林軒藝,王紅鴻,鄢文澤

(武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,湖北 武漢,430081)

含Nb低合金高強鋼(HSLA)具有強度高、韌性好且加工性能優(yōu)等特點,被廣泛應用于汽車工業(yè)、建筑、航空航天等領域[1-4]。Nb元素主要通過細晶強化和沉淀強化來提升鋼的力學性能[5-6]。Nb微合金化可促使軋制過程中納米級第二相粒子Nb(C,N)的析出,一方面起到釘扎奧氏體晶界、阻止晶粒長大的作用,并且能抑制先共析鐵素體相變,促進針狀鐵素體形核;另一方面,基體中彌散分布的Nb(C,N)還起到釘扎位錯,阻礙位錯滑移的作用[7-8]。有研究表明[9],當Nb含量低于0.04%時,細晶強化是主要強化機制,而當 Nb含量超過0.04%,細晶強化帶來的強度增量基本不變,此時鋼強度增加則主要依靠沉淀強化。由此可見,Nb添加量對HSLA鋼組織與性能影響較大。于慶波等[10]研究了熱處理溫度對不含Nb和Nb含量為0.015%鋼奧氏體晶粒尺寸的影響,結果顯示,當加熱溫度達到1240 ℃,Nb含量為0.015%的鋼中奧氏體晶粒會突然長大,而不含Nb鋼奧氏體晶粒尺寸沒有明顯變化。Siradj[11]研究了Nb含量對HSLA鋼奧氏體晶粒長大行為的影響,結果表明,高Nb高C鋼的奧氏體晶粒生長速率慢于低Nb低C鋼。Lee等[12]研究表明,隨著Nb含量從0增加至0.081%,微合金鋼鐵素體轉變開始溫度與貝氏體轉變開始溫度均降低,晶粒尺寸呈減小趨勢。唐正友等[13]模擬了不同Nb含量TRIP鋼的熱軋過程,發(fā)現(xiàn)鋼的抗拉強度與硬度均隨著Nb含量的增加而提高,但殘余奧氏體含量隨之下降。研究顯示,添加適量Nb(0.01%～0.02%)保證了鋼焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)沖擊韌性,但過量Nb則會促進貝氏體轉變,導致鋼韌性下降[14-15]。由此看來,添加Nb對HSLA鋼力學性能的提升并不總是起到正向作用,故如何確定合適的Nb添加量對于提升HSLA鋼力學性能具有重要的研究價值,而目前關于Nb添加量超過0.08%的研究還報道較少。

為此,本文在HSLA鋼中添加不同質量分數(shù)的Nb元素(0～0.180%),研究了Nb含量對鋼微觀組織和力學性能的影響,以期為HSLA鋼工業(yè)生產(chǎn)中的合金成分設計提供參考。

1 試驗材料與方法

本研究設計了4種Nb含量不同的低合金高強鋼,采用控軋控冷技術(TMCP)工藝軋制得到12 mm厚鋼板,測得各試驗鋼的成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分(wB/%)

從各鋼板上截取塊狀金相樣品,依次經(jīng)打磨、拋光后,利用4%硝酸酒精溶液腐蝕5～8 s,利用Olympus BM51型光學顯微鏡觀察各試樣的微觀組織,并采用截線法估測各試驗鋼的平均晶粒尺寸(誤差為標準差);利用Nova 400 Nano型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察鋼中析出相形貌、成分及分布,并對0.085%Nb和0.180%Nb鋼樣中析出相尺寸和數(shù)量進行統(tǒng)計(各選取6個放大倍數(shù)為10 000倍的視場)。依據(jù)GB/T228.1-2021,在鋼板上截取尺寸如圖1所示的試樣,在DNS600萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗。根據(jù)GB/T229-2020,在鋼板上切取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標準夏比V型缺口沖擊試樣(缺口角度為45°,缺口根部半徑為0.25 mm,缺口深度為2 mm),分別在-20、-40、-60 ℃低溫條件下進行平行于軋向(橫向)和垂直于軋向(縱向)的沖擊實驗(設備為ZBC2602-B擺錘式?jīng)_擊實驗機),各試驗鋼的沖擊吸收功取3組實驗的平均結果,誤差為標準差。

