e c h a n i s m so fv a n a d i u m - n i t r o g e nm i c r o a l l o y e ds t e e l sw e r es t u d i e di nt h i sa r t i c l e a n dt h e p r o b l e mo f3 10z s h a p es t e e lm a n u f a c t u r ew a sd i s c u s s e d mm i c r o s t r u c t u r ea n di m p a c tf r a c t u r ew e r es t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y ，s e ma n d s oo nf o r310zs h a p es t e e l b a s i n go nt h ey q 4 5 0 n q r ls t e e l ，c o m p a r e d 、) v i t hd i f f e r e n t c o n t e n t so fv a n a d i u ma n dn i t r o g e nw a ss t u d i e dt oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo fv - n a l l o y e do n m i c r o s t r u e t u r ea n dp r o p e r t i e sf o rh i 曲s t r e n g t ha n t i - c o r r o s i o n310zs h a p es t e e l a n dt h e f a c t o r so fl o wt e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s sf o r310zs h a p es t e e lw a ss t u d i e d n ec o n c l u s i o nw a ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) v - na l l o y e ds t e e lh a sh i g h e ry i e l ds t r e n g t h , t e n s i l es t r e n g t ha n db e t t e rp l a s t i c i t y , t o u g h n e s s t h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s ea st h ec o n t e n to fv - ni n c r e a s e f o rt h e0 10 vs t e e l ，na d d e du plo p p m , t h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hw i l l i n c r e a s eb y12 m p aa n d7 m p a t h e p l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s sw i l lb et h eb e s t 、析t 1 10 10 v - 0 0 1 n 2 1t h em i c r o s t r u c t u r e so f310zs h a p es t e e la r ef e r r i t ea n dp e a d i t ea f t e rf o r g i n ga n dh o t r o l l i n g t h ec o n t e n to ff e r r i t ec a l lb em o r et h a n7 0 m o r ea n dt h i n n e rf e r r i t ec a l lr e s u l ti n b e t t e rl o wt e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s s 3 ) t h ev a n a d i u m n i u o g e nm i c r oa l l o y e dc a l li m p r o v et h ep r o p e r t i e se f f e c t i v e l y t o o h i 曲e rn w i l lg oa g a i n s tt h ep l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s s t h eb e s tc o n t e n to fm i c r oa