傅 杰，李光強，于月光，毛新平，方克明

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083;2.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用教育部重點實驗室，武漢 430081;3.北京礦冶研究總院，北京 100044;4.廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司，廣州 510730)

基于納米鐵碳析出物的鋼綜合強化機理

傅 杰1，2，李光強2，于月光3，毛新平4，方克明1，2

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083;2.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用教育部重點實驗室，武漢 430081;3.北京礦冶研究總院，北京 100044;4.廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司，廣州 510730)

簡要敘述了關(guān)于鋼強化機理的研究現(xiàn)狀，用化學(xué)相分析+X射線小角散射、RTO方法及高分辨透射電鏡對薄板坯連鑄連軋鈦微合金化高強耐候鋼中納米粒子的屬性進行了綜合分析。發(fā)現(xiàn)鈦微合金化高強耐候鋼中尺寸＜36 nm的粒子，除納米TiC以外，還存在大量的納米Fe3C，其體積分?jǐn)?shù)為同尺寸TiC體積分?jǐn)?shù)的4.4倍，析出強化作用比納米TiC粒子大，不可忽略;提出了鋼的綜合強化機理，指出對不同種類、不同尺寸的納米析出粒子，應(yīng)分別根據(jù)位錯切割和位錯繞過機理計算出析出強化貢獻，然后與固溶強化和細晶強化貢獻加和，求得鋼的屈服強度;討論了細晶強化與位錯強化不能加和的原因以及相變對鋼強度影響的表現(xiàn)形式，對鈦微合金化高強耐候鋼屈服強度的理論計算與生產(chǎn)結(jié)果相符，實驗鋼σs=630～676 MPa，實際σs=630～680 MPa。簡述了鋼綜合強化機理的應(yīng)用情況，指出了有待進一步研究的科學(xué)問題。

屈服強度;納米鐵碳析出物;納米TiC;析出強化;鋼的綜合強化機理

1 研究現(xiàn)狀

鋼鐵是一個國家實現(xiàn)工業(yè)化的基礎(chǔ)材料，鋼的強度，特別是屈服強度是鋼結(jié)構(gòu)的一個重要使用性能。半個多世紀(jì)以來，各國的鋼鐵冶金和材料科學(xué)工作者對鋼的強化機理進行過大量深入的研究。我國近十多年來攀登計劃B項目“高強高韌鋼的基礎(chǔ)研究”、973項目“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”、國家自然科學(xué)基金重點項目“薄鋼板連鑄連軋過程鋼的組織性能控制與檢測”等，其主要內(nèi)容均是通過研究鋼的強化機理，達到提高鋼的強度，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)輕量化，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的目的。

鋼的強化機理，總體說來可分為兩類:一類是單一強化機理。鋼具有不同的強化機理，包括固溶強化、細晶強化、析出強化、位錯強化、相變強化(或亞晶強化)等。近年來，比較一致的看法是鋼的主要強化機理可歸結(jié)為:固溶強化、細晶強化、析出強化和位錯強化4種，其中，細晶強化隨晶粒細化，既可提高強度，又能提高鋼的韌性，其他強化手段都不同程度地降低鋼的韌性。第二類是鋼強化機理的加和法則，即認(rèn)為鋼的屈服強度等于各種強化機理對鋼屈服強度貢獻之和。

1.1 超細晶強化

細晶強化實質(zhì)上是晶界強化。晶界對位錯運動的阻力導(dǎo)致晶界強化，晶界面積愈大，鋼的強度愈高;晶粒尺寸愈細，晶界面積愈大，即平均晶粒尺寸愈細，鋼的強度愈高。提高晶界本身的強度，也會導(dǎo)致鋼強度的提高。細晶強化的理論基礎(chǔ)是Hall－Petch 公式［1，2］:

1997年，日本、中國、韓國在各自政府的支持下，相繼開展了研制新型鋼鐵材料的工作，日本稱之為“超級鋼”，我國稱之為“新一代鋼鐵材料”，韓國稱之為“先進結(jié)構(gòu)鋼”，其理論依據(jù)和指導(dǎo)思想是Hall－Petch公式，認(rèn)為結(jié)構(gòu)鋼材的主要強化機制是細晶強化，研究目標(biāo)是通過將晶粒尺寸細化到1 μm，甚至是亞微米(亞結(jié)構(gòu)板條束寬度)，實現(xiàn)鋼的強度翻番，對低合金鋼和合金鋼分別達到抗拉強度800 MPa和1500 MPa。我國與外國不同，在“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”(973項目)中，除將抗拉強度800 MPa改為屈服強度為800 MPa，還包括對使用廣泛的400 MPa級碳素鋼的研究。研究目標(biāo)是制造400 MPa級屈服強度的碳素鋼熱軋板卷和以Ⅲ級鋼筋為目標(biāo)的長型材。