圖1 室溫拉伸實驗試樣尺寸(單位:mm)

2 實驗結果

2.1 試驗鋼的顯微組織

圖2為試驗鋼的金相組織,可以看出,Nb-free鋼組織由粗大的多邊形鐵素體(PF)和少量貝氏體(B)組成,平均晶粒尺寸為(11.84±1.53)μm;添加少量Nb時,對應0.025%Nb鋼組織由針狀鐵素體(AF)和貝氏體組成,平均晶粒尺寸減至(5.04±0.57)μm;隨著Nb含量繼續(xù)增加,0.085%Nb和0.180%Nb鋼組織均以貝氏體為主,其平均晶粒尺寸依次為(4.51±0.19) μm和(4.61±0.48) μm,其中0.180%Nb鋼的平均晶粒尺寸略大,0.085%Nb鋼平均晶粒尺寸的標準差最小,表明該鋼晶粒最為細小且分布更均勻。

(a)Nb-free鋼 (b)0.025%Nb鋼

圖3所示為0.085%Nb和0.180%Nb鋼中析出相形貌、成分及分布。結合圖3和表1可知,由于試驗鋼中未添加其他碳化物形成元素,故鋼中析出相只能為NbC或Nb(C,N)。鋼中析出相均為亮白色顆粒狀,彌散分布在基體和晶界處,隨著Nb含量增加,析出相尺寸和數(shù)量均有所增加,統(tǒng)計得到0.085%Nb鋼樣所選視場中共有188個尺寸在50～300 nm范圍含Nb析出相,0.180%Nb鋼樣所選視場共有275個尺寸分布在100～600 nm的含Nb析出相。

(a)0.085%Nb鋼

2.2 試驗鋼的力學性能

表2所示為試驗鋼的室溫拉伸力學性能。由表2可見,相比于Nb-free試樣,添加微量Nb元素(w(Nb)=0.025%)鋼的屈服強度Rel和抗拉強度Rm均明顯提升,其增幅依次為33.1%和14.8%,隨著Nb含量由0.025%增至0.180%,鋼的強度值提升幅度減緩,其增幅僅為4.4%和15.4%,計算得到相應試驗鋼的屈強比也由91.5%降至82.8%。試驗鋼的塑性指標(延伸率A和斷面收縮率Z)隨著Nb含量的升高略有下降,其中0.025%Nb鋼的塑性最佳。

表2 試驗鋼的室溫拉伸力學性能

試驗鋼沿縱向和橫向的低溫沖擊實驗結果如圖4所示。由圖4(a)可知,實驗溫度范圍(-20～-60 ℃),Nb-free鋼的縱向沖擊吸收功波動明顯,在-60 ℃下進行沖擊實驗時,Nb-free鋼沖擊吸收功僅為229 J,此溫度下鋼低溫韌性較差;添加不同含量Nb后,試驗鋼的縱向沖擊吸收功較為穩(wěn)定,維持在240～250 J范圍,隨著實驗溫度的降低,試驗鋼沖擊吸收功甚至略有提升,表明Nb微合金化提高了HSLA鋼的縱向低溫韌性。由圖4(b)可知,在實驗溫度范圍,0.180%Nb鋼的橫向沖擊吸收功隨著溫度降低而減小,當實驗溫度為-60 ℃時,該鋼橫向沖擊吸收功僅為201J;0.025%Nb鋼橫向沖擊吸收功在-20、-40 ℃下較為穩(wěn)定,約245 J,而在-60 ℃下降低至227 J;Nb-free鋼和0.085%Nb鋼的橫向沖擊吸收功在實驗溫度范圍保持穩(wěn)定,其中0.085%Nb鋼的橫向沖擊吸收功最高,維持在245 J附近。

(a)縱向沖擊吸收功

綜合考慮不同溫度下橫向和縱向沖擊實驗結果,當Nb含量為0.085%時,試驗鋼的低溫沖擊韌性最為穩(wěn)定。

3 討論

3.1 晶粒尺寸對鋼力學性能的影響

晶粒尺寸對鋼強度的影響可由Hall-Petch關系得到,即[16]:

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中:σs為鋼的屈服強度,σ0可近似為單晶體屈服強度,k為Hall-Petch常數(shù),d為平均晶粒尺寸。本研究中,相比于Nb-free鋼,0.025%Nb鋼平均晶粒尺寸降低明顯,而0.085%Nb鋼和0.180%Nb鋼的晶粒尺寸相差不大,這與表2中鋼的強度變化規(guī)律相符。另外,有研究表明,當w(Nb)≤0.04%時,細晶強化為該類鋼的主要強化機制[9],而細晶強化對鋼屈服強度的影響相較于其對抗拉強度的影響更為顯著,這會導致0.025%Nb鋼屈強比較大,達到91.52%。若屈強比過高,鋼在發(fā)生屈服后會迅速斷裂,對結構件的安全性造成不利影響[17]。由此可見,利用Nb微合金化來提高低碳鋼強韌性的同時,還應注意對屈強比的控制。

由表2還可知,4組鋼的塑性較好,延伸率均超過20%,最高達到27.8%。Nb-free鋼組織主要由多邊形鐵素體構成,故其塑性較好,而鋼中添加一定量Nb元素后,由于硬質相貝氏體增多[8,13]以及晶粒細化作用,產(chǎn)生更多晶界,當裂紋擴展至晶界時需消耗更多能量,這使得Nb微合金化鋼兼具良好的強韌性。

3.2 析出相對鋼力學性能的影響

從圖4可以看出,添加Nb元素后,試驗鋼的低溫沖擊韌性有明顯改善。綜合縱向和橫向低溫沖擊實驗結果來看,0.085%Nb鋼的低溫沖擊吸收功隨溫度變化的波動幅度最小,且每組數(shù)據(jù)誤差最小,表明0.085%Nb鋼的低溫沖擊韌性在4組試驗鋼中是最穩(wěn)定的。

含Nb鋼的C、Nb的平衡溶解溫度可由下式計算[18]:

lgw[Nb]w[C]=2.06-6700/T

(2)

由此計算得到0.025%Nb鋼、0.085%Nb鋼、0.180%Nb鋼中NbC沉淀的溶解平衡溫度分別為1108.54、1281.0、1418.93 ℃,即隨著Nb含量增加,試驗鋼中將有更多NbC析出。

結合圖3可知,0.085%Nb鋼組織中觀察到彌散分布的納米級NbC析出,尺寸在50～300 nm范圍,這可以有效抑制奧氏體晶粒長大,故0.085%Nb鋼呈現(xiàn)晶粒細小且均勻的組織結構。當Nb含量增至0.180%時,析出相數(shù)量增多,組織中觀察到一些尺寸大于500 nm的析出相,而這些粗大的析出相對材料的強韌性提升并無明顯促進作用[19-20],其組織均勻性不如0.085%Nb鋼,這也使得0.180%Nb鋼低溫沖擊韌性不穩(wěn)定且數(shù)據(jù)波動較大。另外,在這些較大尺寸的析出相周圍也更容易產(chǎn)生應力集中,導致其延伸率下降。綜上所述,0.085%Nb鋼的微觀組織最為均勻,同時其低溫沖擊韌性也最為穩(wěn)定,由此可見,HSLA鋼的低溫韌性穩(wěn)定性很可能與組織均勻性密切相關。

4 結 論

(1)不含Nb的試驗鋼主要由粗大的多邊形鐵素體及少量貝氏體和針狀鐵素體組成,其平均晶粒尺寸最大,隨著Nb含量增加,鋼中貝氏體增多,晶粒逐漸細化,當Nb含量為0.085%時,試驗鋼平均晶粒尺寸最小。

(2)隨著Nb含量的增加,鋼中析出的NbC數(shù)量逐漸增多,但當Nb含量為0.180%時,鋼中觀察到一些尺寸大于500 nm的析出相,其組織均勻性相較于0.085%Nb鋼有所下降。

(3)由于晶粒細化和沉淀強化的共同作用,試驗鋼的強度均隨著Nb含量的增加而增大,且試驗鋼塑性較好,延伸率均達到20%以上。

(4)當Nb添加量為0.085%時,試驗鋼呈現(xiàn)晶粒細小且均勻的組織結構,其表現(xiàn)出最為穩(wěn)定的低溫沖擊韌性。