劉陽春，白鳳霞，徐 彬，張云鶴，李 蓓，張世龍

（1.首鋼集團有限公司技術研究院,北京 100434；2.首鋼集團北京首鋼股份有限公司,河北 遷安 064404）

0 引言

近年來鈦的細晶強化和析出強化作用得到了普遍重視，鈦作為單一微合金化元素添加到鋼中也得到了廣泛應用[1?3]。

目前對鈦微合金化的研究和應用主要集中在碳含量<0.10%的低碳鋼品種。Liu 等[4]從理論上計算了Ti 的碳化物在奧氏體中的等溫析出曲線，所用試驗鋼的碳含量為0.05%，鈦含量為0.05%～0.25%。Turkdogan[5]對高強度低合金鋼中氮化物和碳氮化物析出的原因及影響進行了研究。Saikaly 等[6]研究了TiC 的析出行為以及對鋼屈服強度的貢獻，試驗鋼的化學成分體系是0.085C-0.23Si-0.96Mn，Ti含量為0.045%～0.130%，結合適當?shù)臒峒庸すに?，TiC 對試驗鋼屈服強度的貢獻可達100～250 MPa。Soto 等[7]研究了0.07C-(0.04-0.13)Ti 鋼的固溶鈦含量隨溫度的變化情況，平衡條件下，TiC 的析出溫度范圍約為 1 150～800 ℃，隨著Ti 含量的增加，TiC開始析出溫度逐步升高；當溫度低于800 ℃時，鋼中的固溶Ti 幾乎全部析出。霍向東等[8]以普通集裝箱板的化學成分為基礎，研究了鈦含量對熱軋帶鋼組織和力學性能的影響：鈦含量變化對鐵素體晶粒尺寸影響不大，隨鋼中鈦含量增加，TiN 尺寸增大，TiC 體積分數(shù)增加，粒子平均尺寸減小，產(chǎn)生顯著的沉淀強化作用。

另一方面，對含有更高碳含量的鋼種應用鈦微合金化研究和應用很少。王建鋒等[9]對鈦微合金化Q345E 鋼進行了試驗研究，該鋼的碳含量為0.12%～0.15%，鈦含量為0.025%～0.035%，認為強度增加主要是鈦細晶強化及沉淀強化作用引起的。趙小婷等[10]研究了鈦含量對碳錳鋼厚板力學性能的影響，該鋼的碳含量為0.16% 左右，分別添加0.08%、0.14%、0.18%的鈦，認為隨著試驗鋼中Ti含量的增加，強度、韌性呈下降趨勢，與析出更多的未溶粗大TiC 粒子有關。

筆者選擇典型的0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼，該化學成分體系鋼碳含量為0.17% 左右，應用極其廣泛。對該鋼添加不同含量的鈦元素進行微合金化，探討鈦含量對含碳為0.17%左右的低碳錳鋼組織和力學性能的影響。

1 試驗材料和方法

試驗所用的0.17C-0.30Si-1.40Mn 鋼取自某鋼廠。其冶煉工藝流程是：鐵水預處理→210 t 轉爐冶煉→LF 爐精煉→板坯連鑄→精整→入庫。2 160 mm 熱連軋機軋制工藝流程是：板坯加熱→高壓水除鱗→二機架可逆式粗軋機粗軋→六機架連軋式精軋機精軋→層流冷卻→卷取→入庫。

按照相同的冶煉工藝冶煉6 爐碳含量為0.17%的低碳錳鋼，其化學成分體系是0.17C-0.30Si-1.40Mn，并且分別向鋼中添加0、0.020%、0.030%、0.040%、0.050% 和0.070% 的鈦，然后均采用相同的軋制工藝軋制成熱軋板卷，其中終軋溫度為840 ℃，卷取溫度為600 ℃，軋成板卷厚度為11.50～15.75 mm。

