李小兵，閔義，劉承軍，姜茂發(fā)

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M(M=Mg,Zr,Mg-Zr)添加對FH40船板鋼組織與力學(xué)性能影響

李小兵，閔義，劉承軍，姜茂發(fā)

(東北大學(xué)多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽，110819)

為揭示Mg，Zr及Mg-Zr在低合金鋼中的微合金化效果，以FH40船板鋼為研究對象，利用真空感應(yīng)爐、450型雙棍可逆軋機(jī)制備Mg，Zr及Mg-Zr處理工藝實(shí)驗(yàn)鋼，采用SEM和OM等手段觀察實(shí)驗(yàn)鋼鑄態(tài)和軋態(tài)組織，并對其力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)測定。研究結(jié)果表明：Mg和Zr加入FH40船板鋼中均減少鑄態(tài)組織中珠光體體積分?jǐn)?shù)，誘導(dǎo)針狀鐵素體組織的形核。同時(shí)Mg和Zr加入也細(xì)化鋼軋態(tài)組織，且單獨(dú)Mg加入的效果優(yōu)于單獨(dú)Zr和Mg-Zr復(fù)合加入的效果，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.072%Mg時(shí)，組織中鐵素體晶粒度由基準(zhǔn)鋼的9.69 μm細(xì)化至4.31 μm。單獨(dú)加入Mg鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到473 MPa和605 MPa，伸長率達(dá)到36.5%，?40 ℃沖擊韌性達(dá)到188 J，與未添加Mg-Zr鋼相比，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和伸長率分別提高38 MPa，70 MPa，68 J和8%。