l l o y si s 0 10 v 谢吐1o o1 nf o r310z s h a p es t e e l v a n a d i u mw i l ld e c r e a s et h eg r a i ns i z ea n di t s p r e c i p i t a t i o nw i l le n h a n c et h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es u e n g t h a n dn i t r o g e nw i l le n h a n c e t h ee f f e c t i v eo fv a n a d i u m 4 ) b e c a u s eo ft h ei r r e g u l a rt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n tp o s i t i o n so f310z s h a p es t e e l ，t h ef e r r i t ei nt h em i d d l ep o s i t i o nh a sam a j o rd i f f e r e n c ew i t ho t h e r s i t sl o w t e r n p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s si sd i s t i n c tl o w e rt h a no t h e rt w op o s i t i o n s k 眄w o r d s ：v a n a d i u m n i t r o g e nm i e r o a l l o y i n g ；a n t i c o r r o s i o ns t e e l ；m i e r o s t r u e t u r e ； p r o p e r t i e s - 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期： 竺三2 ：鱼：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：幽日期：兰拦 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 高强耐候3 1 0 乙字钢是制作火车货车中梁的专用特殊型钢，为了适应铁路运输的高 速发展，满足货车“提速、重载、提效 的要求，其材质从y q 2 9 5 发展到 y q 4 5 0 n q r l 。该钢种在钢材的强度、塑性、韧性等性能提高的前提下，还保证了良好 的耐候性和焊接性能。 低温冲击性能是y q 4 5 0 n q r l 材质高强耐候31 0 乙字钢的重要性能指标，具体通 过v 型缺口夏比冲击试验测定。生产中低温冲击性能检测结果表明，- 4 0 。c 时的低温冲 击功数值不稳定，较为离散。不同炉次之间相差较大，同一炉钢轧制的3 1 0 乙字钢，其 薄腿、厚腿和腰部三个部分，低温冲击功存在显著差异。 高强耐候3 1 0 乙字钢使用钒氮微合金化作为提高综合性能的手段。微合金化元素在 钢中应用的基本原理在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金化元素与 碳、氮交互作用，产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列 的次生作用，这些因素对钢的强韧化所起的作用被广泛地应用于各类钢铁产品。以我国 目前铁路的发展为例，随着铁路运输高速、重载、安全的要求，铁道车厢必须采用更高 强度级别和良好耐大气腐蚀性能的钢板制造生产，采用高强度耐候钢增加强度、减轻重 量，将使产品生产成本降低、有效载荷提高、能源消耗下降，是耐候钢应用最重要的发 展方向之一，而微合金化在其中扮演的角色越来越重要。 钒氮微合金化对3 1 0 乙字钢性能的影响主要由钒和氮两部分构成，其中钒产生晶粒 细化、析出强化的主要作用，氮强化钒的作用，处于辅助地位。研究钒、氮在3 1 0 乙字 钢中的作用以及对组织与性能的影响，特别是对低温冲击功的影响，具有重要意义。 本课题通过设计不同钒、氮含量以及钒氮的比例，研究钒氮微合金化对非金属夹杂 物、组织、力学性能等多方面的影响和作用机理，探索当前生产中3 1 0 乙字钢低温冲击 功波动的原因，试图优化现有成分和工艺，找寻解决低温冲击功数值离散的方法。 因此，本课题的研究内容主要为三部分： 1 ) 钒含量相同情况下，氮的含量不同，研究不同氮含量对组织与性能的影响； 2 ) 钒氮含量均不同，研究钒氮对组织与性能的影响； 3 ) 对工业生产的3 1 0 乙字钢，分析研究影响低温冲击功的因素。