經(jīng)過大約6年的工作，從1997年到2003年，日本發(fā)現(xiàn)在工業(yè)條件下，利用現(xiàn)有裝備與技術(shù)不能獲得1 μm尺寸的晶粒。在實驗室條件下，利用特殊工藝可將鋼組織細化到亞微米級，但細晶強化與位錯強化不能加和，鋼的強度的實際值低于加和值［3］，終止了超級鋼項目。

在同一期間，我國北京科技大學(xué)和珠江鋼廠合作，發(fā)現(xiàn)低碳鋼中存在納米鐵碳析出物，具有顯著的析出強化作用，開發(fā)出了屈服強度為400 MPa級的HSLC鋼，提出了鋼的綜合強化機理。2003年，“鋼組織性能的綜合控制理論”研究項目被評為2003年度中國高等學(xué)校十大科技進展之一。

實驗研究和生產(chǎn)實踐證明:無論是400 MPa級的鐵素體珠光體鋼，還是800 MPa級的貝氏體鋼，均不是超細晶鋼(平均晶粒尺寸為5～10 μm)，鋼的強度翻番不是由于晶粒細化的結(jié)果(在相同晶粒尺寸條件下，屈服強度可相差100～300 MPa以上)。

1.2 鋼強度的加和法則

2003年4月至2007年3月，日本舉行了“屈服強度與顯微組織關(guān)系研討會”，開展了4年的研究活動，調(diào)查了對各種鋼的屈服強度起支配作用的組織結(jié)構(gòu)因素，其成果在191—192回西山紀(jì)念講座上作為教材進行了報告［3］。報告指出:一般的低碳鋼如圖1所示，直到晶粒為1 μm，晶粒直徑d減小時，屈服強度與d－1/2成比例增加，符合Hall－Petch關(guān)系，細晶強化量可按下述經(jīng)驗式(3)計算:

圖1縱軸上的截距值與單晶材料的屈服強度對應(yīng)，包含了固溶強化值，式(3)曲線代表固溶強化和細晶強化的加和值。不同類型的鋼，d－1/2前面的系數(shù)不同，即曲線具有不同的斜率和截距，晶粒尺寸對強度的影響不同，固溶強化及細晶強化貢獻不同。

圖1 鋼鐵材料的Hall－Petch關(guān)系［3］Fig.1 Hall－Petch relation of iron and steel materials［3］

從式(3)曲線可知，低碳鋼晶粒尺寸為10～5 μm時，σs約為 190～270 MPa。但實踐指出:HSLC鋼 ZJ330晶粒尺寸約為 8～10 μm，σs可達410 MPa，并保持伸長率為29%［4］; 含 Ti 約0.09%的鈦微合金化高強耐候鋼(HSLA鋼)，晶粒尺寸為 2.9 ～ 3.8 μm［5］，按式(3)計算的固溶強化與細晶強化值σs為352～307 MPa，但實際可達700 MPa［6］。顯然，對σs作貢獻的尚有其他的強化機制，固溶強化與細晶強化的加和值與實際值之間的差距，可以認(rèn)為是析出強化和位錯強化機制導(dǎo)致的。

加工過程中，鋼中產(chǎn)生大量的位錯，鋼中原有位錯與受力過程中新產(chǎn)生的位錯的交互作用或原有位錯對新產(chǎn)生位錯運動的阻力導(dǎo)致位錯強化或加工硬化。位錯對鋼屈服強度的貢獻與其密度的平方根成正比。文獻［3］指出:固溶強化與位錯強化的加和值，可用經(jīng)驗公式(4)(Bailay－Hirsch關(guān)系)表示。

截距的值包含了固溶強化，與基體自身強度對應(yīng)，冷加工可以給鐵導(dǎo)入的最大位錯密度為1016/m2，位錯強化貢獻可以達到1200 MPa。

熱軋鋼材中位錯密度＜1014/m2時，位錯強化貢獻消失［3］。在奧氏體再結(jié)晶或鐵素體緩慢冷卻(例如薄板卷取，鋼材熱處理)過程中，位錯密度會降低。試驗指出:1 mm厚薄板坯連鑄連軋成品板材位錯密度為2.8×1013/m2［4］?？紤]到原有的位錯密度與第二相析出粒子的釘軋作用有關(guān)，在計算了第二相粒子對鋼屈服強度的析出強化以后，可以不再考慮原有的位錯密度對新產(chǎn)生位錯運動的阻力，即不再考慮位錯強化貢獻。文獻［3］認(rèn)為:細晶強化與析出強化不能加和，鋼的屈服強度是由細晶強化和析出強化二者之一決定的。

