Nb含量对低碳微合金钢热处理组织与性能的影响

1、Vol.24No.2安徽工业大学学报第24卷第2期April2007J.of Anhui University of Technology2007年4月文章编号:1671-7872(200702-0134-03Nb含量对低碳微合金钢热处理组织与性能的影响万荣春,赵星明,斯松华,袁晓敏(安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002摘要:设计了3种含铌量不同的微合金试验钢,采用热处理模拟方法研究了900奥氏体化550等温处理后试验钢的组织、性能及第二相粒子的析出行为。结果表明,低铌钢热处理后组织为多边形铁素体加少量板条贝氏体铁素体加极少量珠光体,随着铌含量增加,试验钢组织中板条贝氏体铁素

2、体含量明显增加,且组织细化;同时随着铌含量的增加强度提高,中高铌试验钢的屈服强度可达400MPa,且屈强比较小(<0.8。3种试验钢中均有铌的碳氮化物粒子析出,但析出量较少。关键词:铌微合金钢;热处理;板条贝氏体铁素体中图分类号:TG113.12文献标识码:AEffect of Nb Content on Microstructure and Properties of LowCarbon Microalloyed Steel by Heat TreatmentWAN Rong-chun,ZHAO Xing-ming,SI Song-hua,YUAN Xiao-min (School o

3、f Material Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan243002,ChinaAbstract:The different Nb content of three experimental steels was developed.The microstructure and properties and particle precipitation manner of the experimental steels,which were austenitized at900and isot

4、hermally treated at550,were investigated.The experimental results showed that the microstructure of low Nb content steel is composed of polygon ferrite and some amount of lath bainitic ferrite and few amount of pearlite.With the increasing Nb content of experimental steel,the lath bainitic ferrite i

5、ncreases,grains fine,and the intensity of experimental steel increases.Due to the increasing of Nb content,The yield strength of intermediate and high Nb content steels can reach to400MPa and yield ratio is lower(<0.8.Some amount of the precipitation of carbonitride of Nb was found in three exper

6、imental steels.Key words:Nb-microalloyed steel;heat treatment;lath bainitic ferrite引言低碳微合金高强度钢是目前高强度钢材研究的热点之一。低碳钢通过单独或复合加入微量合金化元素Nb,V或Ti达到晶粒细化,提高力学性能的目的。其中Nb在钢中能显著提高奥氏体的粗化温度和再结晶温度,具有细化晶粒和弥散强化的作用,是提高材料强韧性最为有效的合金元素之一1,2。同时,Nb的加入还能使钢实现高温轧制。并且Nb的价格相对稳定(相对于V与Ti低廉,让Nb更具有经济性和竞争力3。因此铌微合金化钢的研究具有重要意义。设计了3种含铌量

7、不同的微合金试验钢,并参照实际轧制过程中高温固溶、终轧温度及卷曲温度等关键温度参数,采用热处理模拟方法研究了试验钢组织与性能及第二相粒子的析出行为。1实验材料及方法为了对比分析,将SPHC钢在相同条件下进行试验,表1为SPHC钢和3种含铌试验钢的实际成份。3种含铌试验钢由低铌到高铌的顺序标定为Nb1,Nb2,Nb3。收稿日期:2006-09-25作者简介:万荣春(1981-,男,浙江衢州人,硕士生。第2期将试验钢圆柱锭在箱式炉中加热,温度为11501250,在560kg 的空气锤上进行锻压变形,锻成宽 120mm ,厚8mm 的试验钢钢板。将锻压后的钢板试样加热至1230保温25min ,盐浴

8、淬火进行固溶处理。然后将试样加热至900奥氏体化5min ,迅速分别放入550硝盐浴保温10min ,空冷。热处理工艺如图1。在热处理后的钢板上割取金相试样,经研磨,抛光,腐蚀,利用光学显微镜对试样显微组织进行观察。另取试样,经研磨,冲片,减薄制取透射试样,利用透射电镜观察试样的精细组织与粒子析出情况。用网格法4对试样进行组织中铁素体含量测定。2实验结果与分析 图2所示为SPHC 钢和3种含铌试验钢热处理后的金相组织。图2(a中,SPHC 钢的组织为多边形铁素体加极少量珠光体。图2(b中,Nb1的组织为多边形铁素体加少量板条状组织加极少量珠光体。Nb2的组织为多边形铁素体加板条状组织加少量粒状

9、组织加极少量珠光体。但板条状组织的含量明显增多,如图2(c所示。Nb3的组织为板条状组织加粒状组织加少量多边形铁素体加极少量珠光体,板条状组织的含量大大增多且出现不少的粒状组织(如图2(d所示。利用网格法对试样进行组织中铁素体含量的测定,结果如图3。可见随着铌含量增加铁素体含量减少。图4所示为3种含铌试验钢透射电镜组织形貌。从图4(a可以看出,Nb1中组织形貌特征为平行分布的板条铁素体片层结构。图4(b所示为Nb2中板条状组织的透射电镜下形貌。典型的低碳板条贝氏体铁素体是由过饱和的板条状铁素体和其间隙中断断续续分布着的细条状碳化物组成,其中铁素体一般在晶界形核。根据文献5-7可以确定这里的板条