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 耐候钢 耐候钢是指通过添加少量铜、磷、铬、镍等合金元素，使其在大气中具有良好耐腐 蚀性能的低合金高强度钢【l j 。由于使钢铁材料在锈层和基体之间形成一层约5 0 一- 1 0 0 1 a r n 厚的致密且与基体金属粘附性好的非晶态尖晶石型氧化物层，阻止了大气中氧和水向钢 铁基体渗入，保护锈层下面的基体，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，从而大大提高了 钢铁材料的耐大气腐蚀能力。耐候钢作为一种高效钢材，通常的使用方式为裸露使用、 涂装使用或锈层稳定化处理后使用，由于经受风吹雨打、阳光暴晒以及温度变化大等恶 劣的服役条件，被广泛的用于机车车辆、桥梁、房屋和集装箱等各种金属结构件中【2 】， 具有良好的市场前景。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2 - 一8 倍，并且使用时间 愈长，耐蚀作用愈突出。耐候钢除具有良好的耐候性外，还具有优良的力学、焊接等使 用性能。 1 1 1 耐候钢的国内外研究情况 从2 0 世纪初至今，美、德、英、同各国对耐候钢进行了深入的研究 3 1 。早在2 0 世纪 初期，欧美科学家就发现铜可以改善钢在大气中的耐蚀性能。1 9 1 6 年，美国实验和材料 学会( a s l m ) 开始了大气腐蚀研究。c p l a r r a b e e 等进行了大气腐蚀的数据积累工作， 总结腐蚀规律，探讨了腐蚀机理。2 0 世纪3 0 年代，美国的u s s t e e l 公司首先研制成功了 耐腐蚀高强度含铜低合金钢c o n e n 钢，在2 0 世纪6 0 年代不涂漆直接用于建筑和桥梁， 其中最普遍应用的是高磷、铜加铬、镍的c o r t e na 系列钢和以铬、锰、铜合金化为主的 c o r t e nb 系列钢。这种耐候钢在欧洲、日本也得到广泛应用。目前，国外已将耐候钢逐 渐作为普通钢种广泛使用，并且在钢种开发、使用及设计施工方面也进行了详细规定。 当前各国的耐候钢都是以c o r t e n 为基础f 4 j ，有的加入微合金化元素，提高强度，美 国的m a y a f ir 钢，耐大气腐蚀性是普通钢的3 6 倍，日本的加铌钢r i n e n t e n 与加钛钢 y a w t e n 等；有的是去掉c o r t e n 钢中的磷、或镍、或铬，改加其他元素。 由于磷元素易形成低熔点化合物和磷元素的偏聚特性，较厚规格高磷含量耐候钢的 焊接性能和低温冲击性能难以满足工程需要，因此，一般焊接结构用耐候钢对磷的含量 加以限制，而由此带来的耐大气腐蚀性和强度等方面的损失以加入其他元素来弥补，如 英国降低磷含量提高锰含量的b s 9 6 8 钢；降低磷含量加入钛的有前苏联的h m 钢；降低 磷含量提高硅含量的有前苏联的1 0 c r s i n i c u 钢等。日本的j i s a m a 4 1 系列钢是采用降低 磷含量提高锰含量；美国的c o r t e nb 是降低磷含量提高锰含量并加入钒等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 日本的耐候钢有s p a h 、c 、z i r - t e n 、c u p t e n 6 0 、r i n e n - t e n 和y a w t e n 6 0 ，均属 于m n - c u - c r - n i 系，有时也加入钼、钒、铌、钛等微量合金元素；德国牌号有s t 5 2 和 h s b 5 5 c ，也为m n - c u - c r - n i 系钢；法国牌号有a p s l o c 、a p s 2 0 a 及a p s 2 5 ，它们是以 铜为主添加钼、钒元素的钢种；原苏联的耐候钢则是以c u c r - n i 系为主。在欧洲许多工 业发达国家如德国、瑞典也广泛使用耐候钢制造车辆，主要为c u - p c r - n i 系或c u - c r - n i 系，其新近研制的d o m e x 系列，屈服强度为5 0 0 m p a 、5 5 0 m p a 、6 0 0 m p a 、6 5 0 m p a 和 7 0 0 m p a ，抗拉强度最高达6 0 0 m p a 的集装箱用耐候钢。印度仿造c o r t e na ，研制出 s a i l c o r - a 系列钢种，用于生产铁路客车和货车。韩国的耐候钢主要是浦项生产的 r a w s 5 0 。 我国对耐候钢的研制起步较晚，从1 9 6 1 年开始研s t 1 6 m n c u 钢，随后又结合国内资 源研制了一批含铜、磷、钒、钛、稀土等元素的耐候钢；1 9 6 9 年由武汉钢铁公司、铁道 部科学研究院、齐齐哈尔车辆工厂曾共同研制过耐候钢0 9 m n c u p t i ，制造过铁路货车， 后因种种原因而中断：1 9 7 8 年后，长春、唐山、浦镇等车辆工厂，先后用日本进口耐候 钢( s p a ) 试制各种铁路车辆，取得了一些经验：1 9 8 0 年铁道部与原冶金部合作，开始 研究车辆用耐候钢，并提出适合铁路车辆用的钢种，于1 9 8 5 年通过国家正式鉴定，并开 始投入大量生产。 