Ti-Mo铁素体基微合金钢的连续冷却转变行为_杨洪波.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0611Ti-Mo 铁素体基微合金钢的连续冷却转变行为杨洪波1,孙佳通1,赵贺然1,王 豪1,亓伟伟2(1.西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西 西安 710055;2.山东钢铁股份有限公司莱芜分公司技术中心,山东 济南 271100)摘 要:利用 Gleeble 3800 热模拟实验机分别获得了 Ti-Mo 铁素体基微合金钢在静态和动态经不同速率冷却后的温度-膨胀量曲线,结合金相法绘制了 Ti-Mo 微合金钢的连续冷却转变(CCT)曲线。结果表明:无论是静态 CCT 还是动态 CCT,随着冷却速率的增大,实验钢的珠光体与铁素体均减少,贝氏体体积分数增加,当冷却速率达到 30 /s 时,组织全部为贝氏体。实验钢铁素体相变的开始温度为 800,压缩变形扩大了珠光体相区使其向左扩张,缩小了贝氏体相区,并降低铁素体转变开始温度。在制定控轧控冷工艺时,为了使实验钢在卷取过程中获得铁素体+粒状贝氏体组织,从而进一步优化强韧性能,建议 Ti-Mo 铁素体基微合金钢终轧温度应高于 800,轧后冷却速率应高于 30 /s,并且要在贝氏体相变高温区完成卷取。关键词:Ti-Mo 微合金钢;CCT;微观组织;冷却速率;维氏硬度中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0127-07收稿日期:2022-12-01 修订日期:2023-02-27基金项目:陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2021JM369)作者简介:杨洪波(1980),女,副教授,博士,主要研究方向为高强钢组织性能研究,E-mail:yanghongbo_0413 。引用格式:杨洪波,孙佳通,赵贺然,等.Ti-Mo 铁素体基微合金钢的连续冷却转变行为J.材料热处理学报,2023,44(7):127-133.YANG Hong-bo,SUN Jia-tong,ZHAO He-ran,et al.Continuous cooling transformation behavior of Ti-Mo ferrite-based microalloyed steelJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):127-133.Continuous cooling transformation behavior of Ti-Mo ferrite-based microalloyed steelYANG Hong-bo1,SUN Jia-tong1,ZHAO He-ran1,WANG Hao1,QI Wei-wei2(1.School of Metallurgical Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China;2.Technical Center,Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co Ltd,Jinan 271100,China)Abstract:The temperature-expansion curves of Ti-Mo ferrite-based microalloyed steel after static and dynamic cooling at different rates were obtained by using Gleeble 3800 thermal simulation machine,and the continuous cooling transformation(CCT)curves of the Ti-Mo microalloyed steel were drawn by the metallographic method.The results show that whether it is static CCT or dynamic CCT,with the increase of cooling rate,the pearlite and ferrite of the experimental steel decrease and the volume fraction of bainite increases.When the cooling rate reaches 30 /s,the microstructure is all bainite.The starting temperature of ferrite transformation of the experimental steel is about 800.The compression deformation expands the pearlite phase zone to the left,reduces the bainite phase zone,and reduces the starting temperature of ferrite transformation.When formulating the controlled rolling and cooling process,in order to make the experimental steel obtain ferrite+granular bainite structure during the coiling process,to further optimize the strength and toughness,it