謝 爽

（1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201999；2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室（寶鋼），上海 201999）

1 微合金低碳鋼概述

自上世紀(jì)五十年代以來，全球鋼鐵領(lǐng)域逐步應(yīng)用了添微合金元素的方式來提升鋼材使用性能這一方式，這也為鋼材在力學(xué)性能方面的增強奠定了堅實的基礎(chǔ)。其中使用最為廣泛的微合金元素主要是Ti和Nb，具備良好的析出強化效果，將其與TMCP工藝進行深度結(jié)合，能夠讓鋼材具備更高的強度、焊接性能以及沖擊韌性。在勘探技術(shù)并不發(fā)達的年代，人們一度將Ti視作稀有金屬的一種，而在科學(xué)技術(shù)水平不斷進步的背景之下，各類含鈦礦物也層出不窮，加之人們已經(jīng)探明了鈦于地殼中的含量在總質(zhì)量中的占比為0.42%，遠遠高于銅、鉛、鎳、鋅這類元素，并且我國有著極為豐富的鈦金屬含量，同時由于鈦冶煉技術(shù)水平得到了突飛猛進的提升，鈦的價格持續(xù)下降，這充分表明了Ti金屬在工業(yè)應(yīng)用之中具備較為廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

當(dāng)前我國常用的微合金鋼都是將Nb、Ti復(fù)合化為核心，但由于Nb在地殼中的儲量遠遠少于Ti，其價格相對較為昂貴，因此人們逐步嘗試降低Nb微合金化的含量，不斷提升了Ti的占比，更有部分研究人員僅僅進行Ti合金化，同樣取得了一定的效果。杜開平等在超快速冷卻條件之下對Ti微合金鋼中的納米碳化物進行了研究，并深入分析了其強化作用，結(jié)果顯示在Ti微合金鋼之中有著數(shù)量眾多的納米級尺寸FexC、TiC析出物；王長軍對CSP工藝Ti微合金鋼的析出特征和強化機理進行了研究，結(jié)果顯示Ti與Mn含量越高，那么其中的小角度晶界分布比例也就越高，同時其中的TiC例子系數(shù)數(shù)量也有了較大幅度的提升。

2 實驗材料及方法

本次試驗主要是選擇了五種不同Ti含量梯度的低碳鋼作為實驗材料，具體如表1所示。其中的Ti含量由0.019%遞增至0.070%。通過真空感應(yīng)加熱爐來分別冶煉低碳鋼，在完成冶煉之后利用鋸床進行加工，生成 35×20×8 cm 的小塊，并將其置于1200℃的電阻爐中持續(xù)保溫4.5h，接著利用Φ450×450mm二輥可逆式軋機1250℃保溫0.5h的兩階段控制軋制之后方可成形。其中二階段的開軋溫度為950℃，終軋溫度為860℃。

表1 實驗鋼檢測化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

鋼錠開坯厚度達到了80mm，成品厚度達到3.0mm，整個軋制過程包含了4道次的粗軋以及4道次的精軋，在粗軋過程中有著69%的總變形量，而在精軋過程中的變形量則有32%。在軋制完成之后，選取其中的金相樣沿軋向進行制備觀察，通過4%的硝酸酒精溶液完成腐蝕作用，并利用Zeiss Axio-Lab A1顯微鏡來完成試樣的觀察，通過Image-Pro Plus 6.0來對其晶粒尺寸進行統(tǒng)計歸納，并利用Tecnai G2 F20 場發(fā)射透射電子顯微鏡來對鋼板實際析出情況進行觀察。同時沿著鋼板軋制方向選擇拉伸試樣，在Instron拉伸試驗機中進行力學(xué)性能的測試，拉伸的具體尺寸如圖1所示。

3 測試結(jié)果分析

3.1 熱軋板顯微組織

由鋼熱軋實驗后所生成的金相組織能夠得知，如若Ti的含量小于0.042%，那么鐵素體在晶粒尺寸方面的變化并不大，一般在9.4μm左右；如若Ti的含量高于0.042%，那么鐵素體的晶粒尺寸就會隨著Ti含量的提升而變得更為細小，特別是在Ti含量為0.07%時，鐵素體晶粒尺寸就會到達谷值，一般在6.4μm左右。從相組成上而言，如若Ti的含量小于0.05%，那么整個組織大都呈現(xiàn)出多邊形鐵素體以及數(shù)量較少的珠光體；如若Ti的含量超過了0.05%，那么Ti含量越多，組織中就會出現(xiàn)相應(yīng)的貝氏體，且數(shù)量和Ti含量成正比。