FH40船板鋼；Mg；Zr；力學(xué)性能；粒狀貝氏體

隨著船體構(gòu)件的大型化和高強(qiáng)化，用戶對船體結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)度、韌性和焊接性提出了更高的要求。為滿足用戶要求，生產(chǎn)中常采用多元微合金化來保證船體結(jié)構(gòu)用鋼的綜合性能，其基本思想是根據(jù)軋制方法的不同，向鋼中加入微量Nb，Ti，Mo，V，B和RE等元素中的一種或幾種，阻止高溫奧氏體的長大，控制奧氏體的再結(jié)晶溫度，增加鐵素體的形核核心，并通過控軋控冷細(xì)化晶粒，從而達(dá)到提高船板鋼強(qiáng)韌性及焊接性能的目的。近來發(fā)現(xiàn)，隨著焊接工序中熱輸入能量的增加，船板鋼焊接熱影響區(qū)(HAZ)組織出現(xiàn)了嚴(yán)重粗化，HAZ韌性也發(fā)生明顯降低，這為船板鋼多元微合金化帶來了新的考驗(yàn)[1]。研究表明[2]：氧化物冶金技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)HAZ組織的細(xì)化，其技術(shù)關(guān)鍵是向鋼中引入某些強(qiáng)脫氧元素，形成大量細(xì)小、穩(wěn)定夾雜物粒子，在凝固過程中該類粒子促進(jìn)氮化物、硫化物、碳化物等的異質(zhì)形核，在相變過程中成為鐵素體的形核核心，誘導(dǎo)晶內(nèi)針狀鐵素體形核，實(shí)現(xiàn)組織的細(xì)化。金屬M(fèi)g，Zr與O，S親和力極強(qiáng)，其中Zr更是Ti的同族元素，其氧化物和Ti氧化物有著一些相近的物理化學(xué)性質(zhì)。一直以來，冶金學(xué)家主要關(guān)注Mg在鋼中的脫硫、脫氧[3?4]和變質(zhì)夾雜物作用[5?6]，而Zr則是奧氏體晶?？刂坪妥冑|(zhì)硫化物夾雜作用[7]，隨著研究的不斷深入，已有研究者開始關(guān)注Mg和Zr在高強(qiáng)度低合金鋼中的行為。Chai等[8?9]研究發(fā)現(xiàn)：微量 Mg和Zr 可顯著細(xì)化 Ti 處理鋼中的氧化物夾雜的尺寸，增加夾雜物的體積分?jǐn)?shù)，提高Ti 氧化物促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體的形核能力，從而提高鋼大熱輸入焊接時(shí)焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。生昌光 等[10]研究指出：Zr氧化物粒子將會成為Ti氧化物粒子的結(jié)晶形核點(diǎn)，形成Mn-Si-Ti-Zr-O+MnS復(fù)合夾雜物粒子能誘導(dǎo)晶內(nèi)針狀鐵素體形核。習(xí)天輝等[11]研究表明：微合金鋼添加0.01%~0.03%Zr能顯著提高鋼的韌性，金相組織分析發(fā)現(xiàn)，Zr添加除了略微降低珠光體體積分?jǐn)?shù)外，并沒其他影響。陳顏堂等[12]研究認(rèn)為加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.020%Zr對實(shí)驗(yàn)鋼調(diào)質(zhì)態(tài)的力學(xué)性能影響不明顯，但可顯著提高熱影響區(qū)力學(xué)性能。Zhu等[13?14]研究發(fā)現(xiàn)：Mg處理產(chǎn)生的細(xì)小粒子能有效誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核，改善HAZ組織與性能。但同時(shí)認(rèn)為，Mg處理并不能對鋼母材組織和性能產(chǎn)生顯著影響。Wen等[15]研究了不同冷卻制度下Mg處理對低碳鋼凝固組織，結(jié)果表明，Mg處理能影響低碳鋼凝固組織，而且在水冷條件下鋼中含Mg夾雜物能誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核。另外，Isobe[16]也研究了Mg添加對低碳鋼凝固組織的作用情況，結(jié)果表明，Mg添加有助于等軸晶的形核，并沒發(fā)現(xiàn)晶內(nèi)鐵素體?？偟膩砜?，盡管國內(nèi)外對Mg或Zr在低碳鋼中的應(yīng)用已有一些研究，但關(guān)于Mg和Zr添加對鋼母材組織與力學(xué)性能作用效果的研究仍相對較少，甚至存在一些不同的看法，主要包括：1) Mg和Zr是能否對低碳鋼母材組織產(chǎn)生影響；2) Mg和Zr是否能對低碳鋼母材力學(xué)性能產(chǎn)生影響。此外，目前Mg-Zr復(fù)合添加對鋼組織和性能作用效果并未見報(bào)道。基于此，本文作者以超高強(qiáng)度FH40船板鋼為研究對象，考察單獨(dú)添加Mg，Zr和Mg-Zr同時(shí)添加對實(shí)驗(yàn)鋼母材組織(鑄態(tài)和軋態(tài))和力學(xué)性能的影響。研究旨在對比單獨(dú)加入Mg，Zr及Mg-Zr同時(shí)添加對實(shí)驗(yàn)鋼組織與力學(xué)性能作用效果，為Mg-Zr處理工藝在鋼鐵冶金領(lǐng)域的應(yīng)用奠定實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

參照FH40船板鋼國標(biāo)成分，采用30 kg真空感應(yīng)爐冶煉實(shí)驗(yàn)鋼，其中金屬M(fèi)g采用Ni-10%Mg合金加入，金屬Zr采用純鋯加入?？紤]到鎂合金易揮發(fā)的特點(diǎn)，Ni-Mg合金加入前抽真空充氬，攪拌30 s后出鋼。將實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行光譜分析，得到其化學(xué)成分見表1，其中S1為基準(zhǔn)鋼，S2為Mg添加鋼，S3為Zr添加鋼，S4為Mg-Zr復(fù)合添加鋼。鑒于Mg和Zr含量較低，本文采用添加量來表征其在鋼中的含量。將鑄錠切頭切尾后鍛造成尺寸(長×寬×高)為100 mm×100 mm×100 mm的鋼錠，然后采用圖1所示的控軋控冷工藝(TMCP)，軋制實(shí)驗(yàn)在直徑450 mm四輥可逆軋機(jī)上進(jìn)行，將鍛料加熱至1 200 ℃，保溫2 h后，分別在再結(jié)晶溫度(nr為990 ℃)以上進(jìn)行初軋和再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行精軋，將鍛錠軋制成12 mm厚鋼板，終軋溫度在880~900 ℃，冷卻速度為10 ℃/s左右。