2 鋼中的納米鐵碳析出物及其對鋼的析出強化作用

2.1 Ti微合金化高強耐候鋼中的納米鐵碳析出物

薄板坯連鑄連軋是當(dāng)代先進的鋼生產(chǎn)流程之一。近年來在國內(nèi)外有著迅速的發(fā)展。薄板坯連鑄連軋產(chǎn)品95%以上是含碳＜0.06% ～0.25%的低碳鋼或低合金高強度鋼。強度較高是薄板坯連鑄連軋產(chǎn)品力學(xué)性能的重要特征之一。

在研究薄板坯連鑄連軋HSLC鋼強度高的原因時，文獻［7，8］作者首先發(fā)現(xiàn)鋼中存在大量納米尺寸的氧化物和硫化物，其尺寸一般為幾十納米至幾百納米，并發(fā)現(xiàn)鋼中存在大量尺寸＜20 nm的沉淀粒子，它們具有尖晶石類型的結(jié)構(gòu);文獻［9，10］實驗觀察到鋼中存在的納米AlN粒子，其尺寸為幾個納米至幾十納米，并進行了動力學(xué)研究;文獻［11，12］研究了用CSP工藝生產(chǎn)低碳鋼中納米碳化物及其對鋼力學(xué)性能的影響，指出薄板坯連鑄連軋低碳鋼鑄坯、軋卡件和鋼材中均存在大量尺寸＜20 nm的析出物，主要為鐵碳析出物，對鋼起顯著的沉淀強化作用。

文獻［13］系統(tǒng)地研究了薄板坯連鑄連軋低碳鋼中存在的尺寸＜20 nm的鐵碳析出物的類型，尺寸分布及體積分?jǐn)?shù)。討論了鐵碳析出物對鋼屈服強度的貢獻。指出沉淀析出對HSLC鋼材屈服強度的貢獻與細晶強化的貢獻相當(dāng)。對于HSLC鋼和低合金鋼SPA－H，回火快冷試驗前后，鋼的晶粒尺寸未變，但鋼的屈服強度可提高100 MPa以上，顯然是由于鋼中納米鐵碳析出物的析出強化作用導(dǎo)致的。

在實驗室條件［14］和生產(chǎn)條件下［6］研究了鈦微合金化高強耐候鋼，發(fā)現(xiàn)鈦微合金化對熱軋鋼板的強度具有顯著的影響。文獻［6］根據(jù)化學(xué)相分析及X－射線小角散射、電鏡分析等方法研究了Ti的強化機理，發(fā)現(xiàn)隨鋼中鈦含量增加，鋼中納米TiC的百分含量增加，鋼的屈服強度提高。認(rèn)為:Ti的強化作用主要是納米TiC的析出強化。沒有考慮鐵碳析出物的影響，從而計算結(jié)果與實際不符。文章研究了薄板坯連鑄連軋Ti微合金化鋼中Fe3C和TiC的粒度分布及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

表1列出了實驗用鋼的化學(xué)成分。

表2～表6分別為析出相結(jié)構(gòu)參數(shù)，M3C及MC中各元素占鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2#試樣的M3C類析出物的粒度分布，2#試樣MC類析出物的粒度分布及實驗鋼的力學(xué)性能。

表1 實驗用鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of experimental steels %

表2 析出相結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of precipitates

表3 2#試樣M3C及MC中各元素占鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 M3C and MC element mass fraction in steel in No.2 sample

續(xù)表

從表3可知，析出相中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的是滲碳體為主的M3C類化合物，其次是Ti(C，N)為主的MC類化合物，M(C，N)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與文獻［6］中含Ti 0.09%鋼的相同。X射線小角散射得到了2#試樣的Fe3C和MC析出物的粒度分布數(shù)據(jù)，分別見表4和表5，實驗用鋼的力學(xué)性能見表6。