熱軋板卷逐卷取樣進行力學性能測試、金相組織檢驗和透射電鏡觀察，以此探討鈦含量對含碳0.17%低碳錳鋼組織和力學性能的影響。拉伸試樣取樣方向與軋制方向垂直，拉伸試驗在室溫下進行。在熱軋板卷寬度四分之一處切取金相試樣，用標準程序制樣后再用 4% 硝酸酒精溶液侵蝕，借助徠卡DMI5000M 倒置金相顯微鏡進行顯微組織觀察，并利用Imagepro-plus 軟件測量晶粒尺寸。采用碳復型萃取方法制作薄膜樣品，利用 JEM2100F 型透射電鏡觀察碳膜上附著的析出相粒子。

2 試驗結果

2.1 化學成分

表1 是6 爐試驗鋼的主要化學成分。其中1號樣未添加鈦鐵，2～5 號樣分別含有0.021%、0.032%、0.038%、0.054%和0.073%的鈦含量。

表1 6 爐試驗鋼的主要化學成分Table 1 Main chemical compositions of 6 heats of test steel %

2.2 力學性能

將表1 中的6 爐試驗鋼軋制成熱軋板卷，拉伸性能檢測結果如圖1 所示，其中屈服強度ReL、抗拉強度Rm和延伸率A的數(shù)據(jù)均為各爐若干熱軋板卷平均值?？梢钥闯?，在相同的生產(chǎn)工藝條件下，含碳0.17% 低碳錳鋼添加微合金化元素鈦可以產(chǎn)生明顯的強化作用：當鈦含量≤0.020% 時，強度緩慢提高，延伸率少量降低；當鈦含量為0.021%～0.038%時，強度顯著提高，延伸率明顯降低；當鈦含量大于0.038%時，強度增加趨緩，延伸率進一步降低。鈦含量為0.021%～0.073% 時，鈦對試驗鋼屈服強度的貢獻可達10～145 MPa。

圖1 鈦含量對0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼拉伸性能的影響Fig.1 Effect of titanium content on tensile properties of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbon-manganese steel

對表1 中的6 爐試驗鋼軋制成的熱軋板卷進行系列溫度沖擊試驗：每個板卷各取1 組系列沖擊試樣，每1 個試驗溫度取3 個沖擊試樣，3 個沖擊試樣實測數(shù)據(jù)的平均值作為該卷在各試驗溫度下的沖擊試驗數(shù)值；沖擊試樣方向為縱向，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。試驗結果如圖2 所示，其中各數(shù)據(jù)點數(shù)值為各熱軋板卷在各試驗溫度下沖擊功數(shù)值的平均值?？梢钥闯觯弘S著鋼中鈦含量的增加，鋼的沖擊功則不斷下降。

圖2 鈦含量對0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼系列溫度沖擊性能的影響Fig.2 Effect of titanium content on temperature impact properties of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbonmanganese steel

2.3 顯微組織

對6 爐試驗鋼熱軋板卷的顯微組織進行檢測，部分板卷的顯微組織如圖3 所示。由圖3 可以看出，試驗鋼組織均由鐵素體+珠光體+少量魏氏體組成；隨著鋼中鈦含量的增加，熱軋板卷的晶粒尺寸略微變細。

圖3 鈦含量對0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼熱軋板卷顯微組織的影響Fig.3 Effect of titanium content on microstructures of hot rolled coil of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbon-manganese steel

圖4 是6 爐試驗鋼熱軋板卷的晶粒尺寸檢測結果，圖中數(shù)據(jù)均為各爐若干熱軋板卷晶粒尺寸平均值?？梢钥闯觯S著鋼中鈦含量自0 增加至0.073%，平均晶粒尺寸自8.33 μm 減小至6.50 μm，鋼的晶粒尺寸略微細化。

圖4 鈦含量對0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼平均晶粒尺寸的影響Fig.4 Effect of titanium content on average grain size of hot rolled coil of 0.17C-0.30Si-1.40Mn low carbonmanganese steel

2.4 含鈦析出物

透射電鏡觀察和能譜分析表明，對表1 中6 爐試驗鋼添加鈦元素，隨鋼中Ti 含量由0 增加到0.073%，很難觀察到TiN，但是均能夠觀察到Ti4C2S2、Ti(CN)和TiC，Ti 含量越高，這些顆粒的數(shù)量越多，尤其是隨鋼中Ti 含量增高，TiC 顆粒的數(shù)量急劇增加。Ti4C2S2、Ti(C,N)和部分大尺寸TiC顆粒尺寸大多約10 ～100 nm，大量微細TiC 顆粒尺寸一般＜10 nm。