圖1 TMCP軋制工藝路線

表1 實(shí)驗(yàn)鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

注：實(shí)驗(yàn)鋼中Mg和Zr以加入量表示。

分別在鑄錠橫截面中心處、鋼板寬度1/4處截取尺寸(長×寬×高)為12 mm×12 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)打磨拋光后，采用3%硝酸酒精溶液對鋼組織進(jìn)行腐蝕，利用SSX?550TM掃描電鏡和ZEISS?Axio Imager M2m金相顯微鏡對實(shí)驗(yàn)鋼組織進(jìn)行分析，結(jié)合VNT.QuantLab-MG和ipp6.0圖像分析軟件分別對實(shí)驗(yàn)鋼組織中鐵素體晶粒度級別與不同組織構(gòu)成進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)。

依據(jù)GB/T 229—2007在鋼板寬度1/4處截取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm(V型槽)的橫向沖擊試樣；依據(jù)GB/T 228.1—2010在鋼板寬度1/4處截取縱向標(biāo)準(zhǔn)R7拉伸試樣，分別采用ZBC2502?D美特斯擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)和CMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫沖擊和室溫拉伸性能測試，采用SSX?550TM掃描電鏡對沖擊斷口形貌進(jìn)行觀察，確定試樣斷裂機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)鋼組織特征

2.1.1 鑄態(tài)組織

圖2所示為實(shí)驗(yàn)鋼鑄態(tài)凝固組織形貌。表2所示為實(shí)驗(yàn)鋼鑄態(tài)組織特征統(tǒng)計(jì)。

(a) S1；(b) S2；(c) S3；(d) S4

表2 實(shí)驗(yàn)鋼鑄態(tài)組織特征統(tǒng)計(jì)(體積分?jǐn)?shù))

本研究中鑄錠冶煉完畢置于空氣中冷卻，冷卻速率較低，因此，凝固組織主要由先共析多邊形鐵素體(PF)和珠光體(P)構(gòu)成，盡管如此，加入Mg和Zr后組織有明顯變化。由圖2(a)~(d)可知：單獨(dú)加入Mg和Zr和二者同時(shí)加入后，組織中均出現(xiàn)針狀鐵素體(AF)，珠光體量減少，針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)由大到小順序?yàn)椋篗g-Zr，Mg，Zr(見表2)。

2.1.2 軋態(tài)組織

圖3所示為軋后鋼板的光學(xué)顯微組織。由圖3可以看出：在相同TMCP軋制工藝下(圖1)，加入Mg和Zr后實(shí)驗(yàn)鋼軋態(tài)組織鐵素體晶粒得到不同程度的細(xì)化，見表3。S1原始鐵素體晶粒尺寸約9.69 μm，加入Mg和Zr的鋼S2，S3和S4鐵素體晶粒尺寸依次為4.31 μm，7.82 μm和6.18 μm?？梢?，加入Mg和Zr可以達(dá)到良好的晶粒細(xì)化效果，其中單獨(dú)添加0.072%Mg細(xì)化效果最明顯，細(xì)化了56%。

(a) S1；(b) S2；(c) S3；(d) S4

表3 實(shí)驗(yàn)鋼軋態(tài)組織鐵素體晶粒度評級及相比例

從組織形貌和構(gòu)成來看：基準(zhǔn)鋼由多邊形鐵素體(PF)、準(zhǔn)多邊形鐵素體(QF)和少量珠光體(P)構(gòu)成，且有明顯沿軋制方向的帶狀分布現(xiàn)象。加入0.072%Mg后，珠光體和鐵素體帶狀分布現(xiàn)象消失，基本演變?yōu)樨愂象w組織，主要包括粒狀貝氏體(GB)、針狀鐵素體(AF)和少量準(zhǔn)多邊形鐵素體組織，如圖4(a)所示。由圖4(a)可知：粒狀貝氏體小島是附著于鐵素體表面生長的，且呈無序粒狀。

加入0.03%Zr后，鐵素體帶狀分布特征和珠光體并未消失，與基準(zhǔn)鋼不同的是，產(chǎn)生了板條鐵素體，又稱貝氏體鐵素體(BF)，如圖4(b)所示。由圖4(b)可知：鐵素體亞結(jié)構(gòu)多由板條束構(gòu)成，并沒出現(xiàn)S2鋼中彌散的小島。