武汉钢铁公司进行了铁路车辆用耐候钢( c o a e na ) 热轧板的仿制( 后钢号改为 w s p a ) ，研制成功0 9 c u p t i i 砸铁路车辆用耐大气腐蚀热轧钢板，目前该钢种广泛应用 于铁路车辆的制造，武钢公司根据国家科技攻关项目( 编号：专1 4 4 ) 研制成功 0 9 c u p c r n i 耐候钢通过试制生产。 鞍山钢铁公司与齐齐哈尔车辆厂、铁道部科学研究院金属及化学研究所、北京科技 大学研制成功铁路车辆用0 8 c u p v r e 耐大气腐蚀热轧型钢并通过技术鉴定，随后又研制 了1 0 c r n i c u p 耐大气腐蚀冷轧板以及0 8 c u p 耐大气腐蚀扁豆型花纹板。 攀枝花钢铁公司与东北工学院、包头冶金研究所研制的铁路车辆用0 9 c u p t i r e 耐大 气腐蚀型钢通过技术鉴定。另外还有济南钢铁公司的0 9 m n n b 、上海第三钢铁厂的 1 0 c r m o a l 和1 0 c r c u s i v 等。在随后的十几年中，耐候钢已在中国铁道车辆上得到了广 泛的应用，并成为主流车型制造的主导产品。 1 1 2 我国铁道车辆用高强度耐候钢的进展 铁道工业发展的战略重点是提速与重载，要求铁道车辆尤其是货车减轻车辆自重。 因此需要从选择合理的设计参数、优化结构设计和提高铁路用钢( 板材和型材) 的使用 性能( 品种规格、力学性能、耐蚀性能) 几方面联合攻关。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 2 1 铁路车辆的现状和新形势下的要求 铁道车辆的技术进拶引，一定程度上依赖于我国钢材的品种、性能与质量。在2 0 世 纪8 0 年代以前，钢结构基本上采用普碳钢、0 9 m n 2 等，耐候钢则一直以屈服强度为 2 9 5 m p a 的0 9 c u p t i r e 和屈服强度为3 4 5 m p a 的0 9 c u p c r n i 为主，而美国等一些发达国家耐 候钢的强度水平已高达5 5 0 m p a 。这种铜磷系列的耐候钢，科学试验及运用试验都说明 其耐腐蚀性一般相当于普通碳素钢的2 倍左右，在恶劣环境中相当于2 - 3 倍 6 1 。至l j 2 0 0 1 年为止，铁路主型货车敞、棚车上都采用的是这种耐候钢。随着重载、提速的铁路主要 技术政策的制定，选用高强度、高耐候的结构钢以降低车辆自重、提高整车性能问题显 得尤为突出和迫切。 我国铁路现保有客车3 8 万辆，货车5 6 万辆，每年新造客车约20 0 0 辆，货车约2 5 0 0 0 辆。对于新造车辆，要按高速、快速、快捷、重载的要求进行设计和生产。对于现 有的大量客货车辆，要使其达到上述技术政策，改造的任务也非常艰巨。货车今后主要 应发展自重轻、强度高、耐腐蚀的新型通用及专用货车，发展运行速度1 2 0 k m h 的快运 货车，开发应用轴重2 5 t 低动力作用的大型4 轴货车。 目前我国铁路专用货车仅占货车总量的5 ，而美国的专用货车占其货车总量6 0 以上，俄罗斯占3 2 ，应该说我国专用货车的差距是很大的。 1 1 2 2 新型铁道车辆设计对材料的要求 为加快铁路运输现代化建设 7 1 ，铁道部首先提出了货车“提速、重载、提效的重 要技术政策。所谓提速与重载，就是将货车车辆的速度由现在的6 0 k m h 提高到9 0 1 2 0 k m h ，载重量由现在的6 0 t 提高至l j 7 5 t 以上。为达到重载目标，轴重必须由2 1 t 增加到 2 5 t 以上：为提高运效，车辆自重必须减轻。在此基础上，还要保证车辆的运载寿命。 速度提高对车体的抗冲击性能、关键部件的疲劳性能等要求进一步提高。要保证车辆的 寿命，必须保证车体材料的抗大气腐蚀性能。所以在保证材料良好耐候性的同时，钢材 的强度、冲击韧性等指标都必须提高，才能满足车辆“提速、重载、提效”的设计要 求。 车辆设计者根据铁道部提出的目标，提出了耐大气腐蚀性能不低于目- 前f g b 4 1 7 1 所 规定牌号的实际水平，强度级别应达到心庄5 0 m 彳k v 4 0 v 芝2 7 j 的初期指标。 1 1 33 1 0 乙字钢在铁路车辆的应用及研究现状 热轧型钢以其外形尺寸精确、加t n 造方便、工艺性好等特点 8 1 ，从我国具有铁路 货车设计能力起，就开始在铁路货车上应用。早期车辆上采用的型钢主要有敞、棚、罐 车等通用车采用的3 1 0 乙字钢中梁，敞车采用的2 4 0 槽钢下侧梁、横梁和端墙横带，部分 内蒙古科技大学硕士学位论文 敞车采用的热轧帽型钢侧柱，棚车采用的8 0 槽钢侧柱及平车用的工字型钢中梁、侧梁 等。特别是中梁结构，有部分车辆还采用了槽钢结构和工字钢结构。