3.2 力學(xué)性能

熱軋板軋制方向的具體力學(xué)性能如表2所示。由表中的數(shù)據(jù)能夠得知，Ti含量越多，那么就會導(dǎo)致實驗鋼的屈服強度、屈服比以及抗拉強度不斷上升，延伸率不斷下降，同時屈服強度與抗拉強度的上升臨界點是Ti含量為0.042%時。

表2 熱軋板力學(xué)性能

3.3 強化機制分析

對于鋼材力學(xué)性能而言，成分以及加工工藝是最為關(guān)鍵的影響因素，本實驗所采取的五組實驗鋼有著相近的加工工藝，主要是探討Ti含量對實驗鋼力學(xué)性能所產(chǎn)生的影響，并結(jié)合低碳鋼強化機制來進行深入的分析。低碳鋼主要強化機制包含了固溶強化、沉淀強化以及細晶強化，其屈服強度如下列公式所示：

其中，σ0主要指的是晶格摩擦應(yīng)力，在低碳鋼中的取值達到了48MPa；σs分別指的是固溶強化、σg細晶強化、σd位錯強化以及σp沉淀強化。

細晶強化主要是利用Hall-Petch公式來進行表達，具體如下：

其中d主要指的是鐵素體的平均晶粒尺寸，指的是比例系數(shù)，在低碳鋼中的取值達到了17.4MPa。

根據(jù)實驗研究數(shù)據(jù)能夠得知，在一般稀固熔體之中，固溶強化效應(yīng)的表達如下：

其中主要指的是固溶態(tài)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，鐵素體中固溶碳含量w（C）的數(shù)值是0.01%；銅、錳、鉻、硅、鎳以及磷這類元素都是以固溶態(tài)形式存在于低碳鋼之中，而Ti則和氮、碳、硫這類元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，進而生成相應(yīng)的化合物，在鐵基中的鈦含量相對較低，其所具備的強化作用基本可以忽略不計。

在對沉淀強化增量進行計算的過程之中，通過實驗所析出的Ti（C，N）是一種硬質(zhì)相，在變形時位錯無法有效切開，故而其強化機制主要使用了不可變形顆粒強化理論-Orowan理論，其強化主要源自位錯繞過析出相發(fā)生彎曲而留下 Orowan 位錯環(huán)而產(chǎn)生的額外應(yīng)力。

由于TiN在奧氏體中有著相對較低的溶解度，一般認(rèn)為在均熱條件之下1100℃時，大部分TiN都能夠被析出，且有著較為粗大的出相顆粒。并且Ti也極易和S發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而生成Ti4C2S2，這樣便會對硫化物的實際夾雜狀態(tài)進行改變。但由于其所析出的粒子尺寸相對較大，并不會產(chǎn)生較為明顯的沉淀強化作用，因此主要是通過TiC這一析出例子來達成強化作用。通過計算能夠得出TiC的體積分?jǐn)?shù)f以及沉淀強化增量△P，具體如表3所示。

表3 實驗鋼的物理參數(shù)

從表中的數(shù)據(jù)能夠得知，在使用強化模型之后，所獲取的沉淀強化增量和實測值基本吻合，且強度隨著Ti含量的變化能夠產(chǎn)生相應(yīng)的變化，和有效鈦隨Ti含量變化趨勢基本相同。因此細晶強化對實驗鋼的強度增長做出了最大的貢獻，而沉淀強化則是引發(fā)試驗鋼在力學(xué)性能方面產(chǎn)生差異的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)過本次實驗研究發(fā)現(xiàn)，在Ti含量不斷提升之下，鋼材的屈服強度、屈服比以及抗拉強度也會隨之上升，而延伸率也會有效下降，鐵素體中所析出的數(shù)量眾多TiC顆粒是引發(fā)實驗鋼強度隨鈦含量變化以 Ti%=0.042%為界斜率呈現(xiàn)較大差異的關(guān)鍵因素。 鈦微合金鋼中，當(dāng) Ti 含量低于 0.042%時，Ti含量的提高對晶粒細化影響很小；當(dāng) Ti 含量高于 0.042%時，隨Ti 含量提高晶粒細化效果顯著增強。細小的 Ti C 顆粒可以抑制原始奧氏體晶粒長大和再結(jié)晶過程。采用 Hall-Petch 細晶強化公式和 Ashby-Orowan 沉淀強化模型計算得到的屈服強度與實測值有較好的吻合性，細晶強化對強度增量的貢獻最大，而沉淀強化是導(dǎo)致五組實驗鋼力學(xué)性能差異的主要原因。因此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)明確認(rèn)識到微合金化對低碳鋼組織及性能所產(chǎn)生的直接影響，在后續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)之中選擇合理的工藝來全面提升低碳鋼的具體性能，進而保障工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)工作的順利開展。