李建華,方 芳,習天輝,陳 曉,吳開明

(1武漢科技大學,武漢430081;2武鋼研究院,武漢430080)

微合金化3.5Ni鋼的強化機理

李建華1,2,方 芳2,習天輝2,陳 曉1,2,吳開明1

(1武漢科技大學,武漢430081;2武鋼研究院,武漢430080)

從固溶強化、析出強化和細晶強化三個方面對微合金化3.5Ni鋼的強化機理進行了分析研究,同時計算了三種強化方式對強度的貢獻。結(jié)果表明:3.5Ni鋼進行Nb,Ti微合金化后,通過適當?shù)墓に嚳刂?鋼中可以析出較多均勻細小的Nb(C,N),NbTi(C,N)球形顆粒和TiN方形顆粒。這些細小粒子一方面產(chǎn)生析出強化的效果;另一方面釘扎奧氏體晶界,阻止晶粒長大,從而產(chǎn)生強烈的細晶強化效果。強度的理論計算值和實測值非常接近,同時,與國家標準CCS1996《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》中的要求相比,有超過20%的余量。

微合金化;低溫鋼;3.5Ni鋼;強化

能源對國家持續(xù)發(fā)展、社會穩(wěn)定和國家安全產(chǎn)生直接影響。隨著近年來國際市場原油價格快速上揚,能源消耗大國紛紛考慮使用其他替代能源,以減輕對石油的依賴,于是液化天然氣再次成為關注的焦點。除了高油價的影響以及出于對能源使用安全因素的考慮之外,另一個促使液化天然氣成為市場新寵的原因在于其環(huán)保因素。天然氣的液化處理需要將其降至-161℃,然后利用特制的貯存油船送往各個能源需求國,之后再將之汽化還原,通過鋪設好的管道網(wǎng)絡送達用戶。隨著科學技術的進步,在過去十幾年中,液化天然氣的成本已經(jīng)降低了30%,并且還將大幅下降。對于低溫容器而言,所儲存的介質(zhì)溫度越低,容器所需承受的壓力就越小,因而安全可靠性越好。對于液化天然氣儲存裝置,需要使用低溫鋼。而石油化工、化肥等行業(yè)的低溫裝置,在-80℃以下使氣體液化,需要使用3.5Ni低溫鋼。

強度和韌性是材料的基本性能,取決于材料的組織結(jié)構(gòu),而組織結(jié)構(gòu)又與材料的成分和生產(chǎn)工藝相關聯(lián)。因此,要提高材料的強度、改善韌性,必須從材料的成分和生產(chǎn)工藝入手,改變材料的結(jié)構(gòu),以期達到強度和韌性的最佳匹配[1]。碳是鋼中最重要的元素,對強度起著舉足輕重的作用。這是因為碳固溶于鐵形成間隙式固溶體產(chǎn)生固溶強化,另外它在組織中以滲碳體或珠光體形式存在時產(chǎn)生相變強化作用。碳的強化效果可提高鋼的屈服強度和抗拉強度,但卻極大地降低了鋼的韌性,同時惡化鋼的焊接性能,這對于在韌性和焊接性能方面有很高要求的低溫用鋼來說是不能接受的。因此,3.5Ni鋼除了添加3.5%(質(zhì)量分數(shù),下同)的鎳元素增加韌性外,含碳量必須控制在相關標準允許范圍內(nèi),其強度損失要通過增加適量的M n來彌補,同時添加微量的Nb,Ti,Mo等合金元素,通過微合金化處理,在提高韌性的同時兼顧強度的要求。本工作主要從固溶強化、析出強化和細晶強化等方面對3.5Ni鋼的強化機制進行分析和研究。

1 實驗材料與方法

實驗樣品取自研制的3.5Ni鋼成品板,其工藝流程:鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐吹煉→真空處理→連鑄→鑄坯均熱→奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制→奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制→快冷至Ar1溫度→空冷,然后進行正火+回火熱處理。

3.5Ni鋼的化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 實驗樣品的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of tested steel samp le(mass fraction/%)