实践发现，乙字型 钢中梁的结构较为合理，制造方便，且工艺性更强，其应用也更为广泛。 在中梁部位，现在设计制造的铁路货车仍是以热轧乙字钢中梁为主。主要是因为， 热轧乙字钢中梁的断面尺寸精确，且轧制出来后，下翼缘的开口比较对称，组焊后的直 线度容易保证。同时，由于其弯角部位均为直角，与各梁件的连接比较方便，焊接量 小，焊后基本没有变形。而且乙字钢中梁材质也由屈服强度为2 9 5 m p a 的0 9 v 发展为现 有的屈服强度为3 4 5 m p a 的0 9 c u p c r n i a 和屈服强度为4 5 0 m p a 的y q 4 5 0 n q r l ，完全满 足了铁路重载运输发展的要求。 1 1 3 13 1 0 乙字钢的发展 3 1 0 乙字钢是用来制作火车车厢中梁的专用特殊型钢。一直以来，我国铁路货车车 辆载重量为6 0 t 左右，中梁采用y q 2 9 5 ( 0 9 v ) 乙字钢。其屈服强度3 5 0 m p a 左右，抗拉 强度 4 4 0 m p a ，4 0 冲击j ：) h d k , , - 2 2 3 2 1 。为适应我国铁路提速重载的发展要求，铁路车 辆厂研制生产载重量达8 0 吨的新型载重货车，其所需要的乙字钢性能比y q 2 9 5 有了更高 的要求。为此，包钢进行了高强耐候3 1 0 乙字钢的研制，先后开发了y q 4 5 0 n b r e 和 y q 4 5 0 n q r l 两种高强耐候乙字钢。其 y q 4 5 0 n b r e 乙字钢为国内首次试制成功并通过 了铁道部组织的专家评审，允许在铁路车辆上使用。 为进一步改善和提高低温冲击韧性，采用钒氮微合金化，进行成分优化，生产的 y q 4 5 0 n q r l 乙字钢不仅强度高，而且低温冲击韧性得到改善和提高，同时还具有较强 的耐大气腐蚀能力和良好的焊接性能，对满足铁路运输高速重载跨越式发展的要求和实 现铁路车辆的升级换代具有重要意义。 铁路车辆厂曾采用4 5 0 m p a 级钢板焊接中梁，但由于焊接后性能明显恶化而且无法 进行热处理，强度降低，韧性下降，给车厢的使用带来隐患。包钢开发的高强耐候3 1 0 乙字钢采用轧后空冷的方式进行生产，用户使用专用焊条焊接后自然空冷，焊缝的性能 与基体保持一致，与使用钢板焊接相比具有更高的可靠性。目前，中国南车集团北京二 七车辆厂、齐齐哈尔车辆厂、株洲车辆厂、内蒙第一机械制造集团铁路车辆厂等单位均 采用此项新产品生产新车型。 1 1 3 23 1 0 乙字钢的化学成分和力学性能 高强耐候3 1 0 7 _ , 字钢要求有一定的耐腐蚀性能和良好的焊接性能，除需加入c u 、 n i 、c r 外，y q 4 5 0 n q r lj 勘i l k - j 总量不大于0 2 2 的v 、n b 、t i 等微合金元素。碳当量 c 却3 6 。其化学成分见表1 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 卯1 5卯7 5s 1 6 0卯0 3 0郢0 1 50 2 0 - 0 5 50 1 5 - o 6 50 2 0 - 1 0 00 0 8 _ o 1 50 0 0 5 - 0 0 1 5 表1 2 高强耐候3 l o 乙字钢的性能要求 1 1 3 33 1 0 乙字钢在生产中存在的问题 钢中加入合金元素的主要目的是为了使钢具有更优异的性能【9 】。对于结构材料来 说，首先是提高其机械性能，既要有高的强度，又要保证材料具有足够的韧性。金属的 强度是指金属对塑性变形的抗力，在发生塑性变形时所需的应力越高，则强度也就越 高。韧性是材料可靠性的度量，提高材料的可靠性依赖于韧化。然而材料的强度和韧性 常常是一对矛盾，增加强度往往要牺牲材料的塑性和韧性，反之亦然。 我国幅员辽阔，铁路车辆服役的环境温度变化大，所用钢种应具有耐腐蚀性和具备 一定的低温冲击韧性 1 0 l ，以保证车辆的大修周期及行车安全。包钢生产的y q 4 5 0 n q r l 高强耐候3 1 0 乙字钢的强度比y q 2 9 5 牌号3 1 0 乙字钢提高1 5 0 m p a 以上，而其低温冲击韧 性不但没有降低反而有所提高，所以研制和生产技术难度很大。 分析2 0 0 7 年连铸工艺生产的y q 4 5 0 n q r l 的检验结果( 表1 3 ) ，当前存在的一个突 出问题是性能指标中的低温冲击功波动，其数值较为离散。 表1 32 0 0 7 年连铸y q 4 5 0 n q r l 的检验结果 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 钒氮微合金化的强韧化机理和技术研究进展 1 2 1 钢的强韧化理论 技术的进一步发展对钢的性能要求越来越高，不仅要求具有高的强度，并且要具有 良好的塑韧性、低的韧脆转变温度以及优异的加工性能( 焊接性能、冷成形性能等) 【l 。除对钢材性能的全面要求提高之外，在钢材的使用上，不断要求降低材料用量、减 少工艺环节、削减生产成本。