含铌微合金钢中铌的析出行为对晶粒细化的影响

 第3期总第151期

冶 金 丛 刊

METALLUR GICAL COLL ECTIONS

V ol. 152 N o. 4 

 2004年8月August  2004 

含铌微合金钢中铌的析出行为对晶粒细化的影响

  薛春芳      胡贻苏

(解放军装甲兵工程学院)     (重庆大学)

摘 要 通过对微合金钢14MnNbq 钢板进行模拟控轧控冷试验, 利用光学显微镜、、

电化学萃取相分析等检测分析技术和手段, 研究了Nb 观组织的影响。指出在微合金钢中, 由于微合金元素的加入, , 钢中最重要的晶粒细化方法之一。

关键词 微合金钢  PRECIPITATION ON THE GRAIN FINING

IN Nb 2MICROALLOYED STEE L

Xue Chunfang          Hu Y isu

(Armored Force Engineering Institute )     (Chongqing University )

Abstract  Through the test of simulated control rolling &cooling , applying the technique and method of optical microscope , TEM and electrical chemical phase extraction analysis , this paper has studied precipitating of Nb and Nb CN in the process of rolling and cooling , and the effect on the microstruc 2tures of 14Mn Nbq steel , thus , pointing out that the adding of the micro 2alloyed elements helps to the inhibiting of the grain expansion , becoming one of ways to fine the grain.

K ey w ords  microalloyed steel  control rolling  control cooling  Nb (NC )  grain 2fining

1 试验目的

微合金元素所具有的重要特性之一, 就是在一定加热温度下可以固溶, 而在热加工和冷却过程中, 随着温度的降低又能以碳氮化物的形式析出, 通过控制其析出行为, 从而对钢的显微组织和机械性能产生较大的影响, 在微合金钢中, 由于微合金元素的加入, 从而使抑制晶粒长大的方法得以实现, 并成为微合金钢中最重要的晶粒细化方法之一, 而晶粒细化是提高钢材强度和韧性的最有效的方法。本实验所用14MnNbq 钢是含Nb 的微合金钢, 它是为满足我国制造大跨度桥梁的需要而研制开发的新型微合金化用钢。通过与控轧控冷相结合, 研究了微合金元素铌在加热过程中固溶、在控轧和控冷过程中以碳氮化铌的形式沉淀析出, 通过控制其析出行为从而可以使钢得到细化的铁素体晶粒, 从而使其满足较高的强度和较好的低温韧性的技术要求。

铁公司提供的转炉冶炼连铸生产的650mm ×

250mm 连铸坯的中心部位, 主要化学成分(质量百分数%) 为:0. 14C , 0. 33Si , 1. 46Mn , 0. 022P , 0. 008S ,0. 024Nb ,0. 03Cu ,0. 025Al 。

为了研究微合金元素铌在控制轧制和控制冷却各阶段的析出情况, 我们进行了控轧控冷模拟试验、模拟工艺方案见表1。

试样在箱式电炉中加热至1200℃, 保温30min , 出炉后在

170×300二辊实验轧机上进行控制轧制; 轧后控制冷却平均冷速为2~6℃/S (实际测量:空冷冷速2~4℃/S , 风冷冷速为4~6℃/S , 终冷温度低, 则平均冷速取下限) 。粗轧阶段的变形量ε=60%; 精轧阶段的变形量ε=60%。

从控轧控冷试验的轧件上沿轧制方向(纵向) 切取拉伸试样, 沿纵向和横向切取V 形切口冲击试样测定其力学性能; 用光学显微镜和透射电镜薄膜技术研究钢的显微组织, 并用线截法测定晶粒度; 采用电化学萃取相分析技术测定控轧控冷各阶段铌的碳氮化物析出情况。

2 试验材料及试验内容

本实验所用控轧控冷模拟试验材料取自武汉钢

 ・ 2・冶金丛刊

表1 控轧控冷模拟试验方案

总第152期 

试样编号

1#2#35678#

加热温度/℃

[***********][***********]

粗轧温度/℃

1150~10301150~10301150~10301150~10301150~10301150~10301150~10301150~10301150~1030

精轧开轧温度/℃

[***********]950950

精轧终轧温度/℃

[**************]

冷却方式空冷空冷

空冷空冷风冷

终冷温度/℃

[**************]

冷后处理缓冷缓冷缓冷缓冷缓冷

4#

#####

粗轧完淬水

850850850

精轧完淬水空冷至℃淬水℃淬水

3 试验结果与讨论

本实验所用14MnNbq , , (见表2) 。

表2 晶粒尺寸及力学性能测试结果

试样

d

σS

/MPa

σb

δ-20℃Akv (J ) -40℃Akv (J )

编号/μm

1#2#3#4#

6. 57. 06. 76. 7

/MPa /%

283031

30

纵向横向纵向横向

418. 5564. 2411. 7550. 0422. 6561. 4419. 9568. 8

74,7748,46,4354,57,5828,36,2880,6782,8384,87

48,4960,5456,54

62,55,6242,40,4471,57,7242,40,4060,61,6043,38

,40

]r ) 和晶粒平均半

((曾纳Zener 关系) :

