Nb-Ti微合金钢第二相粒子分析及其对组织性能的影响-北科大吴新朗.pdf

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1、2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 25 Nb-Ti 微合金钢第二相粒子分析及其对组织性能的影响 吴新朗 1，赵征志1，田 允1，唐 荻1，刘光明2，代晓莉2，熊爱明2 （1.北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 2.首钢技术研究院,北京 100041） 摘摘 要：要：利用萃取复型以及薄膜分析技术研究了 Nb-Ti 微合金汽车大梁板中第二相粒子的析出行为及其对成品板显 微组织和力学性能的影响规律。结果表明，钢中存在大量弥散分布的细小粒子，多为 Nb-Ti 碳氮化物复合相，其中 尺寸较大的粒子近似方形，含 Ti 量较高；尺寸较小的粒子形状不规则，

2、含 Nb 量较高。这些弥散分布的粒子能够显 著的阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒和析出强化的作用，从而提高大梁板的力学性能。 关键词：关键词：Nb-Ti 微合金钢； 第二相粒子； 组织性能 Analysis of Secondary Phase Particles and Its Influence On Microstructure and Property in Nb-Ti Micr0all0yed Steel WU Xinlang1，ZHAO Zhengzhi1，TIAN Yun1, TANG Di1 LIU Guangming2，DAI Xiaoli2，XIONG Aiming2 (1

3、. Research Institute of Metallurgy Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083；2. Shougang Research Institute of Technology, Shougang Group Corporation, Beijing 100041) Abstract：The secondary phase particles in NbTi microalloyed automobile beam steel were investigated usi

4、ng carbon extraction replica technique and film analysis technique.The rule of their effect on microstructure and property were researched.The results show that there are a lot of fine dispersed particles which most are Nb-Ti carbonitride phase in the steel.The larger particles like square contain h

5、igher Ti.The smaller particles of irregular shape contain higher Nb. The fine dispersed particles can increase the mechanical properties of beam steel by refining grains and precipitation strength. Key words: Nb-Ti Microalloyed steel; The secondary phase particles; Microstructure and property 1 前言 随

6、着汽车工业的发展，对大梁板的性能要求越来越高，不仅要求具有高的强度，并且要具有良好 的塑韧性、低的韧脆转变温度以及优异的加工性能。微合金钢是在普通的 C-Mn 钢或低合金钢中添 加微量元素如 Nb、Ti、V 等1，使之形成稳定性好、熔点高、不宜集聚长大、弥散分布的碳氮化物， 这些碳氮化物能够有效的钉扎奥氏体晶界，抑制晶粒长大，细化组织2,3，并且产生沉淀强化作用提 高钢的组织性能。因此，分析研究微合金钢中第二相粒子，探讨其细化晶粒与沉淀强化效应以提高 大梁板的综合性能，对于开发微合金大梁钢具有非常重要的作用。 本文利用萃取复型分析技术以及薄膜分析技术，对一种 Nb-Ti 微合金汽车大梁板中第二

7、相粒子 的形状、尺寸、分布及成分进行分析，并初步探讨第二相粒子对其组织性能的影响。 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 26 2 试验材料与方法 实验设计了两种不同成分的钢，A 钢含 Nb、Ti 钢，B 钢为普通 C-Mn 钢，其化学成分见表 1。 采用 28kg 真空频感应电炉冶炼，将铸坯锻造成尺寸为 5080100mm 试样，锻前加热温度 1200， 终锻温度 10001100。在北京科技大学高效轧制国家工程研究中心的四辊轧机上进行轧制，试 样加热温度 1200，保温 30min，经 6 道次轧制至 6mm，轧后立即喷水冷却至 680，喷水冷却后 将