同時(shí)加入Mg和Zr后，鐵素體帶狀特征完全消失，出現(xiàn)了少量針狀鐵素體和貝氏體鐵素體。為了表征組織中貝氏體微觀形貌，用掃描電子顯微鏡對其貝氏體組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4(c)所示。由圖4(c)可見：該類貝氏體鐵素體組織也是小島附著于板條鐵素體表面的，但小島呈斷續(xù)的塊狀，且粒徑較S2大。

(a) S2；(b) S3；(c) S4

2.2 實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能

添加Mg和Zr對實(shí)驗(yàn)鋼?40 ℃沖擊性能的影響如圖5所示。從圖5(a)和(b)可見：單獨(dú)加入Mg與Mg-Zr同時(shí)加入均能提高FH40船板鋼的塑性功和裂紋擴(kuò)展功(從對應(yīng)的沖擊韌性曲線中讀取)，顯著改善船板鋼的沖擊韌性，而單獨(dú)加入Zr對其改善效果并不明顯，幾乎與未添加前保持同一水平。

(a) 沖擊性能參數(shù)；(b) 橫向沖擊功中裂紋擴(kuò)展功和塑性功

從改善效果來看：單獨(dú)加入Mg實(shí)驗(yàn)鋼沖擊功平均值由未添加前的120 J提高至188 J，提高了57%，而Mg-Zr同時(shí)加入實(shí)驗(yàn)鋼沖擊功平均值由未添加前的120 J提高至162 J，提高了35%?？梢姡罕狙芯恐性诟纳艶H40船板鋼沖擊韌性方面，改善效果由大到小順序?yàn)椋篗g，Mg-Zr，Zr。

圖6所示為實(shí)驗(yàn)鋼沖擊斷口SEM形貌。由圖6可見：未加Mg和Zr、單獨(dú)加Mg和Mg-Zr同時(shí)加入后，沖擊斷口均屬于典型的韌窩?微孔聚集型韌性斷裂，但加入Zr后，斷口卻出現(xiàn)部分脆性斷裂的跡象。

(a) S1；(b) S2；(c) S3；(d) S4

從斷口韌窩數(shù)量和形貌看：未加Mg和Zr鋼沖擊斷口韌窩較淺，韌窩深度并不均勻，且撕裂棱較淺。加入0.072%Mg后，斷口韌窩數(shù)量增多，韌窩深度均勻，韌窩深度明顯變深。加入0.03%Zr后，斷口韌窩數(shù)量較少，韌窩深度較淺，局部出現(xiàn)大的斷裂痕，斷裂機(jī)制也并不是完全的韌性斷裂，出現(xiàn)了部分脆性斷裂的跡象。將0.072%Mg和0.03%Zr同時(shí)加入后，斷口韌窩深度最大，且十分均勻，韌窩深度也較深，表現(xiàn)出良好的沖擊韌性。

圖7所示為實(shí)驗(yàn)鋼室溫拉伸性能測試結(jié)果。由圖7(a)和(b)可知：加入Mg和Zr后，實(shí)驗(yàn)鋼工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線和拉伸性能參數(shù)均有顯著變化。圖7(a)表明：所有實(shí)驗(yàn)鋼工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線中彈性變形階段幾乎重合，但是在屈服、塑性變形及縮頸變形階段呈現(xiàn)出不同特征。對比發(fā)現(xiàn)，除Mg加入鋼拉伸曲線屈服階段近似連續(xù)屈服外，其他實(shí)驗(yàn)鋼屈服現(xiàn)象均十分明顯。

(a) 室溫拉伸工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線；(b) 屈服階段放大圖；(c) 拉伸性能參數(shù)

同時(shí)加入Mg和Zr強(qiáng)度優(yōu)于單一加入強(qiáng)度，當(dāng)鋼中同時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.072%Mg和0.03%Zr時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高至490 MPa和620 MPa，較未加前分別提高13%和16%。

伸長率由大到小順序?yàn)椋篗g，Mg-Zr，未加Mg-Zr，Zr。單獨(dú)加入Mg鋼的伸長率達(dá)36.5%，較未加前提高27%?？梢姡簡为?dú)加入Mg塑性變形能力優(yōu)于單獨(dú)Zr和Mg-Zr復(fù)合加入的塑性變形能力，添加0.072%Mg有益于提高鋼的塑性變形能力，添加0.03%Zr并不益于塑性的提高。