is suggested that the final rolling temperature of the Ti-Mo ferrite-based microalloyed steel should be higher than 800,the cooling rate after rolling should be higher than 30 /s,and the coiling should be completed in the high temperature zone of bainite transformation.Keywords:Ti-Mo microalloyed steel;CCT;microstructure;cooling rate;Vickers hardness 向铁素体基微合金钢中加入 Nb、V、Ti、Mo 等一种或几种合金元素,通过固溶强化、细晶强化、位错强化、析出强化方式可使这类钢获得良好的强韧性能匹配1-3。Ti 作为我国储量较多的合金元素,价格相对低廉,添加相同量时成本约是 Nb 的 1/10、V 的 1/5。因此,向钢中添加微合金元素 Ti 不但可利用其强化作用提高钢铁材料的力学性能,还可以降低生产成本4。Mo 一般会以复合碳化物的形式析出,比单一型碳化物更细小,降低了铁素体与碳(氮)化物的界面能,从而具有更大的形核率5-8。因此,Ti-Mo 微合 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷金钢表现出的优势逐渐得到了业内人士的关注9-10。微观组织形貌及析出物特征是 Ti-Mo 微合金钢获得良好强韧性能匹配的主要影响因素,而合适的热加工工艺参数是获得理想微观组织的关键11-13。因此,近几年关于此类微合金钢的研究更多集中于热加工工艺参数对析出粒子特征的影响方面,并且取得了许多有价值的研究成果14-17。衣海龙等18将 Ti-Mo 微合金钢在 550700 保温,研究发现保温温度较高时,界面移动速率与元素扩散速率匹配较好,析出物有足够的时间与过饱和度在界面产生相间析出;当温度较低时,铁素体相变驱动力较大,而元素扩散速率较小,使得相界面移动速率大于析出物的析出速率,使得析出物主要呈弥散状析出。Huang 等19指出终轧温度为 900 时 Ti-Mo 微合金具有较好的强韧性能匹配,此时屈服强度的提高主要归因于位错强化与析出强化;而奥氏体中析出的粒子可细化晶粒,铁素体中析出的粒子可提高强度,使得该钢种具有较高强度的同时还保留一定的韧性。Bikmukhametov 等20对比了 Ti-Mo 微合金钢在不同应变下析出物特征,指出应变水平不影响析出物的平均组 成,并 且 在 所 有 控 轧 控 冷 条 件 下 均 接近 Ti0.42Mo0.27C0.31。由以上研究成果可知,在适当的工艺条件下可使Ti-Mo 微合金钢基体中析出细小的第二相粒子,进而获得良好的强韧性能匹配。相关研究多集中于实验室条件下 Ti-Mo 微合金钢析出粒子特征以及加工工艺的优化上,少有研究 Ti-Mo 铁素体基微合金钢连续冷却过程中相变规律的报道21-22。由动态 CCT 曲线可以获得实验钢随温度和冷却速度的相变规律,连续冷却转变规律是控轧控冷工艺正确制订的依据23。因此,本文对 Ti-Mo 铁素体基微合金钢的连续冷却转变过程进行了研究,分别建立了动态和静态连续冷却转变(CCT)曲线,可为工艺制度的正确制订提供重要的理论依据。1 实验材料及方法1.1 实验材料 实验所用材料为自主设计的 Ti-Mo 铁素体基微合金钢,采用真空感应炉冶炼,每炉 50 kg,其化学成分如表 1 所示。冶炼后浇铸成钢 锭,并 锻 造 成30 mm130 mm 的板坯,然后经两道次轧制成厚度为12 mm 的钢板。在热轧板上沿着轧制方向切取中心挖槽圆棒状热模拟样品(图 1 所示)进行 Ti-Mo 铁素体基微合金钢连续冷却转变规律的研究。表 1 实验钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the experimental steel(mass fraction,%)CSiMnPSTiMoAlT.ONFe0.0250.1881.470.00610.00530.01630.08450.00240.00300.0024Bal.图 1 热模拟样品尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of thermal simulation sample dimension1.2 实验方法 在 Gleeble 3800 型热模拟实验机上应用热膨胀法分别建立了实验钢的静态和动态 CCT 曲线。将热模拟所得试样在靠近热电偶焊点两端 2 mm 处横向切割并镶样,用砂纸打磨电偶丝表面焊接处,使用4 vol%硝酸酒精溶液对抛光表面腐蚀 8 s 后通过GX51 型光学显微镜(OM)和 Gemini SEM 300 型扫描电镜(SEM)观察组织形貌。利用 SBH-5 型超声维氏硬度计对样品的维氏硬度进行测量,加载载荷为200 g,持续时间 10 s,每个样品测量 20 个点,取平均值作为最终结果。热模拟具体实验方案如下:1)静态 CCT 曲线的测定。将热模拟样品以10 /s 升高至1200 保温3 min,然后以10 /s 的速率冷却至 900 保温 3 min,随后分别以 0.1、0.5、2、5、10、20 和 30 /s 的速率冷却至室温。2)动态 CCT 曲线的测定。将热模拟样品以10 /s 加热至1200 保温3 min,然后以10 /s 的速率冷却至 900 保温 3 min,并进行单道次压缩变形,应变率为 1/s,总变形量为工程应变 20%,随后分别以 0.1、0.2、0.5、2、5、10、20 和 30 /s 的速率冷却至室温。