8、钢板放入电阻炉内保温 20min,然后随炉冷却。取板状拉伸和冷弯试样金相试样，在室温下进行拉 伸、冷弯试验和观察组织。 表 1 试验材料的化学成分（质量分数 %） Table 1 Chemical composition of the material 钢号 w(C) w(Si) w(Mn) w(P) w(S) w(Ti) w(Nb) A 0.10 0.22 1.35 0.005 0.003 0.01 0.05 B 0.15 0.20 1.27 0.005 0.006 在A号钢板上取6mm8mm12mm和3mm8mm8mm的试样，分别制备萃取复型试样经薄膜试 样，然后在JEM2000FX透射电

9、镜下观察。 3 试验结果与讨论 3.1 实验结果 试样进行拉伸冷弯试验，其结果见表2。A钢的屈服强度和抗拉强度达比B钢分别提高了90MPa 和45MPa，伸长率变化不大，冷弯性能都合格。这说明在相同的加工条件下，Nb-Ti微合金钢比普通 的C-Mn钢的强度要高，力学性能要好。 表2 热轧试样的力学性能 Table 2 Mechanical properties of hot rolled specimens 钢号 屈服强度 /MPa 抗拉强度 /MPa伸长率 /% 冷弯（D=0.5a B=35mm） A 505 575 28.72 合格 B 415 530 30.36 合格 图1（a）为A钢轧

10、后板面显微组织为铁素体F+珠光体P（或粒状贝氏体）组织，铁素体为多边形， 平均直径约为6m左右，珠光体呈粒状，且含量极少。图1（b）为B钢轧后板面显微组织为铁素体F+ 珠光体P组织，铁素体为多边形，平均直径约为8m左右，珠光体呈片层状和粒状，且含量较多。 图1 汽车大梁板的显微组织 (a)A钢；(b)B钢 Fig.1 Microstructure of automobile beam steel A and B (a) (b) 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 27 图2 母材中粒子(a)(b)形貌 (c)衍射光斑 (d)典型能谱 Fig.2 The

11、morphology of the particles (a)(b), SADP(c) ,and typical energy spectrum(d) 利用JEM2000FX透射电镜对制取的碳膜萃取复型试样进行了分析，图2(a)、(b)为粒子的典型 TEM形貌，可见尺寸较小的粒子形状不规则，尺寸较大(30nm)的粒子接近方形。图2(c)为图2(b)中 大尺寸粒子C的衍射斑点(SADP)，可见粒子具有面心立方结构，图2(d)为大粒子C的典型EDX谱，可 看出该粒子中含有Ti、Nb(注：图中对应于8.00的能量谱为Cu，来自于支撑碳膜的铜网架)，且Ti的含 量较高。通过成分分析可以发现，尺寸较大的

12、近方形粒子为富钛碳氮化物，尺寸较小的不规则粒子 多为富铌碳氮化物。 图3 第二相粒子析出位置 Fig.3 The site of the second phase particles (a) (b) C (a) (b) (c) (d) 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 28 利用JEM2000FX透射电镜对制取的薄膜试样进行分析，图3（a）显示了第二相粒子在晶内晶 界析出，图3 (b)可以看出第二相粒子在位错线上析出。析出的粒子对晶界和位错线起到钉扎作用， 阻碍晶界运动，提高钢材力学性能。 3.2 钢中的地二相粒子 在本试验里，复合加入Nb、Ti微合金

13、元素，形成稳定性好、熔点高、不宜集聚长大、弥散分布 的碳氮化物。由于TiN、TiC、NbN、NbC，这几种化合物均为面心立方结构，钢在奥氏体化过程中， 且晶格常数相近（分别为0.4240，0.4328，0.4390，0.4470nm）它们可以相互作用形成复杂的碳氮混 合物3，因此，钢中同时存在Nb、Ti时，通常形成Nb、Ti、C、N的复杂混合物，其仍为面心立方结 构，如图2（c）所示。由于TiN、TiC、NbN、NbC等碳氮化合物的固溶度积依次增大，形成温度依 次降低4，因此在较高温度下形成的粒子含Ti量较高,含Nb量较低，在较低温度形成的粒子含Ti量较 低，含Nb量较高。 由于TiN粒子的析