3 分析與討論

3.1 Mg-Zr添加對實(shí)驗(yàn)鋼鑄態(tài)組織的影響

實(shí)驗(yàn)鋼組織分析表明：在連續(xù)空冷條件下，添加Mg和Zr均減少了珠光體體積分?jǐn)?shù)，并誘導(dǎo)針狀鐵素體組織的形核，針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)由大到小順序?yàn)椋篗g，Mg-Zr，Zr?；贛izoguchi等[2]提出的氧化物冶金原理知：針狀鐵素體是在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過程中，鐵素體優(yōu)先依附于某些特殊夾雜物質(zhì)點(diǎn)表面形核長大的，如果沒有夾雜物的出現(xiàn)，鋼中是不可能形成針狀鐵素體的。本文作者先前研究表明[17]，無論是Mg和Zr單獨(dú)添加還是Mg-Zr復(fù)合添加，實(shí)驗(yàn)鋼鑄錠中大量不規(guī)則Al2O3夾雜物分別變質(zhì)成MgO·Al2O3，ZrO2·Al2O3和MgO·ZrO2·Al2O3，且細(xì)小夾雜物(0.4~2.0 μm)數(shù)量均有增加。由此可見：添加Mg或Zr產(chǎn)生的大量細(xì)小夾雜物在連續(xù)空冷條件下起到了誘發(fā)針狀鐵素體形核的作用。針狀鐵素體位錯密度大，能有效抑制解理裂紋的快速蔓延，細(xì)化鋼的鑄態(tài)組織，這也為實(shí)驗(yàn)鋼后期加工處理組織的進(jìn)一步優(yōu)化提供了良好條件。

由圖2(a)~(c)可知：上述針狀鐵素體間殘存少量呈斷續(xù)的短片狀珠光體，這種珠光體稱為退化珠光體[18]。分析發(fā)現(xiàn)，該類針狀鐵素體和珠光體混合區(qū)域是由原始鋼中珠光體區(qū)域演變而來，之所以區(qū)域中珠光體形貌發(fā)生變化，是由于Mg和Zr添加影響了鋼凝固過程中碳元素的擴(kuò)散速率導(dǎo)致的。從鐵液中元素間相互作用系數(shù)可見：Mg對C相互作用系數(shù)為正數(shù)(0.07[19])，它的引入會在一定程度上增加c，促進(jìn)鋼中碳元素?cái)U(kuò)散。相反Zr對C相互作用系數(shù)為負(fù)數(shù)(?0.07[19])，它的引入?yún)s會在一定程度上降低c，抑制鋼中碳元素?cái)U(kuò)散?？芍?，盡管單獨(dú)Mg和Zr加入均促進(jìn)了退化珠光體的產(chǎn)生，但二者作用機(jī)理并不相同。Mg是通過促進(jìn)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變過程中碳的擴(kuò)散，使珠光體分布更為均勻零散，從而導(dǎo)致原來呈片層狀的珠光體演變?yōu)閿嗬m(xù)狀的短片珠光體。由于Zr對C作用系數(shù)為負(fù)，對碳擴(kuò)散具有抑制作用，之所以也能形成碎片的退化珠光體，是因?yàn)閆r本身是強(qiáng)碳化物形成元素，其與碳的親和力遠(yuǎn)大于鐵與碳的親和力。因此Zr的加入會通過形成相應(yīng)碳化物影響珠光體中碳化物(Fe3C)的分布，從而導(dǎo)致珠光體區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體與滲碳體相間的混合相。

3.2 Mg-Zr添加對實(shí)驗(yàn)鋼軋態(tài)組織的影響

軋態(tài)組織分析證實(shí)，在圖1軋制工藝下，無論單獨(dú)加入Mg還是Mg-Zr同時(shí)加入，組織中均產(chǎn)生了粒狀貝氏體，原始鋼并不存在這種現(xiàn)象。祝凱[14]也對Mg處理低碳鋼軋態(tài)組織進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，無論是鋼板橫向還是縱向，Mg處理工藝對鋼板母材的組織形態(tài)基本沒有影響?；谏鲜龇治隹芍?，本研究條件下加入Mg和Zr顯著影響了實(shí)驗(yàn)鋼軋態(tài)組織形貌。