例如2 號試驗鋼添加0.021% 鈦元素，其試樣中的含鈦析出物形貌及其能譜分析如圖5 所示，圖中23 號和26 號顆粒是Ti(C,S)，24 號和25 號顆粒是Ti(C,N)，27 號和28 號顆粒是TiC。

圖5 含鈦0.021%試驗鋼試樣中的含鈦析出物形貌及其能譜分析Fig.5 Morphology and energy spectrum analysis of titanium precipitates in sample of testing steel bearing 0.021% titanium

圖6 是含鈦0.032%～0.073%試驗鋼試樣的碳復型透射電鏡照片，顯示隨鋼中鈦含量增加，能夠沉淀析出大量的TiC 顆粒。這些TiC 顆粒形狀呈不規(guī)則狀態(tài)分布，邊界不甚清晰，少量沿鐵素體晶界析出，大部分在鐵素體晶粒內部析出，大部分顆粒尺寸≤10 nm。

圖6 含鈦0.032%～0.073%試驗鋼試樣中的TiC 顆粒形貌Fig.6 Morphologies of TiC particals in sample of testing steel bearing 0.032%～0.073% titanium

3 分析與討論

3.1 鈦含量對鋼力學性能的影響

有很多文獻對鈦在鋼中的析出行為及其對力學性能的影響進行了大量的研究，得到了很多有益的試驗結果，例如文獻[11] 研究了碳含量為0.055%耐大氣腐蝕鋼SPA-H 鋼中鈦含量與屈服強度的關系，發(fā)現(xiàn)針對碳含量為0.055%的低碳錳鋼，強度隨Ti 含量轉變的2 個拐點分別是0.045%和0.095%。然而本論文研究結果表明：針對碳含量為0.17%的低碳錳鋼，雖然強度隨鈦含量轉變的曲線形狀與文獻中大致相似，但是強度隨Ti 含量轉變的2 個拐點分別是0.020%和0.038%，二者明顯不同。

上述差異可以這樣定性解釋：文獻采用常規(guī)耐大氣腐蝕鋼SPA-H 進行鈦微合金化，其碳含量為0.055%左右，而本論文采用0.17C-0.30Si-1.40Mn低碳錳鋼進行鈦微合金化，其碳含量為0.17%左右，碳含量明顯高出很多，而碳含量的大幅增加可以大大加快鋼中Ti(C,N)、Ti4C2S2和TiC 顆粒的沉淀析出，因而使強度隨鈦含量轉變的2 個拐點提前出現(xiàn)。

因此鈦對鋼力學性能的影響還是比較復雜的，至少鈦對鋼的力學性能的影響還與鋼中碳含量有關，至于鈦含量對含有更高碳含量的鋼，例如中碳鋼（≥0.30%）和高碳鋼（≥0.60%）的力學性能的影響還幾乎沒有文獻報道。

3.2 鈦含量對鋼晶粒尺寸的影響

根據(jù)Hall-Petch 公式[12?13]，對于鐵素體+珠光體類型低碳鋼，屈服強度σs與鐵素體晶粒尺寸有如下關系：

式中，ky為系數(shù)，對于大角度晶界，其值為15.1～18.1 MPa·mm1/2（低碳鋼中常采用17.4 MPa·mm1/2）；d為鐵素體晶粒平均直徑，mm。

由圖3 和圖4 可以看出鈦對0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼的顯微組織影響不大，僅能使其晶粒尺寸略微減小。例如，鋼中添加0.073%的鈦，僅能使其平均晶粒尺寸由8.20 μm 細化至6.50 μm，根據(jù)Hall-Petch 公式可以計算得出細晶強化增量為：

圖1 顯示，0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼添加0.073%鈦，其熱軋板卷屈服強度平均值提高145 MPa，因此晶粒細化的強化作用極其有限，貢獻率僅有24/145=16.6%。