表4 2#試樣的M3C類析出物的粒度分布Table 4 Size distribution of M3C precipitates in No.2 sample

表5 2#試樣的MC類析出物的粒度分布Table 5 Size distribution of MC precipitates in No.2 sample

2#試樣的M3C類析出物的平均粒徑達到了72.2 nm;MC類析出物的平均粒徑是109.1 nm，M3C類析出物的平均粒徑比MC小。

為進一步研究HSLA鋼中納米鐵碳析出物的存在，用RTO金屬包埋切片微米—納米表征法制備試樣，用高分辨透射電鏡進行了分析。

RTO金屬包埋切片微米—納米表征法(以下簡稱RTO表征法)是在室溫下在有機溶液中用金屬包埋微米—納米切片試樣的方法。這種方法解決了從微米—納米材料中切取厚度為納米級薄膜的難題，在微米—納米材料研究中已成功獲得了廣泛應(yīng)用［15］。從微米—納米材料中切取薄膜的步驟見文獻［16］。

表6 實驗用鋼的力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of experimental steels

采用RTO方法，把實驗的熱軋鋼板在有機溶液中電解24 h，將得到的含有納米析出物的電解液用無水乙醇分散于銅箔上，用前述的RTO方法將納米析出物包埋于銅中;通過磨拋和離子薄化儀把包埋后的試樣減薄到電子束可以穿透的薄度，然后進行高分辨透射電鏡觀察。

圖2是從實驗鋼樣中電解提取出來的析出物制成的RTO試樣的透射電鏡形貌照片。從圖2可以看到，較多粒徑在20 nm以下的析出物顆粒，呈多邊形而非圓形和橢圓形。

圖2 RTO試樣的TEM照片(圖中標(biāo)尺20 nm)Fig.2 TEM morphology of RTO sample(the ruler shows 20 nm)

圖3和圖4分別是RTO試樣中典型的Fe－C析出物和TiC類型析出物的能譜，從中可大致判斷析出物中元素的原子百分比，由于納米析出物顆粒很小，根據(jù)能譜分析的結(jié)果難以準(zhǔn)確認(rèn)定析出物的相組成。

圖3 RTO試樣中Fe－C析出物的XEDS譜Fig.3 XEDS spectrum of Fe －C precipitates in RTO sample

圖4 RTO試樣中TiC型析出物的XEDS譜Fig.4 XEDS spectrum of TiC precipitates in RTO sample

圖5和圖6是RTO試樣中Fe3C和Ti(C，N)析出物的高分辨圖像和電子衍射花樣。

2.2 納米鐵碳析出物對鋼的析出強化貢獻

2.2.1 析出強化的理論計算公式

析出強化是通過鋼中細小彌散的沉淀相，與位錯發(fā)生交互作用，造成對位錯運動的障礙，阻礙位錯運動，使鋼的強度提高的一種強化方式。

晶體中的位錯，在運動前方遇到沉淀相阻礙時，表現(xiàn)出兩種不同類型的交互作用，產(chǎn)生兩種不同類型的強化機制，一是位錯運動切割質(zhì)點，稱為切割機制;一是不穿過質(zhì)點，而是繞過它，并在其周圍留下位錯環(huán)，稱為繞過機制或Orowan機制。

按照T Gladman等采用的Ashby－Orowan修正模型的簡化公式可以計算鋼中細小析出粒子的析出強化作用［17］，粒子平均直徑大于40 nm時，析出強化貢獻不大。

式(5)中，σ是析出強化對屈服強度的貢獻(增量)，MPa;是析出粒子的平面截距直徑，μm;f是析出相的體積百分?jǐn)?shù)。

當(dāng)析出相粒子直徑很小，且與基體的界面張力較小，成共格或半共格析出時，根據(jù) Olson的工作［18～20］:

式(6)中，P是析出強化對鋼屈服強度的貢獻(增量)為位錯線張力函數(shù)，K對刃型位錯為(1－v)，對螺型位錯為1，對混合型位錯為泊松比，b為位錯的柏格斯矢量的絕對值=0.248 nm;G為切變彈性模量 =80650 MPa;γ =0.5 ～1 J/m2，為析出粒子與基體的界面能;d是第二相粒子直徑，μm;f是體積百分?jǐn)?shù)。

由式(5)、式(6)可見，鋼鐵材料第二相顆粒以切割機制強化時，其強化效果正比于第二相體積分?jǐn)?shù)的1/2次方和顆粒尺寸d的1/2次方，以繞過機制強化時，其強化效果正比于體積分?jǐn)?shù)的1/2次方，大致反比于顆粒尺寸d，即切割機制的強化效果隨粒子尺寸的增大而增大，繞過機制強化時，其強化效果隨粒子尺寸的增大而減小，存在一個臨界轉(zhuǎn)換尺寸 dc［18 ～20］:

由于體積分?jǐn)?shù)與粒徑d與dc難以確定，式(5)～式(7)實際上是一組定性公式。

2.2.2 析出強化貢獻的定量計算

Ti微合金化高強耐候鋼的屈服強度隨鋼中Ti含量的增加而提高，如圖7所示［6］。

圖7 帶鋼Ti含量、厚度和屈服強度的關(guān)系［6］Fig.7 Yield strength relationship between Ti content，strip thickness and yield strength of strip steels［6］

根據(jù)文獻［6］，［Ti］從0% ～0.1%左右，鋼的屈服強度隨Ti含量的提高而提高，不同含Ti鋼晶粒基本相近(見圖8)。含0.09%Ti的微合金高強度耐候鋼中，Ti對屈服強度的貢獻可達300 MPa以上，鋼的屈服強度可達700 MPa級。減去固溶強化與細晶強化的加和值，析出強化與位錯強化的貢獻應(yīng)在300 MPa以上。

圖8 厚度4 mm不同Ti含量高強度耐候鋼的顯微組織Fig.8 Microstructures of high strength weathering steel with 4 mm thickness and various Ti contents

文獻［6］用化學(xué)相分析和X射線小角散射研究了不同含Ti量鋼中納米TiC析出物的尺寸分布及體積百分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)隨鋼中Ti含量的提高，納米TiC的體積百分?jǐn)?shù)增加，認(rèn)為鋼的屈服強度的提高主要是由于納米TiC的析出強化作用。

用公式(5)計算出＜36 nm的納米TiC對Ti微合金化高強耐候鋼屈服強度的貢獻，結(jié)果見圖9。

圖9 小于36 nm的納米TiC對Ti微合金化高強耐候鋼析出強化的貢獻Fig.9 The contribution of TiC precipitate with smaller than 36 nm to the yield strength of Ti microalloyed high strength weathering steel

結(jié)果表明，計算得到的含Ti 0.09%的高強耐候鋼中 Ti對鋼析出強度的貢獻值(增量)僅為130 MPa左右，比實踐結(jié)果低約200 MPa。其原因主要是沒有考慮鋼中可能存在的納米Fe3C的影響。

為了證明這一點，用珠鋼含Ti 0.09%的高強耐候鋼重新作了一次化學(xué)相分析+X射線小角散射試驗。

在考慮析出粒子對屈服強度的貢獻時，應(yīng)對不同尺度粒子，分別根據(jù)繞過機制和切割機制，同時考慮不同析出物的共同貢獻。式(8)中:i為納米析出物;σsp1i為按繞過機制計算的析出強化對鋼屈服強度的貢獻;σsp2i為按切割機制計算的析出強化對鋼屈服強度的貢獻。

根據(jù)式(5)～式(7)及表4，表5數(shù)據(jù)，計算納米Fe3C和Ti(C，N)對Ti微合金化高強耐候鋼屈服強度的貢獻，結(jié)果見表7。

表7 納米Fe3C和Ti(C，N)對Ti微合金化高強耐候鋼析出強化的貢獻Table 7 Contribution of Fe3C and Ti(CN)nanosized precipitates to the yield strength of Ti microalloyed high strength weathering steel

計算時，TiC 的dc=1.5～6 nm，F(xiàn)e3C 的dc=4.7～10 nm，對納米TiC，不同粒度的納米粒子的析出強化作用均按繞過機制計算。對納米Fe3C，小于10 nm的粒子按切割機制計算，大于10 nm的粒子按繞過機制計算，計算結(jié)果與實際相符，見表8。

表8中同時列出了根據(jù)文獻［13］關(guān)于ZJ330及ZJ510數(shù)據(jù)的計算結(jié)果。進一步證實了納米鐵碳析出物的析出強化作用。

表8 屈服強度的計算值與實際值比較Table 8 Comparison of calculated yield strength values with those of actual measured

3 鋼綜合強化機理要點

1)HSLC鋼中存在納米鐵碳析出物，存在析出強化機理;在鈦微合金化的高強耐候鋼中，亦存在納米鐵碳析出物。Fe3C納米析出物的體積分?jǐn)?shù)大于同粒徑TiC的體積分?jǐn)?shù)。應(yīng)對不同種類及尺寸的納米粒子，根據(jù)位錯切割機理和位錯繞過機理，同時考慮它們的共同貢獻。