正是在这种背景下，微合金化钢的性能在不断提高，生产 微合金化钢所应用的技术也越来越先进。在微合金化和控轧控冷技术应用于生产之后， 钢材的强度和韧性指标达到了一个新的水平。同时，材料的强韧化理论研究也随之发 展。在钢材应用上，其室温屈服强度盯。( 或条件屈服强度：) 、抗拉强度和韧脆转变 温度t 是钢材的几项基本的力学性能指标。在大多数条件下，仃。和c 是设计选材的最 基本标准。因此，提高钢的盯。和降低c ，直是钢铁材料研究和开发的重点。 材料的强化方式包括沉淀析出强化、细晶强化、相变强化、固溶强化( 置换强化和 间隙强化) 、位错及亚晶强化等。对于不同种类的钢，其强化方式各有特色，既可以是 单一的强化方式，也可以是多种强化方式的复合。对材料强度的影响可以用修正的h a l l p e r c h 公式i 比l 表示： q = c r o + o k + t + d 蠢+ 口- 劬。s f + 蛆+ k y d 1 陀 ( 式1 1 ) 式中 晶格摩擦力( 阻碍位错运动的力和晶格阻力) ； 盯。 置换强化增量； q m 间隙强化增量； 仃刖 析出强化增量； 相变强化增量； a o 位错及亚结构强化增量； k 晶界强化因子； d 晶粒直径。 虽然，钢的强化可以简化为用各项强化增量迭加来表达，但是，在钢中同时加入多 种微量元素，它们共同和各项强化机制对强化量的影响，并不是每个元素单独加入时影 响量的简单数学迭加，而是呈指数关系增加，以达到多元微量代替单元多量的效果，甚 至获得单元或少元合金化难以达到的效果。 内蒙古科技大学硕士学位论文 材料的韧脆转变温度c 是衡量材料韧性的重要指标，般采m 5 0 f a t f ( 裂纹扩 展转变温度) 作为转变温度。在其它条件相当的情况下，随着晶粒尺寸的变小，材料的 韧脆转变温度下降。p i c k e r i n g 等对低碳钢提出了韧脆转变温度的表达式： z = 口一6 d 一1 7 2 ( 式1 2 ) 式中，a 包括了除晶粒直径以外的其它所有因素对韧脆转变温度的影响，而耐。1 陀 为晶粒直径对韧脆转变温度的影响。一般6 = 11 5 c r a m 怩。当铁素体直径由2 0 肛l 细化 n 5 r t m 时，可使瓦下降8 1 。晶粒细化的脆化矢量为一0 8 0 c m p a ，而析出强化和相变 强化的脆性矢量为0 4 6 c m p a ，因此晶粒细化可以在有效提高强度的同时，使韧脆转变 温度大幅度降低，而其它能有效提高钢材强度的强化方式都将导致韧脆转变温度提高。 1 2 2 钒微合金化的强韧化机理 钒微合金化钢的强韧化机理主要是细晶强化、沉淀强化和固溶强化。 1 2 2 1 细晶强化 细晶强化是钢最主要的强化方式之一，同时，它也是钢铁材料大幅度提高韧性的最 重要的韧化方式j 。 细晶强化之所以既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，其原因是：材料的晶粒越 细，晶界面积就越大，而晶界两边的晶粒的取向完全不同且完全无规则，并且晶界是原 子排列相当紊乱的地区。因此，当塑性形变和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶 粒时，由于晶界阻力大，穿过品界就比较困难：另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展 又需改变。与晶内的形变及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及 裂纹扩展将要消耗很大的能量，故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高，并且 材料的晶粒越细，材料的强度和韧性就越高。 在钒微合金化钢中【1 1j ，一般采用再结晶控制轧制( r c r ) ，使得钢在奥氏体中充 分发生再结晶，从而获得细的奥氏体晶粒，为最终获得细晶粒钢提供保障，这是此类钢 控制轧制的特点。一般来说，钒在细化晶粒方面的作用比铌弱，但在钢中氮含量较大的 情况下，也可起到一定的细化作用。而在含氮较高的钒微合金钢中，奥氏体铁素体相 变比率比c m n 钢和低氮钒钢明显增加，增氮促进了碳氮化钒在奥氏体铁素体相界面 的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。 钒一氮钢中的钒主要以v ( c ，n ) 形式析出，占钒总质量分数的7 0 ，只有2 0 的钒固 溶于基体，剩余1 0 的钒溶于f e 3 c 中。而钒钢中的钒大部分固溶于基体，占钒总量的 5 6 铴，仅有3 5 5 的钒以v ( c ，m 的形式析出【乃】，说明钒钢中的钒没有得到充分利用。 - 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 另外，对v ( c 加析出相的粒度分析结果表明，钒钢中的平均粒子尺寸1 0 7 r i m ，而钒一 氮钢为7 3 7 n m ，钒一氮钢中细小粒子的数量比钒钢明显增加。