根據(jù)相變原理，粒狀貝氏體屬于過冷奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，一般在上貝氏體形成溫度以上和奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w最高溫度以下溫度范圍內(nèi)形成，這些粒狀小島在高溫下是富碳奧氏體區(qū)。目前關(guān)于粒狀貝氏體強(qiáng)韌性問題仍存在分歧，有研究者認(rèn)為這種組織韌性差，屈強(qiáng)比低；也有研究者認(rèn)為粒狀貝氏體中(M-A)島彌散細(xì)小分布及板條基體的有效晶粒尺寸小時(shí)具有高強(qiáng)韌性。就本文研究結(jié)果來看，本文作者傾向于后者觀點(diǎn)，認(rèn)為研究中產(chǎn)生的細(xì)小粒狀貝氏體有效地細(xì)化了實(shí)驗(yàn)鋼軋態(tài)組織，同時(shí)由于其近似球形，各向同性，能起到第二相強(qiáng)化作用，顯著改善了鋼的力學(xué)性能。胡玉和[20]討論了影響鋼中粒狀貝氏體形成因素，認(rèn)為冷卻速度及冷卻方式、合金成分及奧氏體原始狀態(tài)會其形成產(chǎn)生影響。由于本研究中考察變量是Mg和Zr的添加量，因此，研究中S2和S4鋼中產(chǎn)生的粒狀貝氏體可歸功于Mg和Mg-Zr添加誘導(dǎo)產(chǎn)生的。此外對比發(fā)現(xiàn)，盡管Mg和Mg-Zr復(fù)合添加均產(chǎn)生了粒狀貝氏體，但二者小島尺寸和形貌并不相同，單獨(dú)Mg加入小島呈無序粒狀，粒徑小，Mg-Zr同時(shí)加入小島呈斷續(xù)的塊狀，粒徑大。由于小島也是富碳相，因此研究認(rèn)為，產(chǎn)生上述現(xiàn)象也應(yīng)歸咎于Mg和Zr對碳元素?cái)U(kuò)散速率的影響導(dǎo)致的。

Lu B H, Lan H B, Liu H Z. Additive manufacturing frontier: 3D printing electronics. Opto-Electronic Advances 1, 170004 (2018).

3.3 Mg-Zr添加對實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響

力學(xué)性能分析表明：單獨(dú)加入Mg和Mg-Zr同時(shí)加入均顯著改善鋼的強(qiáng)度、韌性和塑性，單獨(dú)Zr加入改善鋼強(qiáng)度，但韌性和塑性降低。軋態(tài)組織分析表明，單獨(dú)加入Mg和Zr，同時(shí)加入Mg和Zr均在不同程度上細(xì)化了鐵素體晶粒，由Hall-Petch關(guān)系式[21]可知：鐵素體晶粒細(xì)化均會在一定程度上提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，這成為添加Mg和Zr后鋼強(qiáng)度增加的原因。根據(jù)強(qiáng)化機(jī)制理論，細(xì)晶強(qiáng)化是所有強(qiáng)化方式中唯一能同時(shí)改善強(qiáng)度和韌性的方式，可見，細(xì)晶強(qiáng)化作用在單獨(dú)加入Mg和Mg-Zr同時(shí)加入鋼力學(xué)性能改善方面發(fā)揮顯著作用。對于單獨(dú)加入Zr鋼強(qiáng)度增加、韌性和塑性降低現(xiàn)象，分析認(rèn)為，在本研究條件下，添加0.03%Zr后其在鋼中細(xì)晶強(qiáng)化作用較弱，其他強(qiáng)化機(jī)制占主要(如析出強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化等)，從而出現(xiàn)強(qiáng)度升高，韌性和塑性降低的現(xiàn)象。同時(shí)，0.03%Zr添加后也并未消除鐵素體帶狀分布特征和珠光體相，這也會在一定程度上影響其力學(xué)性能。