(1) R =

9f

式中 f ———弥散粒子的体积百分数。

如果平均粒子尺寸相同, 百分数越大, 也就是粒子数目越多, 则钉扎所起的作用也越大。

粗轧阶段在1150~1030℃之间进行, 整个变形过程属于再结晶轧制。由电化学萃取试验结果来

) , 尽管受到看, 在粗轧结束时(此时的温度≥1020℃形变的影响, 但钢中Nb 的析出量仍很少, 大约只有

13%左右(见表3萃取试验结果中的6#试样) , 也就是说, 绝大部分的Nb 仍然固溶于奥氏体中。

表3 萃取试验结果

试样编号

Nb (CN ) 的

析出量/%

1#

5#

6#

7#

8#

9#

  在板坯加热时, 铌固溶于钢中。根据试验结果, 当加热温度达到1200℃时, 钢中的Nb (CN ) 已基本固溶, 对控轧控冷试样进行电镜观察、分析, 均未发现有大颗粒的Nb (CN ) 未溶粒子。钢中的Nb 只有在加热时固溶于奥氏体中才能在随后的控轧控冷过程中通过沉淀析出, 在轧制时形成的沉淀物就以碳氮化铌的形式沉淀出来, 推迟了每一道变形之间奥氏体的再结晶(静态再结晶) , 因而导致奥氏体晶粒细化和后来的铁素体晶粒细化, 见图1。

0. 02310. 01510. 00320. 00900. 01100. 0150

  随着轧制过程的进行, 轧制温度不断降低。在精轧阶段,850~950℃变形, 可促使Nb (CN ) 大量析出。析出粒子较细小, 且优先在位错亚结构上析出, 见图2(b ) , 抑制再结晶过程的进行。故在900℃以下进行变行时, 为未再结晶区控轧。

图1 金相照片(×100)

当微合金碳氮化物在奥氏体中沉淀析出时, 将

主要在各种晶体缺陷如晶界、亚晶界、位错线上形核长大。微合金碳氮化物阻止再结晶是通过阻止晶界、亚晶界的迁移来实现的, 其效应的大小主要取决于析出相粒子尺寸和体积分数。若粒子平均尺寸越小, 体积分数越大, 其阻止再结晶的作用越显著。研

图2 TEM 照片(×36,000)

 第4期薛春芳等:含铌微合金钢中铌的析出行为对晶粒细化的影响・ 3・ 

) 时, 由萃取结果(见表3萃取精轧终了(850℃

试验结果中的7#试样) 看, 此时Nb 的析出量大约为37. 5%, 较粗轧后的析出量提高了24. 5%, 这部分析出应是在精轧阶段温度区间内由形变诱导析出和平衡析出的总和。由图3的14MnNbq 钢析出动力曲线可知[2],Nb (CN ) 的最快形变诱导析出温度

约析出8. 3%, 终轧后由形变诱导析出可延续到轧后冷却过程; 另外, 碳氮化铌在奥氏体和铁素体中的溶解度不同。由于碳氮化铌在奥氏体中的溶解度远高于在铁素体中的溶解度, 当钢的基体发生奥氏体向铁素体相变时, 碳氮化铌在基体中的过饱和度将发生一次跳跃增大。同时, γ/α之间的不断移动相界面又提供了丰富而良好的碳氮化铌形核沉淀位置。素体而言, , /α相界上靠铁素36%的Nb 析出。最90%以上。

实验室条件下, 试验所用轧件小, 轧制过程短, 轧后冷却高温区域冷速较快, 例如, 由终轧850℃冷到700℃, 所需时间很短, 而700℃以下冷速明显减慢, 这与大生产中由终轧温度冷至终冷温度所需时间要长些, 故实际Nb (CN ) 析出量估计应该高于本试验结果。因此, 性能应优于本试验所测得的结果。而对于热连轧生产而言, 大生产与实验结果的差异相对要小些, 析出情况可以基本相同。终轧后冷却过程中以及相变过程中所析出的Nb (CN ) 都较细小, 可以阻止晶粒长大, 达到细化铁素体晶粒的目的。

大至在900~950℃左右, 这与上述结果基本相吻合。而且, 这一温度范围也与精轧温度范围吻合。大量析出, 能有效地阻止和延迟形变奥氏体的再结晶, 且可有效地阻止奥氏体晶粒长大, 当轧后奥氏体向铁素体转变的时候, 粒的效果。, 经反复变形,

, 体(见图4) 。相变中大量生核创造条件, 变带

, 达到充分细化铁素体晶粒的目的。

4 结论

图3 14MnNbq 钢的析出动力学曲线[2]

综上所述, 在微合金钢中, 由于微合金元素铌的

加入, 从而使抑制晶粒长大的方法得以实现, 并成为微合金钢中最重要的晶粒细化方法之一。由于微合金元素铌的加入和控轧控冷工艺相结合, 使奥氏体在低温轧制产生应变诱导碳氮化物析出, 在变形过程中抑制再结晶。析出物的存在不仅阻止位错的运动, 并会造成位错的增殖, 使位错密度增高, 形核位置增加, 而且, 第二相析出相界面或晶界也可以成为再结晶晶核的一部分界面, 从而降低形核阻力, 二者同时使晶粒细化。所以, 采用控轧控冷工艺时, 铌的细化晶粒的作用明显。而且为了充分发挥铌对晶粒细化的作用, 必须严格控制较低的终轧温度, 提高冷却速度, 以得到细小的铁素体晶粒。

图4 8#试样金相照片(×400)

从终轧温度空冷到700℃或620℃时,Nb 的析

出量分别为45. 8%和62. 5%, 即从精轧终了至700℃大

参 考 文 献

[1] 雍歧龙等. 微合金钢———物理和力学冶金. 机械工业出版社,1989.

[2] 章洪涛, 王瑞珍. 铌钢和铌合金———中国—巴西学术研讨会论文集. 冶金工业出版社, 2000.

[3] Hulka K , Bauer J. Development trends in HSLA steels for welded construction. Material science forum

, 1998. [4] 杨春楣. 含铌微合金钢焊接性能研究. 金属热成形, 2002.


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