2)對低碳鋼可以采用下述計算公式。

式(9)中:i為納米析出物;σsp1i為按繞過機制計算的析出強化對鋼屈服強度的貢獻;σsp2i為按切割機制計算的析出強化對鋼屈服強度的貢獻。

計算析出強化貢獻所需的納米粒子體積分?jǐn)?shù)及平均粒徑，可通過化學(xué)相分析+X射線小角散射試驗確定。

3)鋼的綜合強化機理定義。

鋼的綜合強化機理是“鋼的屈服強度等于各種強化機理對鋼屈服強度貢獻之和”，是修正的加和法則。一定條件下，鋼的屈服強度等于固溶強化，細晶強化與析出強化之和。

4)對于細晶強化，Hall－Petch公式的應(yīng)用范圍與物理意義。

應(yīng)用范圍:a.單相金屬;b.Hall－Petch公式描述的是破斷強度與晶粒尺寸的關(guān)系;c.屈服強度與晶粒尺寸的關(guān)系沒有實驗數(shù)據(jù)，Petch只是expected破斷強度與下屈服點具有直線關(guān)系;d.如果有第二相析出，則公式需要修正，實際上晶粒越細，屈強比越高。

修正的Hall－petch公式中，Δσs為屈服強度，σ0包括相結(jié)構(gòu)和成分對固溶強化的影響以及析出強化，Ky為不同成分與組織鋼的屈服強度對晶粒尺寸的變化率。包括相結(jié)構(gòu)及第二相析出對晶界強度的影響。在固溶強化與細晶強化項中包括了相變強化或亞結(jié)構(gòu)強化。

5)在一定條件下，ρ＜1014/m2，位錯強化可以忽略。

6)筆者認(rèn)為，細晶強化與位錯強化不能加和［3］，是因其在計算細晶強化時，采用貝氏體，馬氏體板條束的寬度作為晶粒尺寸，而在貝氏體馬氏體形成過程中已經(jīng)伴隨著大量第二相納米粒子的析出和被納米粒子釘扎的位錯線產(chǎn)生。即在細晶強化的同時伴隨著析出和位錯強化的產(chǎn)生，加和等于重復(fù)計算。如果將晶粒尺寸考慮為鐵素體尺寸(近似地可視為奧氏體轉(zhuǎn)變之前的晶粒尺寸)，細晶強化符合Hall－Petch關(guān)系，此時細晶強化就可以與析出強化加和了。

4 鋼綜合強化機理及工程應(yīng)用

4.1 回火快冷技術(shù)

通過回火快冷(亞調(diào)質(zhì))處理，可使珠江鋼廠ZJ330成品板的屈服強度提高100 MPa以上［13］。

4.2 基于納米鐵碳析出物控制的新品種開發(fā)

4.2.1 HSLC 鋼

根據(jù)Hall－Petch公式，要使Q195和 Q235的屈服強度從傳統(tǒng)工藝的200 MPa提高到400 MPa，實現(xiàn)強度翻番是不可能的?；诎l(fā)現(xiàn)薄板坯連鑄連軋鋼中存在大量的納米鐵碳析出物，通過控軋控冷，控制納米鐵碳析出物的析出行為，珠江鋼廠與北京科技大學(xué)合作開發(fā)出了HSLC鋼。HSLC鋼是一種低碳錳系鋼，不含微合金元素V、Nb、Ti，但其力學(xué)性能與類似成分的HSLA鋼相當(dāng)(見表9)。

HSLC鋼具備各向同性特征，縱橫屈服強度、拉伸強度、延伸率比大多為 0.96 ～1.10［11］。

HSLC鋼強度高，塑性好，韌性也高。用作汽車板的ZJ510L的力學(xué)性能與低溫沖擊韌性見表10和表 11［4］。

表9 400 MPa級鋼的化學(xué)成分及室溫拉伸性能的對比Table 9 Comparison of chemical composition and room temperature strength in σs400 MPa steel grades

表10 珠鋼ZJ510L鋼板的平均力學(xué)性能Table 10 Average mechanical performance of ZJ510L produced by Zhujiang steel

表11 ZJ510L及ZJ550L在不同溫度下的夏比沖擊功Akv(J)Table 11 Charpy impact energy Akv(J)of ZJ510L and ZJ550L

4.2.2 集裝箱板及Ti微合金化的高強耐候鋼

基于對鋼中納米鐵碳析出物的控制，珠江鋼廠與北京科技大學(xué)合作在電爐－CSP生產(chǎn)線上，通過低碳、低氮控制及控軋控冷，生產(chǎn)出了C≤0.07%，Mn 0.25% ～0.5%，Si 0.25% ～0.50%，P 0.07%～0.12%，S≤0.01%，N ＜0.005%，Al＜0.04%的SPA－H集裝箱板，實際合金元素總含量小于1%，σs在400 MPa以上。珠鋼集裝箱板年產(chǎn)量占世界集裝箱板年總產(chǎn)量的1/4以上。