實(shí)驗(yàn)鋼工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線表明：單獨(dú)加入Mg后曲線中屈服平臺并不明顯，而且Mg和Zr同時(shí)加入后其屈服平臺相對單獨(dú)加入Zr和原始鋼也有減弱。由于低碳鋼中出現(xiàn)的屈服現(xiàn)象，是位錯與溶質(zhì)原子的交互作用在力學(xué)性能上的強(qiáng)烈反應(yīng)，其明顯程度決定于位錯密度的高低，因貝氏體的亞結(jié)構(gòu)是位錯，晶體中的位錯密度較高，強(qiáng)化作用較大，受力時(shí)位錯之間的相互作用強(qiáng)烈，應(yīng)變硬化的行為突出，所以含貝氏體較多的鋼可能出現(xiàn)屈服階段不明顯的現(xiàn)象。由此可見，單獨(dú)Mg加入鋼屈服平臺不明顯的現(xiàn)象可能與組織中大量粒狀貝氏體有關(guān)。

4 結(jié)論

1) Mg和Zr加入FH40船板鋼鑄態(tài)組織中均減少了珠光體體積分?jǐn)?shù)，誘導(dǎo)了針狀鐵素體組織的形核。

2) Mg和Zr加入FH40船板鋼中均能細(xì)化鋼的軋態(tài)組織，且單獨(dú)Mg加入的效果優(yōu)于單獨(dú)Zr和Mg-Zr復(fù)合加入的效果，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.072%Mg時(shí)，組織中鐵素體晶粒度由基準(zhǔn)鋼的9.69 μm細(xì)化至 4.31 μm。

3) 單獨(dú)加入Mg鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到473 MPa和605 MPa，伸長率達(dá)到35%，?40 ℃沖擊韌性達(dá)到188 J，與未添加Mg和Zr鋼性能相比，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和伸長率分別提高了38 MPa，70 MPa，68 J和8%。

[2] Mizoguchi S, Takamura J. Control of oxides as inoculants metallurgy of oxides in steel[C]//Proceedings of Sixth International Iron and Steel Congress.Nagoya: ISIJ, 1990: 2331?2342.

[3] YANG Jian, Kuwabara M, Okumura K, et al. Prevention of resulfurization process with magnesium vapor producedby aluminothermic reduction of magnesium oxide[J]. ISIJ International, 2005, 45(12): 1795?1803.

[4] 李尚兵, 王謙, 何生平. 鎂合金對鋼液脫氧脫硫的作用[J]. 鋼鐵釩鈦, 2007, 28(2): 74?77. LI Shangbing, WANG Qian, HE Shengping. Effect of magnesium alloy on deoxidation and desulphurization of molten steel[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2007, 28(2): 74?77.

[5] Fu J, Yu Y G, Wang A R, et al. Inclusion modification with Mg treatment for 35CrNi3MoV steel[J]. Journal of Materials Science Technology, 1998, 14(1): 53?56.

[6] Kim H S, Chang C H, Lee G. Evolution of inclusions and resultant micro-structural change with Mg addition in Mn/Si/Ti deoxidize steel[J]. Scripta Materials, 2005, 53: 1253?1258.

[7] HE Kejian, Baker T N. Zr-containing precipitates in a Ti-Nb microalloyed HSLA steel containing 0.016 wt.% Zr addition[J]. Materials Science and Engineering A, 1996, 215: 57?66.

[8] CHAI Feng, YANG Caifu, SU Hang, et al. Effect of magnesium on inclusion formation in Ti-killed steels and micro-structural evolution in welding induced coarse-grained heat affected zone[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2009, 16(1): 69?74.

[9] Chai F, Yang F, Su H, et al. Effect of zirconium addition to the Ti-killed steel on inclusions formation and microstructural evolution in welding induced coarse-grained heat affected zone[J]. Acta Metallurgical Sinica (English Letters), 2008, 21(3): 220?226.

[10] Masamitsu W, Takashi S, Show M. Effect of Ti-Zr oxide particles on MnS precipitation in low S steels[J]. Iron and Steel, 1996, 82(7): 593?598.

[11] 習(xí)天輝, 陳曉, 李平和, 等. Zr含量對微合金鋼組織和性能的影響[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 26(4): 339?342. XI Tianhui, CHEN Xiao, LI Pinghe, et al. Effects of Zr content on microstructure and properties of micro-alloyed steels[J]. Journal of of Wuhan University of Science & Technology (Natural Science Edition), 2003, 26(4): 339?342.

[12] 陳顏堂, 丁慶豐, 陳曉. Zr對鋼中夾雜物的變質(zhì)作用及對熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2006, 31(1): 76?78. CHEN Yantang, DING Qingfeng, CHEN Xiao. Effect of Zr addition on inclusion modification and microstructure and mechanical properties of HAZ[J]. Metal Heat Treatment, 2006, 31(1): 76?78.