钒一氮钢中1 - - 1 0 n m 的粒子 质量分数为3 2 2 ，而钒钢为2 1 1 1 n 】。这说明氮在钢中不仅增加细小析出物的数量， 而且还细化析出相尺寸，这是钒一氮钢强度提高的主要原因之一。钒和高氮对r a 转变过 程中细化多边形铁素体晶粒尺寸的影响见图1 1 1 。 g 占 一 俐 鬈 s t m 51 0如1 1 0 1 6 03 劬 曼氏体叛饪尺寸佃 图1 1 钒和高氮对体薛专交过程中细化多边形铁素体晶粒尺寸的影响 1 2 2 2 沉淀强化 材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法称为第二相强化或 析出强化【1 1 】。析出强化是一种非常有效的重要强化方式。添加微量的合金元素，就可获 得几百兆帕的强度增量。 微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得沉淀相质点。钢中细小弥散的沉淀相 通过与位错发生交互作用，造成对位错运动的障碍度得以提高，也称为沉淀强化。添加 微量的微合金元素可获得成百兆帕的强度增量，同时微合金碳氮化物析出相还有晶粒细 化作用。因此，微合金碳氮化物的析出强化是微合金钢中最重要的强化方式之一。 析出相的固溶度、冷却速度以及由相变温度所确定的位错密度，都影响析出晶粒的 形貌、尺寸和分布，冷却速度以及钢中合金元素的含量又影响相变温度。又由于铁素体 内的析出物除了对力学性能产生直接影响以外，对晶粒长大也具有明显的阻碍作用。析 出物的尺寸对性能的影响也十分重要，而通过控制转变温度可以控制析出物的尺寸。 随着转变温度和冷速的不同，析出相在形态和分布特征上存在相间析出、过饱和铁 素体中弥散析出、铁素体内沿位错处析出等几种析出方式，另外，还包括少量的纤维状 析出。析出的机理和效果，取决于晶体结构的类型、析出相的尺寸及分布、微合金元素 原子在基体中的扩散及析出速率。按a s h b y - - o r o w a n 的第二相强化模型1 1 3 】，析出强化 内蒙古科技火学硕士学位论文 机制主要有两种类型，一为o r o w a n 机制，二为切变机制。总的来说，强化效果与析出 质点的平均直径成反比关系，与析出物质点的体积分数的平方根成正比关系。另外，两 种机制中究竟哪种机制起主要作用，与析出粒子的实际尺寸和不同碳氮化合物的临界尺 寸有关。雍歧龙等根据有关理论，计算出了微合金钢中主要碳氮化合物的尺寸，其中 v n 化合物的临界尺寸与实际析出的尺寸相近，因而认为v n 化合物具有更强的析出 强化效应。 1 2 2 2 1 氮化钒在奥氏体内沉淀的动力学 钒是通过在奥氏体中以细小的v n 、v c 或v ( c ，形式析出，起到沉淀强化作用， 也能在一定程度上细化晶粒，起到细晶强化作用【1 5 , 1 6 1 。r _ o b o 心1 刀等在1 9 8 0 年所做的早 期研究已证实了这一点，含v 钢中添加少量的n 能显著提高沉淀强化作用。含钒 0 1 2 的钢中，氮化钒在再结晶奥氏体内的沉淀一温度一时间关系如图1 2 所示。 图1 2 氮化钒在再结晶奥氏体内的沉淀温度一时间关系 如图1 2 氮化钒沉淀动力学相关的著名的“c 曲线 显示，钒的沉淀水平在 0 0 0 1 ，0 0 0 5 ，0 0 1 ，0 0 2 。由图1 2 可见，氮化钒在再结晶奥氏体内的沉淀过程 非常迟钝。在8 5 0 下保持l h 后，低于1 0 的钒均衡量本来可以在这个温度下沉淀， 结果在钒氮化物内沉淀。氮化钒在奥氏体内沉淀析出的最有利的温度范围为8 5 0 8 7 5 ，在此温度范围内钒达到相同析出量的时间最短。 1 2 2 2 2 钒在铁素体中的析出 钒溶解度高，易处于固溶态，主要靠沉淀强化作用来提高钢的强度，v ( c j 彤可跟随 着y 旭界面的移动在铁素体内随机析出，即为一般析出。或者平行于协界面，以一定 的间距形成片层状分布的相间析出l 。一般析出产生于较低温度区域，通常低于7 0 0 ，而相间析出在较高温度形成。v ( c ，n ) 也可以在珠光体的铁素体中析出，由于珠光体 的转变温度较低，这类析出物通常更细小，不仅发生般析出，也有相间析出。 内蒙古科技大学硕士学位论文 a 相间析出 图1 3 1 例示出了不同氮含量，7 5 0 等温5 0 0 s 时，01 0 c 01 2 v 钢中v ( c n 1 相 白j 析出的典型形貌。由图中呵看出，随相变前沿不断向奥氏体推进，v ( c n ) 质点平行 于伽界面反复形核，最终形成片层状分栉的相间析出特征。随氮古量增加，v ( c 如 量多且弥散度增加。此时，析出的形核发生在相界上，高温条件下析出反应的化学驱动 力小，自然选择那些能量上有利于形核的位置即在相界处：低温时，驱动力大，铁素体 基体内部也能发生形核，相间析出的特征之一是温度越低析出相越细。 