為了開發(fā)450 MPa級以上集裝箱板，考慮到通過納米析出物的析出強化貢獻，北京科技大學(xué)與珠江鋼廠合作，先后在實驗室和生產(chǎn)條件下開發(fā)出了Ti微合金化的高強耐候鋼。

珠江鋼廠開發(fā)出了鈦微合金化高強耐候鋼系列板，不同 Ti含量的鋼具有不同的強度級別。550 MPa級的Ti微合金化高強耐候鋼板做成的集裝箱比400 MPa級集裝箱板減重15%，如表12所示。

表12 新一代輕量化集裝箱減重效果Table 12 Results of weight reduction of new containers

4.2.3 正在開發(fā)的其他鋼種

基于對鋼中納米粒子析出強化的控制，北京科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)與鋼廠合作［21，22］，正在開發(fā)的鋼種見表13。

表13 正在開發(fā)的其他鋼種Table 13 Other steel grades under developing

4.3 基于納米鐵碳析出物控制的鋼的軟化

文獻［23］研究了基于納米鐵碳析出物控制的鋼的軟化，在略高于 A1溫度進行回火緩冷，使ZJ330鋼的屈服強度從350 MPa降低到220～250 MPa以下，結(jié)果見表14。

表14 A1附近溫度回火緩冷對ZJ330鋼力學(xué)性能的影響［4］Table 14 Effect of the tempering－slow cooling near temperature of A1 on the mechanical properties of ZJ330 steel［4］

4.4 基于納米鐵碳析出物控制的UHU工藝路線

王國棟院士發(fā)明了UFC超快冷技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)過程中鋼的納米析出物的控制觀點，作者認(rèn)為UHU工藝路線即UFC－Holding－UFC工藝路線對于寬厚板等的生產(chǎn)具有重要意義。它具有與薄板坯連鑄連軋類似的熱歷史，連續(xù)冷卻，可能使得在成品板材厚度較大的條件下，整個鋼材體積內(nèi)(邊部、中心)納米析出物的體積分?jǐn)?shù)相同，從而鋼的強度相同，生產(chǎn)出低成本高強度鋼材。UHU可使鐵素體+珠光體類型鋼屈服強度達700 MPa。UHU工藝路線亦即文獻［24］中提出的HTR－UFC－Holding－UFCCoiling工藝路線。

4.5 σb=1500 MPa先進高強鋼的技術(shù)分析

中國和韓國先進高強度鋼研究的主要目標(biāo)之一是生產(chǎn)σb=1500 MPa的結(jié)構(gòu)鋼材。根據(jù)對鋼中納米鐵碳析出物的控制思路和鋼的綜合強化機理，筆者認(rèn)為，在制備σb=1500 MPa高強結(jié)構(gòu)鋼時，應(yīng)采取下述技術(shù)措施。

4.5.1 增加固溶強化貢獻

根據(jù)Orowan位錯繞過機制，當(dāng)納米析出粒子的尺寸＞40 nm時，強化作用很小，應(yīng)采用快冷，減少＞40 nm碳化物消耗的碳量。尺寸＜40 nm鐵碳析出物和其他元素的碳化物消耗的碳含量較少，適當(dāng)提高鋼中碳含量會增加鋼中固溶的碳量。而自由碳原子對提高鋼的固溶強化貢獻很顯著。

此外，增加其他固溶合金元素的含量也可提高鋼的固溶強化貢獻(增量)。

4.5.2 增加析出強化貢獻

V、Nb、Ti、Mo等的納米碳化物會提高鋼的析出強化貢獻。但要注意納米鐵碳析出物的析出強化貢獻，研究V、Nb、Ti、Mo等對鋼中納米鐵碳析顆粒析出的影響。

4.5.3 提高回火溫度及冷卻速度

σb=1500 MPa的高強結(jié)構(gòu)鋼材，通常采用調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)回火快冷試驗結(jié)果。600℃時碳的擴散速度大，建議采用600℃左右的回火溫度和回火后水冷的工藝。

4.5.4 晶粒細化強化貢獻

σb=1500 MPa的高強結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)通過控軋控冷，細化轉(zhuǎn)變前奧氏體晶粒尺寸，增加細晶強化貢獻。

4.5.5 提高鋼的純潔度

鋼的綜合強化機理，從工藝上既要控制鋼的軋后冷卻過程，又要控制鋼的冶金質(zhì)量。提高鋼的純潔度是提高鋼納米析出貢獻的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