14、出温度最高且非常稳定，在奥氏体中形成的粒子成分接近于TiN，经Ostwald 熟化而长大，因此保持了TiN粒子的方形特征。在温度较低的条件下，含Ti量较低的粒子、甚至不含 Ti的粒子（Nb(C、N)）都可能在已形成的TiN颗粒上沉淀复合析出，使其尺寸不断增大，但这些粒 子基本上能保持原形状，因此高温下开始形成的粒子尺寸较大、富Ti、且呈近似方形。然而在更低 的温度下，粒子除了以原有粒子为形核基体析出以外，还可在位错、晶界等处析出，形成新的析出 相。由于Ti在高温下已大部分析出，故此时析出的粒子成分含Ti量较低，含Nb量较高。这些低温下 独立形核析出的粒子类似于Nb(CyN1-y)粒子，呈近似球

15、状。由于温度低，没有足够的机会长大，故这 些粒子的尺寸一般较小(30nm)。 3.3 第二相粒子的作用 钢中大量存在第二相粒子，这些粒子在加热过程中能够钉扎原始奥氏体晶界，有效地阻止原始 奥氏体晶粒长大，由于晶粒的遗传性，可细化轧后晶粒。奥氏体晶粒尺寸（D）与沉淀相颗粒的尺 寸（d）和体积分数（）的关系5： )()223()6(dZD= 其中，Z是与晶粒长大有关的因数，Z=1.42。由上式可以看出，沉淀相颗粒越小，能钉扎的奥 氏体晶粒则越细，钢的性能也越好。在本试验中，钢组织细化到6m左右，如图1（a）所示，强度 也达到了550MPa级别的要求，比普通的C-Mn钢强度也提高了几十兆帕。 铌是强

16、碳氮化物的形成元素，在钢中与碳、氮结合可形成NbCNbC0.87、Nb(CN)、NbN等中间 相。铌的碳氮化物在轧钢时可以钉扎晶界，阻止晶粒长大。固溶铌由于铌的原子半径比铁大的多， 易于在位错线上偏聚，因而具有强烈的拖曳晶界移动的能力。故在再结晶过程中，因铌的碳氮化合 物对位错的钉扎和阻止亚晶界的迁移使再结晶时间大大延长，且随析出量的增加而增大。在临界温 度以上，铌对再结晶的影响表现为溶质拖曳机制，在临界温度以下，表现为析出钉扎机制。 另外，钢中的第二相粒子不但细化晶粒，而且还起到析出强化的作用。弥散细小的第二相粒子 通过与位错的交互作用，造成对位错运动的障碍得以提高。 有资料提出6：当Ti含

17、量在0.02%时，则整个Ti含量与钢中的N结合，在凝固过程及奥氏体高温 区形成TiN。因此0.02%左右的Ti含量使强度变化极小，当Ti含量超过这个范围时，强度变化表现出 与Nb相同的趋势。但过多的Ti会使TiN变粗大，对韧性无益。当Nb含量达到0.04%时，出现显著的强 化效果，当Nb含量超过0.08%时，强度的增加趋于饱和。 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 29 4 结论 (1) 试验分析表明，Nb-Ti 微合金钢中存在大量第二相粒子，这些粒子为 Nb、Ti 的碳氮化物的复合 相。尺寸大的富 Ti 贫 Nb，形状近方形；尺寸小的富 Nb 贫 Ti

18、，形状不规则。 (2) 第二相粒子的沉淀析出，起到细化晶粒和析出强化的作用。使在同样的加工条件下，A 试验钢 屈服强度和抗拉强度比 B 试验钢分别提高了 90MPa 和 45 MPa。 (3) 通过对 Nb-Ti 微合金钢第二相粒子的研究，为开发更高级别的微合金汽车大梁板提供了可靠的 依据和基础。 参考文献 1 雍歧龙等.微合金钢-物理和力学冶金M.北京：机械工业出版社，1989，3-4. 2 Mutsuo Nakanishi and Yu ichi komizo improvement.Welded HAZ Touglmess by Dispersion with Nitride Parti

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