10、状组织就是板条贝氏体铁素体,透射电镜组织形貌也进一步证明这种板条组织为板条贝氏体铁素体。从图4(c可看出,Nb3中粒状组织形貌特征是板条束铁素体基体上弥撒分布有马氏体/奥氏体小岛,且小岛呈不规则形状,无规则地分布在无规则形状的铁素体基体上7。试验钢C Si Mn P S Nb Ti Cr Cu SPHC 0.0500.0200.2200.0150.010/Nb10.0620.6280.8910.0150.0220.0310.0130.1260.020Nb20.0740.3351.2600.0190.0220.0500.0140.2900.236Nb30.0950.1011.3300.0170.

11、0060.0970.0100.3160.251表1试验用钢的实际成份(质量分数/%万荣春等:Nb含量对低碳微合金钢热处理组织与性能的影响135安徽工业大学学报2007年图5为3种含铌试验钢的第二相粒子析出形貌,可以看到等温阶段在试验钢中析出的细小方形碳氮化物粒子尺寸在几十到100多nm。图5(a为Nb1中板条组织内的析出。图5(b为Nb2中多边形铁素体组织内析出。图5(c为Nb3中多边形铁素体组织内析出。在3种试验钢中碳氮化物的尺寸多数为40nm左右,Nb3中有100nm左右的大粒子析出,如图5(c所示。3种试验钢均析出较少,且不同含铌量影响不大。表2所示的是热处理后3种含铌试验钢的力学性能结

12、果。可以看出,3种含铌试验钢在550等温条件下随着含铌量增加,强度提高,而延伸率有所下降,但下降不大。中高铌钢s>400MPa,且3种含铌试验钢均有较低的屈强比(<0.8。(aNb1(bNb2(cNb3图5透射电镜下析出粒子形貌a b c200nm200nm200nm表2热处理工艺下3种试验钢的力学性能试验钢s/MPab/MPa屈强比/%0Akv/J Nb13594970.72236.2131 Nb24195440.77032.3124 Nb34245490.77230.3132在转变温度下,当奥氏体中有大量的Nb固溶,固溶铌通常对连续冷却过程中的CCT曲线与随后的相变有重要的影响

13、。微量铌与碳、氮形成铌的碳氮析出物,在奥氏体化中,原先固溶铌形成的这类化合物在奥氏体内和晶界析出,这些铌的碳氮析出物会推迟铁素体相转变,促进贝氏体铁素体形成。结果是转变开始温度降低,获得非多边形铁素体组织的可能性更高,在高的冷速下更是如此。已有的研究表明,溶质Nb改变的不仅是转变温度,淬透性提高也意味着对相同的一般性条件,尤其在高的冷速下,Nb钢将有更多量的低温转变产物,如针状铁素体、Widmanstatten铁素体和贝氏体型铁素体。在较高铌含量的条件下,铌更有效地阻止铁素体相转变和促进更高体积分数贝氏体铁素体的形成及在铁素体中铌的碳氮化物析出,从而进一步提高钢的强度8。对比含铌钢和SPHC表

14、明铌可以明显促进贝氏体铁素体转变,对比含铌钢,随含铌量的增加贝氏体铁素体也明显增加。由于贝氏体铁素体相对于铁素体有更高的强度,贝氏体铁素体含量的增加使含铌钢随着含铌量增加强度提高而延伸率下降不大,贝氏体铁素体与铁素体双相共存使含铌钢有较低的屈强比(<0.8。从表2可以看出Nb3中高铌含量并没有带来高的性能,因为随着C含量的增加Nb在钢中的固溶量降低,Nb3中C 含量为0.095%。高的C含量使Nb在固溶阶段固溶不完全,这一点可以从图5(c中有大的析出物看出。C含量高使奥氏体中铌的溶解度下降,无法更有效促进在铁素体中铌的碳氮化物析出。这正是Nb2和Nb3力学性能相近的原因,也反过来说明Nb

15、3中有大的析出物和少量小的析出物的原因。3结论(1试验钢在550等温后,含铌试验钢与SPHC钢组织有明显变化,低铌钢热处理后组织为多边形铁素体加少量贝氏体铁素体,随着铌含量增加试验钢组织中贝氏体铁素体含量明显增加,且组织细化。(2含铌试验钢在550等温后,含铌钢中随着铌含量增加强度提高而延伸率却有所下降,中高铌试验钢的屈服强度可达到400MPa,且屈强比小于0.8。(3含铌试验钢在550等温后,有铌的碳氮化物粒子析出,但析出均较少。参考文献:1蔡爱国.铌钒微合金中碳钢的微观组织与强度的关系J.钢铁研究学报,1996,8(2:35-39.2陈国安,杨王明,郭守真,等.低碳微量铌钢形变强化相变的组织演变J.金属学报,2004,40(10:1076-1084.3东涛,付俊岩.铌/钒微合金化400MPa级钢筋的生产技术