1)對薄板坯連鑄連軋HSLC鋼及鈦微合金化高強耐候鋼中的納米粒子的屬性進行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)尺寸＜36 nm的粒子主要為納米Fe3C及納米Ti(C，N)，鈦微合金化高強耐候鋼中粒徑＜36 nm的Fe3C的體積分?jǐn)?shù)為同尺度Ti(C，N)體積分?jǐn)?shù)的4.4倍，其析出強化作用較大，不可忽略。納米Fe3C及納米Ti(C，N)共同對熱軋鋼板起顯著的析出強化作用。

2)對鋼的綜合強化理論進行了討論，指出HSLC鋼中存在納米鐵碳析出物，存在析出強化機理，在鈦微合金化高強耐候鋼中，亦存在納米鐵碳析出物。應(yīng)對不同種類及尺寸的納米粒子，根據(jù)位錯繞過機制和位錯切割機制，同時考慮不同析出物的共同貢獻。

3)鋼的屈服強度等于不同的強化機理對鋼屈服強度貢獻之和，鋼的綜合強化機理是修正的加和法則。低碳鋼在一定條件下，對不同種類、不同尺寸的納米析出粒子，應(yīng)分別根據(jù)位錯切割和位錯繞過機理計算出析出強化貢獻，然后與固溶強化和細晶強化貢獻加和。

對于低碳鋼計算公式為:

其中，體積分?jǐn)?shù)及粒徑可用化學(xué)相分析 +X射線小角散射試驗確定，對鋼的析出強化貢獻及鋼的屈服強度進行了定量計算，計算結(jié)果與生產(chǎn)實際相符。

4)鋼的綜合強化機理已廣泛地應(yīng)用于工程。

5)對鋼中納米Fe3C和納米微合金元素碳氮化物的析出強化作用和鋼的綜合強化機理有待進一步研究。特別是對析出強化與位錯強化的交互作用，相變及相結(jié)構(gòu)對鋼強度的影響機理。微合金元素V、Nb、Ti、Mo等的作用機理，納米析出物的類型，結(jié)構(gòu)及析出動力學(xué)等方面還有待進一步研究。

致謝:衷心感謝中國科學(xué)院資深院士柯俊先生的指導(dǎo)、鼓勵與支持;感謝柳得櫓教授、康永林教授、王中丙先生對研究工作的幫助;研究生吳華杰、余健、王建鋒分別參加了文章部分研究工作，一并致謝。

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Comprehensive strengthening mechanism of steel based on nano-scale cementite precipitates

Fu Jie1，2，Li Guangqiang2，Yu Yueguang3，Mao Xinping4，F(xiàn)ang Keming1，2

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China;3.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100044，China;4.Guangzhou Zhujiang Steel Co.，Ltd.，Xiji Industrial Zone，Economic and Technical Development Zone，Guangzhou 510730，China)

This paper summarized the status of comprehensive strengthening mechanism of steel.By using chemical phase analysis，X-ray small-angle scattering，RTO and high-resolution TEM observation，the properties of nano-scale cementite precipitates in Ti micro-alloyed high strength weathering steels produced by thin slab continuous casting and rolling process were analyzed.Except nano-scale TiC，cementites precipitates less than 36 nm and high volume fraction were also found in Ti micro-alloyed high strength weathering steels.The volume fraction of cementite less than 36 nm is 4.4 times as much as that of TiC in the same size.Cementite with high volume fraction has stronger precipitation strengthening effect than that of nano-scale TiC，which can not be ignored.The precipitation strengthening contributions of nano-scale precipitates of different types and sizes should be calculated respectively according to the mechanisms of dislocation intersection and dislocation bypass，and then be added up with the contributions of solid solution strengthening and grain refinement strengthening.A formula for calculate the yield strength of low carbon steel is proposed，and the calculated yield strength considering the precipitation strengthening contributions of nano-scale precipitates and the comprehensive strengthening mechanism of steels matches the experimental results well.The calculated σs=630 ～ 676 MPa，while the examined σs=630 ～ 680 MPa.The reason for grain refinement strengthening can notdirectly plus dislocation strengthening and the performance form ofphase transformation’s influence on steel strength were debated.The applications for comprehensive strengthening theory were summarized，and several scientific questions for further study were put forward.

yield strength; nano-scalecementite; nano-scale titanium carbide; precipitation strengthening;comprehensive strengthening of steel

TG142.1

A

1009－1742(2011)01－0031－12

2010－10－08

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(50334010);新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究(973)項目(G1998061500)

傅 杰(1937—)，男，湖南湘潭市人，北京科技大學(xué)教授，研究方向為冶金與材料;E－mail:fujie9@gmail.com