影响低碳钢屈强比的显微因素_魏恒

第 34 卷第 2 期上海金属Vol 34 No 2 2012 年 3 月 SHANGHAI METALSMarch 201219 作者简介 魏恒 男 主要从事热轧带钢性能的研究 Email weiheng live cn 影响低碳钢屈强比的显微因素 魏恒1郑少波1王淼2林大为1 1 上海大学 材料科学与工程学院 上海 200072 2 宝山钢铁股份有限公司制造部 上海 201900 摘要 为保证后续加工的成形性和使用过程的安全性 近年来新研发的一些钢种对屈 强比也有一定要求 探讨了不仅对强度有要求 而且对屈强比也有规定的主要钢种 分析了多 种显微因素对屈强比的影响 归纳了降低屈强比的三类措施 关键词 低碳钢显微因素屈强比 EFFECTS OF MICROSTRUCTURE FACTOR ON YIELD RATIO OF LOW CARBON STEEL Wei Heng1Zheng Shaobo1Wang Miao2Lin Dawei1 1 School of Materials Science and Engineering Shanghai University Shanghai200072 China 2 Manufacture Department Baoshan Iron Steel Co Ltd Shanghai201900 China Abstract The yield ratio was limited for certain recently developed steels to satisfy the formability and safety requirements during using The main kinds of the steels whose yield ratio as well as strength were standardized and listed The effects of microstructure on the yield ratio were analyzed and three measures to reduce the yield ratio were summarized KeyWords Low Carbon Steel Microstructure Factor Yield Ratio 材料的屈服强度 Rt0 5和抗拉强度 Rm之比称 为屈强比 Rt0 5 Rm 屈强比低 金属材料容易 塑性成形且加工硬化能力强 因此屈强比很早就 用来表征金属材料的成形性 随着钢材品质的改 进和应用的拓展 屈强比对一些新开发的钢种仍 是重要的技术指标之一 如现代建筑用钢 多种 级别的管线钢等 为保证使用的安全性 对屈强比 提出了要求 为了保证获得较低的屈强比 生产 上对化学成分及工艺作了多方面的改进 取得了 一定效果 1 7 化学成分和工艺的改进是通过改 变钢材的显微因素 包括组织 晶格畸变 晶界特 性等 来影响最终力学性能 已有研究分析了化 学成分 组织等与屈强比的关系 8 10 但尚未见各 种显微因素对屈强比影响的全面总结 本文依据 有关钢材屈强比的研究近况 列出了注重降低屈强 比的主要钢种 分析了各种显微因素对低碳钢屈强 比的影响 并归纳了降低屈强比的几种技术途径 1对屈强比有要求的主要钢种 如前所述 屈强比低不仅对提高成形性有利 而且有利于保证使用中的安全性 因此 如下所 述 具有相当需求量的钢种对屈强比作了相应的 规定 1 1焊瓶钢 用于制作液化石油气的瓶罐 包括 HP295 HP345 等 其组织通常为铁素体珠光体组织 要 求屈强比 0 8 5 11 1 2建筑用钢 这类钢的用途较广泛 随各种对建筑工程的 特殊要求的提出而产生 包括高层建筑用钢 2 12 建筑用耐火钢 13 高韧性耐候钢 14 等 强度要 求较低的组织为铁素体珠光体组织 要求屈强比 0 8 强度要求较高的 屈服强度大于 780 MPa 20上海金属第 34 卷 组织为包含贝氏体的多相组织 屈强比要求 0 85 0 91 宝钢开发了建筑抗震阻尼器用钢 强度较低的要求屈强比 0 6 强度较高的要求屈 强比 0 8 15 1 3管线钢 用于制作石油 天然气输送管道 其组织包 括针状铁素体 粒状贝氏体 M A 岛等 为保证 服役时的抗侧压性 多种级别管线钢都对屈强比 有要求 强度越高 要求的最高屈强比也高些 X60 X70 X80 X90 X100 