表2 實驗樣品的力學性能Table 2 Mechanical p roperties of tested steel samples

2 3.5Ni鋼的強化機制

2.1 固溶強化

固溶強化是指合金元素固溶于基體相中形成固溶體而使其強化的方式,是通過改變材料的化學成分來提高強度的方法,其強化的金屬學基礎是置換(M n, Si,Cr,Ni,Cu,P等原子)或間隙(C,N等原子)固溶的異質(zhì)原子以點狀障礙物的形式阻礙位錯運動。固溶強化的主要微觀作用機制是彈性相互作用,產(chǎn)生氣團。一旦溶質(zhì)原子在位錯周圍形成穩(wěn)定的氣團后,位錯要運動就必須首先掙脫氣團的釘扎(非均勻強化),同時還要克服溶質(zhì)原子的摩擦阻力(均勻強化),由此使材料的強度提高。溶質(zhì)原子與位錯間還會產(chǎn)生模量相互作用、電相互作用、層錯相互作用(形成Suzuki氣團)和有序化相互作用(包括短程有序和長程有序),這些作用將導致位錯運動的阻力增大從而使材料強化。此外,溶質(zhì)原子之間的相互作用也對固溶強化有一定貢獻。在體心立方點陣的基體晶體(如大多數(shù)鋼鐵材料)中,彈性相互作用是固溶強化的主要方式[2,3]。

具體講,固溶強化主要是通過兩個方面起作用,其一,由于原子大小不同,從幾何學的角度會引起晶體點陣的規(guī)則性遭到破壞,造成附帶的應力,表現(xiàn)為晶體變形抗力的增加;其二,溶質(zhì)原子和溶劑原子之間的各種化學作用引起的強化[4]。

因此,固溶強化作用的大小與溶質(zhì)原子的量有關,一般情況下,固溶強化項σs與合金元素的質(zhì)量分數(shù)(%)Me之間可以認為是線性依賴關系:

式中:A為合金元素質(zhì)量分數(shù)的強化系數(shù)(Ni,M n,C的強化系數(shù)分別為33,37,4570),據(jù)此,可以計算出Ni,M n,C元素對3.5Ni鋼的強度貢獻分別為σs2Ni= 119.5M Pa,σs2Mn=24.2M Pa,σs2C=164.5M Pa。

因此,固溶強化對強度的貢獻(線性疊加)為σs= 308.2 M Pa。

2.2 析出強化

析出強化又稱為彌散強化、沉淀強化、第二相強化等,析出相能沉淀析出的必要條件是合金的溶解度隨著溫度的降低而減小,因此加熱后得到的過飽和合金系統(tǒng)隨著溫度的降低而析出彌散分布的第二相,析出相通過界面和自身的力學性能以空間障礙物的形式阻礙位錯的運動,形成強化。

圖1為用Thermo2Calc軟件計算的3.5Ni鋼平衡態(tài)各相組成的結(jié)果。從圖1(a)可見,鋼中加入315%Ni后,在500℃左右就已經(jīng)出現(xiàn)γ2Fe,并且在溫度大于700℃時α2Fe已經(jīng)全部發(fā)生轉(zhuǎn)變,可見Ni增加了奧氏體相區(qū)。圖1(b)顯示,加入0.12%Mo, 0101%Ti和0.04%Nb后,在620℃左右出現(xiàn)Mo的碳化物,同時在相當寬的溫度范圍內(nèi)存在Ti2Nb的復合碳化物。通過適當?shù)墓に嚳刂?可以優(yōu)化這些析出物的尺寸及分布,從而達到強烈的析出強化效果。

本工作用JEM 2100 FEF型透射電子顯微鏡觀察3.5Ni鋼中的析出相,3.5Ni鋼因加入微量Nb,Ti合金元素,其第二相析出數(shù)量較多,分布均勻,主要是6～25nm的細小球形顆粒,見圖2(a),以Nb(C,N),Nb2 Ti(C,N)為主,見圖2(b),以及30～130nm的TiN方形顆粒。

根據(jù)O rowan2A shby的計算公式,第二相質(zhì)點所產(chǎn)生的強度增加值為[2]