對上述定量計算結果可以定性解釋為：現(xiàn)代冶煉流程普遍采用潔凈鋼生產(chǎn)工藝技術，包括深脫氧、深脫硫、低氮鋼、鋼水殘余元素控制等技術，以及全過程保護澆注技術等，使鋼中的氮、氧、硫等元素控制在較低水平，并且還往往向鋼中添加一定數(shù)量的鋁，因此能夠與鈦化合形成TiN 或者Ti(CN)的氮實在太少。例如本論文所用試驗鋼氮含量很低（僅有0.002 1%～0.003 1%），即使鋼中添加更多的鈦元素，也難以析出TiN 顆粒，只能析出少量的Ti(N,C)或者Ti4C2S2顆粒，而且尺寸較大（如圖5 所示），只能起到微弱的細晶強化作用，這樣就可以很好地解釋圖3 和圖4 的試驗結果。

3.3 鈦微合金化鋼的強化機理

根據(jù)Gladman 等人對Ashby-Orowan 修正模型的處理[14]，細小粒子的沉淀強化作用可表示為：

其中，σd為沉淀強化對鋼屈服強度的貢獻，MPa；r為平均粒子半徑，μm；μ為剪切系數(shù)，對于鋼材（鐵素體）其值為80.26×103MPa；b為柏氏矢量，2.48×10?4μm；f為第二相粒子的體積分數(shù)。

要估算TiC 顆粒的沉淀強化作用，需要確定TiC 顆粒的平均顆粒半徑和TiC 顆粒的體積分數(shù)，目前的相關試驗不能確定這2 個參數(shù)，因此無法利用公式3 來計算鋼中TiC 顆粒的沉淀強化作用。

透射電鏡分析表明：針對0.17C-0.30Si-1.40Mn低碳錳鋼，隨鋼中Ti 含量由0 增加到0.073%，很難觀察到TiN 顆粒，但是能夠觀察到少量的尺寸較大的Ti4C2S2、Ti(CN)顆粒，以及大量的微細TiC 顆粒，Ti 含量越高，這些微細TiC 顆粒的數(shù)量越多，根據(jù)公式（3）就可以定性推斷：盡管鋼中存在的大量的微細TiC 顆粒的本質及其析出過程有待進一步澄清，但根據(jù)其尺寸和分布特征，它們在鋼中能夠起到強烈的沉淀強化作用，因此鋼中主要強化方式是大量微細TiC 顆粒所產(chǎn)生的強烈的沉淀強化作用。

正是因為鈦在0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼中只能起到微弱的細晶強化作用，主要強化方式是大量微細TiC 粒子所產(chǎn)生的沉淀強化作用，因此含碳0.17%碳鋼中加入越多鈦，鋼的延伸率和沖擊功下降就越多，其系列溫度沖擊曲線上沒有明顯的韌脆轉折點。

4 結論

1）鈦對0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼組織和力學性能的影響是：結合適當?shù)臒峒庸すに?，鈦含量?.021%～0.073% 時，鈦對試驗鋼屈服強度的貢獻可達10～145 MPa。當鈦含量≤0.020%時，強度緩慢提高；當鈦含量為0.021%～0.038%時，強度顯著提高；當鈦含量大于0.038% 時，強度增加趨緩。鈦加入到含碳0.17%低碳錳鋼中越多，鋼的延伸率和沖擊功下降就越多，其系列溫度沖擊曲線上沒有明顯的韌脆轉折點。鈦對鋼的顯微組織影響不大，僅能使其晶粒尺寸略微減小。

2）鈦微合金化0.17C-0.30Si-1.40Mn 低碳錳鋼的強化機理是：鋼中添加一定數(shù)量的鈦元素，只能沉淀析出少量的Ti(N,C)和Ti4C2S2顆粒，尺寸較大，只能起到微弱的細晶強化作用；但是鈦在鋼中能夠沉淀析出大量的細微TiC 顆粒，能夠產(chǎn)生強烈的沉淀強化作用，因此鈦微合金化含碳0.17%低碳錳鋼的主要強化方式是大量細微TiC 析出相粒子所產(chǎn)生的沉淀強化作用。

3）鈦含量對低碳錳鋼力學性能的影響還與鋼中碳含量有關，鋼中碳含量不同，強度隨鈦含量轉變曲線上的2 個拐點也不相同。