等级别要求屈强比分别 为 0 85 0 90 0 92 0 95 0 97 4 8 1 4冷镦钢 用于制作螺栓 螺母等标准件 强度较低的组 织为铁素体 珠光体组织 要求屈强比 0 65 16 强度要求较高的组织为多相组织 要求屈强比 0 80 7 以上这些钢种为了保证好的塑性和焊接性 能 就含碳量而言 都属于低碳钢 2影响屈强比的显微因素 2 1强化机制的影响 文献 8 给出了各种强化机制与屈服强度和 抗拉强度的关系图 见图 1 从两个强度曲线的 斜率差别 很容易区别各种强化机制的强化程度 与屈强比的关系 图 1强化机制与强度的关系示意图 Fig 1Relation between strength and strengthening mechanism 晶界强化对屈强比的影响可用下列 Pickering 提出的用于铁素体 珠光体组织的低碳钢的强度 计算模型来解释 5 Rt0 5 MPa 15 4 3 5 2 1WMn 5 4WSi 23W1 2 Ns 1 13d 1 2 1 Rm MPa 15 4 19 1 1 8WMn 5 4WSi 0 25fP 0 5d 1 2 2 式中 WMn WSi WNs为 Mn Si 和固溶 N 含量的 质量百分数 fP为珠光体面积百分数 d 为铁素体 尺寸 mm 因为 1 式最后一项的系数比 2 式最后一 项的大 因此晶粒细化对 Rt0 5的贡献比对 Rm的 贡献要大 如图 1 a 所示 晶粒度越大即晶粒越 细 则屈强比越高 位错强化会提高屈服强度而不提高抗拉强 度 这可用冷态单向变形试验的流动应力总高于 初始屈服应力来解释 流动应力的提高正是由于 位错密度的增加 如果加载至一定变形量后卸 载 然后再重新加载 破坏应力是不受影响的 正 如图 1 b 所示 位错密度越大 则屈强比越高 沉淀强化是用细小而弥散的析出物来提高强 度 准确的说 强度不仅与溶质含量有关 而且与 析出物尺寸和弥散情况有关 比如一些反映沉淀 强化影响的 Rt0 5计算模型中包含了析出物尺寸和 析出物间距的参数 17 但作为统计分析 也可以 溶质含量为变量来反映沉淀强化对强度的影响 由于钢中产生沉淀强化的析出物主要是 V Ti Nb 的碳氮化物 因此 V Ti Nb 的含量也可用来反映 第 2 期魏恒等 影响低碳钢屈强比的显微因素21 沉淀强化对强度的影响 文献 18 给出了上世 纪 50 年代末前苏联对热轧和正火板分析后得出 的强度计算模型 Rt0 5 MPa 9 8 12 4 28WC 8 3WMn 5 6WSi 5 5WCr 4 5WNi 8WCu 36Wv 77WTi 55WP 3 0 0 2 h 5 3 Rm MPa 9 8 23 0 70WC 8WMn 9 2 WSi 7 4WCr 3 4WNi 5 7WCu 32Wv 54WTi 64WP 2 1 0 14 h 5 4 式中 W 为合金元素的质量分数 h 为钢板厚 度 mm 由 3 4 式可知 Rt0 5计算式中 V Ti 项的 系数比 Rm计算式中的略高 所以溶质含量与强 度的关系如图 1 c 所示 溶质含量提高 则屈强 比也有所提高 固溶强化对强度的影响应分间隙固溶和置换 固溶两种情况分析 对于间隙固溶元素 如 C N 有些 Rt0 5计算模型是包含固溶 C N 含量的 如 1 式包含了 Ns的影响 相应项的系数较大 这使得固溶 C N 含量能显著提高 Rt0 5 但在 Rm 计算模型中无此影响 这是因为间隙原子会引起 基本点阵的强烈的晶格畸变 致使钢的微裂纹易 于产生和扩展 17 因此 C N 固溶含量不能用来 提高 Rm 因此间隙固溶元素含量与强度关系如 图2 所示 C N 元素在室温时的平衡固溶量都较 小 因此只有在非平衡固溶时 C N 固溶量的提 高才会提高屈服强度和屈强比 图 2间隙固溶强化与强度的关系示意图 Fig 2Relation between strength and interstitial solution strengthening 对于置换固溶元素 如 Si Mn Cr Ni Cu 等 对强度的影响 不同的计算模型有不同的影响系 数 但同一元素对 Rt0 5和 Rm的影响差别却不很 大 3 4 式反映的情况即是如此 因此可大 致认为置换固溶强化对强度的影响如图 1 d 所 示 置换固溶元素含量增高 屈强比也有所提高 由上述分析可知 对于位错强化和间隙固溶 强化 强化机制作用大 会提高 Rt0 5 而不提高 Rm 因此屈强比随之增大 换言之 要使屈强比 