b 一般析出 v n 的形成有较大的化学驱动力，只要基体内氮足够，将使得在铁索体或奥氏体内 都优先析出富氮的v ( c 舯，钢中增加氮吉量会使析出颗粒尺寸大幅度减小，高氮钢中 形核密度较高，导致贫钒区较早地接触，进而降低了析出相长大速率，由此产生高、低 氮钢析出相长大的差别。高氮钢颗粒长大速率不到低氨钢的一半。观察到的沉淀强化似 乎只来源于富氮的v ( c 舯，首先形成的富氨析出相消耗了所有的氢时，进而形成富碳 的v ( c 舯，化学驱动力太小不能促使大量的析出发生，因而，观察不到进一步的强 化。非调质钢锻轧前在冷却过程中发生相变时，铁素体易沿奥氏体晶界首先形核长大， 随后奥氏体的其余部分转变为珠光体。如果沿珠光体晶粒形成网状铁素体就会严重损害 钢的韧性。新日本钢铁公司通过适当控制生产工艺【l ”，在奥氏体晶粒内提供大量铁素体 形核位置，则在相变时铁索体不仅在晶界上形核，也能在奥氏体晶内形成，这样的钢韧 性显著提高。 图l j 、l “钢中v ( c , 嘣t t i 相 a 血0 0 5 1 n ；啪0 0 8 2 n ：c - 0 0 2 5 7 n id 也0 0 9 5 n ，m 0 4 c 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 3 氮在钢中的作用 近几年的研究表明，氮对微合金化钢中的碳氮化物的析出起重要作用，尤其是在用 钛和钒微合金化的钢中，氮被认为是一种有价值的合金化元素j 。因此，关于氮的研究 越来越受到人们的重视。含氮钢不仅消除了炼钢过程中因脱气和精炼去氮引起的成本增 加，而且钢中增氮更能充分发挥微合金化元素的作用，节约微合金化元素的用量，进一 步降低生产成本。 1 2 3 1 强化作用 氮含量对各种不同碳含量钒钢的强度性能和沉淀强化效果的影响如图1 4 所示【2 0 】。 图中明显可看出，钒钢的屈服强度随氮含量线性增加，并且沉淀强化作用随钢中碳含量 的升高而明显增高。对于0 2 2 c - - 0 1 2 v 的钒钢，在低氮的情况下，碳化钒的沉淀强 化作用仅为1 6 0 m p m 而当钢中氮含量达到2 0 0 p p m 时，沉淀强化的贡献升高到2 6 0 m p a 左右。钢中增氮使沉淀强化左右提高了1 0 0 m p a ，相当于钢中每增加1 0 p p m 的氮强度提 高5 - - 6 m p a 。钒氮合金增氮效果显著，平均每加入0 0 1 的钒，增氮达11 1 0 。6 。热力 学计算结果显示1 2 l 】，含钒钢中增氮提高了碳( 氮) 化钒的析出温度，且氮和钒具有更强 的亲和力，促进了v c ，v n 的析出，使钢中原来处于固溶状态的钒转变成析出状态的 钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。氮除增强沉淀强化作用外，氮在钢中还具有明显的 细化晶粒作用。增氮促进了碳( 氮) 化钒在奥氏体铁素体界面的析出，有效阻止了铁 素体晶粒的长大，起到细化铁素体晶粒尺寸的作用。钒氮微合金化通过优化钒的析出和 细化铁素体晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用，显著改善 了钢的强度、韧性配合。 内蒙古科技大学硕士学位论文 荤： 暑i 辱越秘蟹6 知c ，幻如 l 溉v 1 2 v 1 2 v 00 0 10 0 2o 0 ， 一n 髓 套 图1 4 氮含量对含钒钢屈服强度( a ) 和沉淀强化效果( b ) 的影响 钒氮微合金化与钒铁微合金化处理后的钢相比在相同强度水平下钒的添加量可减少 2 0 4 0 ( 图1 5 ) 田1 ，即低钒含量下获得了高强度，节约了钒用量，钒氮钢筋不仅 成本低，而且性能稳定，强度波动小，冷弯、焊接性能优良。试验结果表明，钒氮钢筋 屈服强度波动范围在4 2 5 - - , 4 9 0 m p a 之间，达到1 级抗震指标要求。v n 微合金化钢和 f e v 微合金化钢钒元素与屈服强度的关系见图1 6 z 3 1 。 罡 ： 醚 泵 鹾 翟 图1 5 钢中增氮带来的钒的节约 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 6v n 微合金化钢和f e v 微合金化钢 钒元素与屈服强度的关系图 1 2 3 2 细化晶粒作用 除增加沉淀强化作用外，氮在钢中还具有明显的细化晶粒的作用【l 。氮对奥氏体一 铁素体相变细化的作用示于图1 7 t 2 4 。高氮钒钢的相变比率( d d 口) 比碳锰钢和低氮 钒钢明显增加。如图1 7 所示，对v t i - n 钢，随氮含量增加，相变比率也明显升高。 增氮促进了碳氮化钒在奥氏体铁素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大， 起到细化铁素体晶粒尺寸的作用。高氮钒钢中由于v n 或v ( c 加的析出，促进了晶内 铁素体( i g f ) 的形成，这是钒氮钢晶粒细化的另一重要原因。 签 譬 以 霉 图1 7