劉志橋，馮慶曉，李化龍，李騰飛

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

低碳貝氏體鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、焊接性能良好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于建筑、車輛、工程機(jī)械、造船和鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域[1-3]。低碳貝氏體鋼中一般會添加Nb、V、Ti等微合金元素，利用其析出強(qiáng)化提高強(qiáng)度。作為一種近終形生產(chǎn)技術(shù)，雙輥鑄軋與傳統(tǒng)熱軋?jiān)谏a(chǎn)工藝控制方面存在很大區(qū)別[4-6]。目前對傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)低碳貝氏體鋼的研究比較深入，但對雙輥鑄軋工藝生產(chǎn)低碳貝氏體鋼的研究較少。雙輥鑄軋工藝在生產(chǎn)低碳貝氏體鋼時(shí)，由于高溫段停留時(shí)間短、卷取溫度低、冷卻速度快等原因，鋼中添加的微合金素不能完全析出，不能充分發(fā)揮強(qiáng)化作用。本文以雙輥鑄軋工藝生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼為研究對象，研究了在后續(xù)退火過程中，Nb的時(shí)效析出行為以及退火工藝對組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為雙輥鑄軋產(chǎn)線生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼(厚度1.20 mm)，其主要化學(xué)成分如表1所示。利用箱式退火爐，將試驗(yàn)鋼以40 ℃/s的加熱速度從室溫加熱到500 ℃進(jìn)行保溫，每間隔1 h取樣，然后空冷至室溫，研究保溫時(shí)間的影響；將試驗(yàn)鋼快速加熱到550、600、650、700、750和800 ℃，保溫3 min后空冷，研究退火溫度的影響。對原始態(tài)和退火態(tài)的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測、顯微組織和析出物觀察。拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》執(zhí)行，試樣為P5試樣，在Instron 5585拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試；利用萃取復(fù)型方法和JEOL-2100F場發(fā)射透射電鏡對析出物進(jìn)行觀察。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 保溫時(shí)間對組織的影響

圖1為試驗(yàn)鋼在500 ℃退火不同時(shí)間的顯微組織。圖1(a)為未退火原始態(tài)的組織，主要為粒狀貝氏體，其形態(tài)為在鐵素體團(tuán)上分布著細(xì)小的碳化物。貝氏體組織是一種不穩(wěn)定組織，在退火過程中必然會向平衡組織變化，發(fā)生貝氏體分解[7]。圖1(b)為保溫8 h 后的顯微組織，可以看出組織中的碳化物數(shù)量和尺寸相比于原始態(tài)均增加，這是因?yàn)樨愂象w發(fā)生分解時(shí)，貝氏體中過飽和的鐵素體基體中的固溶碳會以碳化物的形式析出。圖1(c)為保溫14 h后的顯微組織，可見隨著保溫時(shí)間的增加，貝氏體會繼續(xù)發(fā)生分解，此時(shí)組織中出現(xiàn)了大塊狀鐵素體。

圖1 500 ℃退火不同時(shí)間后試驗(yàn)鋼的顯微組織

2.2 保溫時(shí)間對力學(xué)性能的影響

圖2為在500 ℃退火時(shí)，保溫時(shí)間對試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響。其中Original代表未進(jìn)行退火的原始試樣；保溫時(shí)間0 h代表剛加熱到試驗(yàn)溫度，隨即空冷的試樣。從圖2可以看出，未退火的原始態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為571 MPa和656 MPa，隨著保溫時(shí)間的增加，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸上升，伸長率變化不大。保溫時(shí)間達(dá)到15 h時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為694 MPa和733 MPa，相對于原始態(tài)試樣，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別增加了123 MPa和77 MPa。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與保溫時(shí)間接近線性關(guān)系，通過擬合分析發(fā)現(xiàn)，保溫時(shí)間每增加1 h，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加約5 MPa。

圖2 退火時(shí)間對試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響

2.3 退火前后的析出物

圖3(a，b)為未退火原始態(tài)試樣的析出物形貌和能譜?？梢钥闯?，在未退火原始態(tài)試樣中，析出物尺寸為200～300 nm，其主要成分為O、Al、Si、S、Mn、Ti、Cr、Fe等元素(譜圖中的Cu元素為放置碳膜的銅格柵成分)。根據(jù)成分中分析，在未退火原始態(tài)試樣中的析出物主要是細(xì)小的氧化物(如SiO2)、硅酸鹽(如2FeO·SiO2)和硫化物(如MnS，F(xiàn)eS)等夾雜物。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，雙輥鑄軋工藝的澆鑄時(shí)間短、鋼液冷卻速度快，因而產(chǎn)品中的夾雜物更加細(xì)小，而且呈類球形態(tài)[8]。圖3(c，d)為在500 ℃保溫10 h后，試樣的析出物形貌和能譜?？梢钥闯?，試樣的析出物尺寸為50～60 nm，其主要成分為O、Cr、Fe、Nb等元素，這說明在退火過程中，發(fā)生了含Nb析出物的時(shí)效析出。