降低 可减小这两种强化机制的作用 Rt0 5随之降 低 但 Rm可保持不变 对于晶界强化 沉淀强化 和置换固溶强化 则情况有所不同 这三种强化 机制作用都会同时提高 Rt0 5和 Rm 因此屈强比也 随之增大 换言之 要使屈强比降低 也要减轻强 化机制的作用 使 Rt0 5和 Rm都降低 即屈强比 的降低需以 Rm的降低为代价 2 2硬化相的影响 当材料是两相组织 即由较软的基体相和较 硬的硬化相组成时 并且硬化相比例较少 它的存 在不影响屈服强度的情况下 参考文献 12 屈 强比可用下列数学模型表示 Rt0 5 Rm ReB 1 fH RmB fHRmH 5 式中 fH为硬化相体积分数 ReB 为基体相的 屈服强度 RmH和RmB为硬化相和基体相的破坏强 度 即抗拉强度 由式 5 可知 硬化相强度提高或体积分数 增加会使屈强比降低 硬化相对强度的影响如图 3 所示 图 3硬化相与强度的关系示意图 Fig 3Relation between strength and hard phase 由图 3 可知 采用硬化相增强的方法 即提高 硬化相强度或增加硬化相体积分数 可在提高 Rm 同时降低屈强比 对于铁素体 珠光体组织 要使 硬化相增强 可使珠光体片层结构细化或含碳量 增大 铁素体基体上含有少量贝氏体也能降低屈 强比 13 复相组织的管线钢中的 M A 岛作为硬 化相 它的存在也能降低屈强比 3 19 但 M A 岛 22上海金属第 34 卷 过多或粗大时对韧性不利 1 3 4 10 2 3晶界特性的影响 晶界按取向差可分为大角度晶界和小角度晶 界 相对大角度晶界而言 小角度晶界具有更强 的抵抗变形的能力 因此其开始发生塑性变形较 难 表现为屈服强度较高 而大角度晶界在受力 时 应变能逐步集中于晶界前沿 直至应力足够高 而使晶界开裂 表现为开始产生屈服与产生断裂 时的应力差值较大 20 文献 20 比较了两种工 艺生产的相同化学成分的高级别管线钢 其晶粒 尺寸基本一致 组织均为针状铁素体 粒状贝氏 体 两种试样的小角度晶界比例分别为 40 和 28 34 小角度晶界比例较大的试样屈服强度 和抗拉强度分别为 600 MPa 和 665 MPa 屈强比 为 0 90 而小角度晶界比例较小的试样屈服强 度和抗拉强度分别为 530 MPa 和 670 MPa 屈强 比为 0 79 由此可见 降低小角度晶界比例 可 以在不降低抗拉强度的情况下 降低屈强比 晶 界特性与强度的关系如图 4 所示 图 4晶界特性与强度的关系示意图 Fig 4Relation between strength and grain boundary characteristic 3结论 根据各种显微因素对屈服强度和抗拉强度的 影响关系 为降低屈强比 主要有以下三类措施 1 减小晶界强化 沉淀强化或置换固溶强 化机制的作用 这在降低屈强比的同时抗拉强度 也有所降低 2 减小位错强化 间隙固溶强化机制的作 用或减少小角度晶界比例 这可在降低屈强比的 同时保持抗拉强度基本不变 3 提高硬化相的强度或增加硬化相体积分 数 这可在提高抗拉强度的情况下 降低屈强比 参考文献 1 康健 王昭东 王国栋 等 780 MPa 级低屈强比高层建筑用 钢的生产工艺研究 J 钢铁 2010 45 7 72 75 2 于庆波 赵贤平 孙斌 等 高层建筑用钢板的屈强比 J 钢铁 2007 42 11 75 78 3 孙君华 郑琳 郭斌 等 钼在高钢级管线钢的作用研究 J 钢铁 2005 40 1 66 68 4 闫立超 余伟 唐获 等 轧后控冷终冷温度对高强度管线钢 屈强比的影响 J 上海金属 2007 29 3 37 40 5 朱伏先 余广夫 张中平 等 冷却工艺对 HP295 焊瓶钢屈 强比的影响 J 钢铁 2005 40 8 38 42 6 王淼 吴亚萍 王国栋 等 宝钢热连轧两段冷却降低气瓶 钢屈强比 J 宝钢技术 2009 4 57 62 7 李壮 吴迪 高强度低屈强比铆螺钢轧制工艺的研究 J 材料科学与工艺 2008 16 6 862 864 8 高慧临 管线钢屈强比分析与评述 J 焊管 2010 33 6 10 14 9 黄明浩 徐峰 黄国建 影响管线钢屈强的因素探讨 J 焊 管 2008 3 3 20 23 10 Yu Qingbo Sun Ying Effect of carbon connect and micro structure on the yield strength