σp=8.995×103(φ)1/2/d·ln(2.417 d)(2)式中:σp為位錯克服第二相質(zhì)點阻力所必須增加的正應力,M Pa;d為質(zhì)點的平均直徑,nm;φ為質(zhì)點的體積分數(shù)。用透射電鏡拍攝的析出相照片進行圖像儀定量分析,測出每張照片中第二相質(zhì)點所占面積的百分比及每個可分辨的析出質(zhì)點的等效圓直徑。對所測量的結(jié)果進行加權(quán)平均,得到3.5Ni鋼中第二相析出質(zhì)點的平均等效圓直徑為31.0nm,析出質(zhì)點的平均體積分數(shù)為0.068%,按照公式(2)計算出第二相析出強化的貢獻為σp=32.7M Pa。

2.3 細晶強化

細晶強化主要從晶粒大小的角度研究晶界對位錯運動造成的阻力,以及由此產(chǎn)生的強化。位錯在晶體中是三維分布的,位錯網(wǎng)在滑移面上的線段可以成為位錯源,在應力的作用下,此位錯源不斷放出位錯,使晶體產(chǎn)生滑移。位錯在運動的過程中,首先必須克服附近位錯網(wǎng)的阻礙,當位錯移動到晶界時,又必須克服晶界的障礙,才能使變形由一個晶粒轉(zhuǎn)移到另一個晶粒上,使材料產(chǎn)生屈服。因此,材料的屈服強度取決于使位錯源運動所需的力、位錯網(wǎng)給予移動位錯的阻力和晶界對位錯的阻礙大小。晶粒越細小,晶界就越多,障礙也就越大,需要加大外力才能使晶體產(chǎn)生滑移。所以,晶粒越細小,材料的屈服強度就越大[4,5]。屈服強度(σs)與晶粒尺寸的關系,可用Hall2Petch關系式表示:

式中:σ0為鐵素體晶格摩擦應力,大體相當于單晶體時的屈服強度,M Pa;K為表征晶界對強度影響程度的常數(shù),和晶界結(jié)構(gòu)有關;d為鐵素體晶粒的直徑,mm。

使用Quanta 400型掃描電鏡和EBSD分析附件,對3.5Ni鋼成品板試樣進行了等效晶粒尺寸分析,實驗結(jié)果見表3。將該實驗結(jié)果代入O rigin專業(yè)分析軟件進行線性模擬,模擬結(jié)果見圖3。

表3 3.5Ni鋼等效晶粒尺寸分析(EBSD)Table 3 The equivalent grain size analysisof 3.5Ni steel(EBSD)

圖3 Origin軟件線性模擬3.5Ni鋼的屈服強度與等效晶粒尺寸的關系 (a)5°;(b)10°;(c)15°Fig.3 Relationship between yield strength and equivalent grain size by Origin linear simulation (a)5°;(b)10°;(c)15°

以10°晶間夾角的實驗結(jié)果為例,3.5Ni鋼的屈服強度與晶粒尺寸的關系(Hall2Petch關系式)為

根據(jù)相關的研究結(jié)果[2],當應變速率不大于1s-1,晶粒尺寸在3μm以上時,鋼鐵材料屈服強度的K值在14.0～23.4M Pa·mm1/2之間,低碳微合金鋼為6.98M Pa·mm1/2(σ0為376.36M Pa),超低碳微合金鋼為9.33M Pa·mm1/2(σ0為246.10M Pa)。本工作所研制的3.5Ni鋼接近超低碳(0.036%C)水平,其K值較高,說明該鋼晶粒細化的強化效果較好。以B8試樣10°晶間夾角的等效晶粒直徑8.54μm計算,細晶強化對屈服強度的貢獻為σf=138.1 M Pa。