圖3 退火前后試驗(yàn)鋼中析出物形貌(a, c)及EDS圖譜(b, d)

圖4為500 ℃保溫10 h試樣中析出物的元素分布情況，可以看出，夾雜物形成元素O呈均勻分布，而Nb呈不均勻分布，主要分布在圖中箭頭處，這說明退火過程中，Nb會依附于原夾雜物上復(fù)合析出。

圖4 500 ℃退火10 h試驗(yàn)鋼中析出物元素分布

2.4 退火溫度對力學(xué)性能的影響

圖5為保溫時(shí)間為3 min時(shí)，退火溫度對力學(xué)性能的影響?？梢钥闯?，退火溫度在650 ℃以下時(shí)，隨著退火溫度的升高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率逐漸增加；退火溫度650 ℃，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，與原始態(tài)對比，分別增加了77、38 MPa。在650 ℃以上時(shí)，隨著退火溫度繼續(xù)升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，伸長率繼續(xù)增加。當(dāng)退火溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，試樣的強(qiáng)度低于原始態(tài)的強(qiáng)度。

圖5 退火溫度對試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響

2.5 分析與討論

原始態(tài)試樣中的組織為粒狀貝氏體，該組織是一種不穩(wěn)定組織，在退火過程中，隨著保溫時(shí)間的增加，會持續(xù)發(fā)生分解。貝氏體是一種強(qiáng)化組織，發(fā)生分解時(shí)，會轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛷?qiáng)度的鐵素體+碳化物組織，因而隨著保溫時(shí)間的增加會導(dǎo)致試樣強(qiáng)度逐漸下降。但是，雙輥鑄軋工藝在生產(chǎn)低碳貝氏體鋼時(shí)，由于高溫段停留時(shí)間短、卷取溫度低、冷卻速度快等原因，鋼中添加的Nb不能完全析出。鋼中固溶的Nb，在后續(xù)退火過程中，會以碳化物的形式細(xì)小彌散地析出，起到析出強(qiáng)化的作用，使試樣的強(qiáng)度逐漸增加[9-10]。因而，在退火過程中會發(fā)生兩個(gè)相反的變化過程，一方面貝氏體的分解會導(dǎo)致強(qiáng)度下降，另一方面Nb的析出強(qiáng)化作用會使強(qiáng)度增加。在500 ℃進(jìn)行保溫退火時(shí)，由于Nb的析出強(qiáng)化占主導(dǎo)作用，所以隨著保溫時(shí)間的增加，試樣的強(qiáng)度會逐漸上升。進(jìn)行不同溫度保溫 3 min 退火時(shí)，在650 ℃以下，由于溫度低，貝氏體分解較弱，同時(shí)Nb的析出物細(xì)小，析出強(qiáng)化效果強(qiáng)，所以屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會逐漸增加；在強(qiáng)度增加的同時(shí)，伸長率也略微增加，這主要是因?yàn)殡p輥鑄軋工藝生產(chǎn)低碳貝氏體鋼時(shí)，冷卻速度較大，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，在試驗(yàn)鋼中產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，退火時(shí)內(nèi)應(yīng)力得到釋放，因而退火后伸長率會增加。退火溫度在650 ℃以上時(shí)，由于溫度高，貝氏體分解速度加快，同時(shí)含Nb的析出物會粗化，所以隨著退火溫度繼續(xù)升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會逐漸降低，伸長率會逐漸增加。

3 結(jié)論

1)在500 ℃退火溫度下，隨著保溫時(shí)間的增加，低碳貝氏體鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸上升，伸長率變化不大。

2)采用雙輥鑄軋工藝生產(chǎn)低碳貝氏體鋼時(shí)，由于高溫段停留時(shí)間短、卷取溫度低、冷卻速度快等原因，鋼中添加的Nb不能完全析出，通過后續(xù)退火處理，可使Nb以碳化物形式析出，從而使強(qiáng)度增加。

3)退火溫度在650 ℃以下時(shí)，隨著退火溫度的升高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率逐漸增加；退火溫度為650 ℃，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。650 ℃以上退火時(shí)，隨著退火溫度繼續(xù)升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，伸長率繼續(xù)增加。