[13] ZHU Kai, YANG Zhenguo. Effect of Mg addition on the ferrite grain boundaries misorientation in HAZ of low carbon steels[J]. Journal of Materials Science Technology, 2011, 27(3): 252?256.

[14] 祝凱. Mg處理冶煉工藝對船板鋼母材和焊接熱影響區(qū)影響的研究[D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系, 2011: 40?48. ZHU Kai. The influences of Mg treatment on the base metal and welding heat affected zone in ship plate steel[D]. Shanghai: Fudan University. Department of Material Science, 2011: 40?48.

[15] Wen B, Song B, Pan N, et al. Effect of SiMg alloy on inclusions and microstructures of 16Mn steel[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2011, 38(8): 577?683.

[16] Isobe K. Effect of Mg addition on solidification structure of low carbon steel[J]. ISIJ International, 2010, 50(12): 1972?1980.

[17] 李小兵, 王德永, 劉承軍, 等. Mg-Zr處理對FH40級船板鋼鑄態(tài)夾雜物特征影響[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 35(4): 529?533. LI Xiaobing, WANG Deyong, LIU Chengjun, et al. Effect of Mg-Zr combined treatment on characteristics of inclusions in FH40 ship-building steel ingots[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2014, 35(4): 529?533.

[18] Ohmori Y. The isothermal transformation of plain carbon austenite[J]. Trans ISIJ, 1971(11): 1161?1164.

[19] 陳家祥. 煉鋼常用圖表數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2010: 758?759. CHEN Jiaxiang. Common use chart and thermodynamic data for steelmaking[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2010: 758?759.

[20] 胡玉和. 中溫轉(zhuǎn)變的粒狀貝氏體[J]. 金屬熱處理學(xué)報(bào), 1980, 1(1): 15?25. HU Yuhe. On the granular bainitc structures formed at inter-mediate range[J]. Transactions of Metal Heat Treatment, 1980, 1(1): 15?25.

[21] 劉靖, 鹿守理. 低碳鋼組織與力學(xué)性能關(guān)系[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 24(2): 208?210. LIU Jing, LU Shouli. Relationship between microstructure and properties in low carbon steel[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2002, 24(2): 208?210.

Effect of M(M=Mg,Zr,Mg-Zr) addition on microstructure and mechanical properties in FH40 ship plates steel

LI Xiaobing, MIN Yi, LIU Chengjun, JIANG Maofa

(Key Laboratory for Ecological Metallurgy of Multimetallic Mineral (Ministry of Education),Northeastern University, Shenyang 110819, China)

In order to reveal the function of Mg, Zr and Mg-Zr micro-alloying in low carbon low micro-alloyed steel, the FH40 ship plates containing different Mg and Zr contents were refined with vacuum induction furnace and rolled with double-stick reversible rolling mill, and the characteristics of casted and rolled microstructure and mechanical properties were investigated with SEM and OM. The results show that after adding Mg or Zr, for the casted microstructure, the pearlite volume fraction is reduced, and that the acicular ferrites are nucleated. The grain size in rolled microstructure is refined by the addition of Mg and Zr, and Mg addition is better than the others. With the addition of 0.072%Mg, the grain size is reduced from 9.69 to 4.31 μm. The promoting function of Mg-Zr treatment in microstructure refinement is found to increase in the sequence of Zr, Mg-Zr and Mg. Single Mg addition makes the yield strength, tensile strength, elongation and transverse impact energy (?40℃) of FH40 steel increase to 473 MPa, 605 MPa and 36.5%, 188 J respectively, increasing by 38 MPa, 70 MPa, 68 J and 8% compared with that of FH40 steel without Mg-Zr addition.

FH40 ship plates steel; magnesium; zirconium; mechanical properties; granular bainite

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.005

TG142.1

A

1672?7207(2015)10?3586?08

2015?02?13；

2015?05?04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374059，51374060)；遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2012221013)(Projects (51374059, 51374060) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2012221013) supported by Programs of Liaoning Province for Science and Technology Development)

李小兵，博士，從事大線能量焊接用鋼開發(fā)研究；E-mail：417858881@qq.com

(編輯 陳愛華)