2.4 理論與實測結(jié)果分析

Ni,C,M n元素的固溶強化,Nb,Ti,Mo微合金元素產(chǎn)生的析出強化和細晶強化對3.5Ni鋼強度貢獻的理論計算值分別為308.2,32.7,138.1M Pa。對以上三種強化方式的強化效果采用直接線性疊加,可以得到3.5Ni鋼的強度理論計算值為479M Pa。3.5Ni鋼成品板的屈服強度實測值為410～430M Pa。理論計算值與實測值比較接近,理論計算值大約高出50M Pa,造成理論計算值與實測值差距的主要原因可能有以下兩個方面:(1)固溶強化計算中的固溶元素質(zhì)量分數(shù)采用的是鋼中元素的總量,沒有考慮未固溶部分的含量,例如部分M n元素會與S形成M nS夾雜物;(2)所有強化方式的強化效果均采用直接線性疊加,這可能高估了總的強化效果。理論計算值與實測值均符合國家標準CCS 1996《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》中對3.5Ni低溫鋼屈服強度的要求(ReL≥345M Pa),且有超過20%的余量,說明本工作研制的微合金化3.5Ni鋼為保證低溫韌性采用降C含量措施而造成的強度損失得以彌補。

3 結(jié)論

(1)3.5Ni鋼進行Nb,Ti,Mo微合金化處理后,通過適當?shù)墓に嚳刂?鋼中可以析出較多均勻、細小的Nb(C,N),Nb Ti(C,N)球形顆粒和TiN方形顆粒,這些細小析出粒子一方面產(chǎn)生析出強化的效果;另一方面釘扎奧氏體晶界,阻止晶粒長大,從而產(chǎn)生強烈的細晶強化效果。

(2)排除相關干擾因素,強度的理論計算值和實測值比較接近,與國家標準CCS 1996《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》中對3.5Ni低溫鋼屈服強度的要求(ReL≥345M Pa)相比,有超過20%的余量,說明本工作研制的微合金化3.5Ni鋼在成分設計和工藝制定等方面是成功的。

[1] 王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].2版.北京:冶金工業(yè)出版社,2009.8-9.

[2] 雍岐龍.鋼鐵材料中的第二相[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2006.6-7,44-47.

[3] 邱松年,孫維芳.現(xiàn)代?；摪逦锢硪苯饘W[N].世界金屬導報, 2009204221(12).

[4] 那順桑,姚青芳.金屬強韌化原理與應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.130-135,148-149.

[5] 趙志業(yè).金屬塑性變形與軋制理論[M].2版.北京:冶金工業(yè)出版社,1994.55-56.

Strengthening M echanism s of M icroalloyed 3.5Ni Steel

L IJian2hua1,2,FANG Fang2,XI Tian2hui2,CHEN Xiao1,2,WU Kai2ming1
(1 Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China; 2 Research and Development Center of W ISCO,W uhan 430080,China)

Strengthening mechanism s of m icroalloyed 3.5Ni steel w ere analyzed from the so lution strengthening,p recipitation strengthening and fine2grain strengthening.Their contribution to strengthening was also calculated.Results show that a lot of fine equaixed particles Nb(C,N),Nb Ti (C,N)and square particles TiN are uniform ly p recipitated in the matrix.These fine particles have p recipitation strengthening effect and pinning effect on austenite grain boundaries,w hich hinder the grow th of austenite grains.The calculated strength is in good agreement w ith themeasured one.The strength of the tested steel is satisfied w ith National Standard CCS 1996“Steel Seacraft Entering Level and Construction Standard”and has a surpass of 20%.

microalloying;low temperature steel;3.5Ni steel;strengthening

TG111;TG142

A

100124381(2010)0520001204

湖北省教育廳國際合作項目(200711001);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET20520680);湖北省自然科學基金計劃青年杰出人才項目(2006ABB037)

2009210209;

2010202210

李建華(1966—),男,博士,高級工程師,金屬物理專業(yè),聯(lián)系地址:湖北省武漢市青山區(qū)冶金大道28號,武鋼研究院檢測所(430080),E2mail:lijianhua@w isco.com.cn,jianhua2li@163.com

吳開明(1966—),男,教授,博士,博士生導師,主要從事鋼鐵新材料與焊接技術研究,聯(lián)系地址:湖北省武漢市青山區(qū)和平大道947號武漢科技大學8號信箱(430081),E2mail:w ukaiming@w ust.edu.cn, w ukaiming 2000@yahoo.com