2 实验结果与分析2.1 冷却速率对实验钢静态连续冷却转变组织的影响 图 2 为静态 CCT 样品在光学显微镜下观察到的821第 7 期杨洪波等:Ti-Mo 铁素体基微合金钢的连续冷却转变行为 组织形态。结合图 3 扫描组织照片可以看出,当冷却速率为 0.1 /s(图 2a)时,基体组织由铁素体与珠光体组成。这是由于冷却速率较小时,过冷度小相变温度较高,铁、碳元素扩散速率高且扩散时间充足,因此相变过程中奥氏体有足够多的时间进行珠光 体 与 铁 素 体 转 变。随 着 冷 却 速 率 增 加 至0.5 /s(图 2b),出现少量贝氏体,微观组织为铁素体+珠光体(少)+贝氏体(少)。这是随着冷却速率的增大过冷度逐渐增加,过冷奥氏体中碳原子扩散受到抑制24,部分过冷奥氏体来不及转变为珠光体与铁素体,在冷却中直接转变为贝氏体的缘故。随着冷却速率的进一步增加,贝氏体体积分数逐渐增多,铁素体与珠光体数量越来越少。冷却速率为2 /s 时(图 2c),珠光体消失。当冷却速率为510 /s 时,微观组织为铁素体(少)+贝氏体,如图 2(d,e)所 示。当 冷 却 速 率 增 加 至 30 /s(图 2f)时,元素扩散能力受到极大抑制,过冷奥氏体全部转变为贝氏体。图 2 不同冷却速率下静态 CCT 样品 OM 组织形貌(a)0.1 /s;(b)0.5 /s;(c)2 /s;(d)5 /s;(e)10 /s;(f)30 /sFig.2 OM microstructure of static CCT samples at different cooling rates(a)0.1 /s;(b)0.5 /s;(c)2 /s;(d)5 /s;(e)10 /s;(f)30 /s图 3 不同冷却速率下静态 CCT 样品扫描电镜(SEM)组织形貌(a)0.1 /s;(b)10 /sFig.3 SEM microstructure of static CCT samples at different cooling rates(a)0.1 /s;(b)10 /s2.2 冷却速率对实验钢动态连续冷却转变组织的影响 图 4 为动态热模拟样品在光学显微镜下观察到的微观组织形态。冷却速率为 0.1 /s 时(图 4a),基体组织为铁素体+珠光体。随着冷却速率增大,珠光体数量减少。冷却速率为 0.5 /s 时(图 4b),组921 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷织中出现少量贝氏体,基体组织为珠光体(少)+铁素体+贝氏体。冷却速率升至 5 /s(图 4c)时,珠光体消失,贝氏体数量升高,组织为贝氏体+铁素体。随着冷却速率的进一步升高贝氏体数量逐渐增多,直至冷却速率达到 30 /s(图 4d)时,组织中全部为细板条状贝氏体。由以上分析可知,无论是静态 CCT 还是动态CCT,随着冷却速率的增大,部分过冷奥氏体来不及转变,使得铁素体与珠光体体积分数均减少,贝氏体体积分数增多。图 4 不同冷却速率下动态 CCT 样品 OM 组织形貌(a)0.1 /s;(b)0.5 /s;(c)5 /s;(d)30 /sFig.4 OM microstructure of dynamic CCT samples at different cooling rates(a)0.1 /s;(b)0.5 /s;(c)5 /s;(d)30 /s图 5 Ti-Mo 铁素体基微合金钢的(a)静态和(b)动态 CCT 曲线Fig.5(a)Static and(b)dynamic CCT curves of the Ti-Mo ferrite-based microalloyed steel3 讨论 实验钢的静态 CCT 曲线和动态 CCT 曲线如图 5所示。由图 5 可见,两种 CCT 曲线中均存在铁素体、贝氏体与珠光体三相区。铁素体的相变开始温度为800 左右,冷却速率越高铁素体的开始转变温度越低。冷却速率不同,实验钢获得的室温组织也不相同。冷却速率按照从小到大的顺序所对应的实验钢室温组织依次为:铁素体+珠光体铁素体+珠光体+贝氏体铁素体+贝氏体贝氏体。相较于静态CCT 曲线,动态 CCT 曲线由于压缩变形扩大了珠光031第 7 期杨洪波等:Ti-Mo 铁素体基微合金钢的连续冷却转变行为 体相区并使其向左扩张,同时贝氏体相区缩小;实验钢在低于 0.2 /s 的冷却速率下不会发生贝氏体相变,并且铁素体转变开始温度较低。在硬度方面,无论是静态还是单道次压缩变形,随着冷却速率的增加,贝氏体的体积分数随之增加,维氏硬度也随之升高。相同冷速下静态样品硬度高于单道次压缩样品硬度,主要原因为动态变形缩小了贝氏体相区,故在相同冷却速率下,静态样品中贝氏体比例大,硬度也因此高于同冷速下的单道次压缩的样品,但是增长幅度不大。由以上分析可知无论是静态还是动态实验钢,经不同速率冷却后均可获得种类差异较大的微观组织,进而产生较大的力学性能差异,因而对 Ti-Mo铁素体基微合金钢而言冷却速率是一个敏感的工艺参数,在实际生产过程中应多加重视。首先,奥氏体向铁素体的转变为扩散型相变,并且铁素体的长大受到 C 扩散的控制。冷却速率越大,奥氏体的过冷度越大,C 扩散受到的抑制越强烈,奥氏体向铁素体转变越困难,奥氏体向铁素体转变温度越低,从而可大幅度细化铁素体晶粒。其次,冷却速率增大导致晶粒尺寸减小,小角度晶界数量、位错、缺陷不断增多,极大地增加了微合金析出物的形核位置,提高了形核率。因此,冷却速率增大既可以细化铁素体晶粒,又可以减小析出物尺寸。另外,在奥氏体向铁素体转变过程中,如果冷却速率足够大,微合金碳氮化物将来不及析出,会在后续的工艺环节中以极小的尺寸析出。Ti-Mo 铁素体基微合金钢显著优势可获得良好的强韧性能匹配。在实际生产过程中,如果轧后以较小的速率冷却,该钢种的室温组织将为大量铁素体+少量珠光体,因铁素体为软韧相,这种组织结构虽然可获得足够高的伸长率,但强度通常是较低的。若轧后以较大的速率冷却,该钢种的室温组织将以板条贝氏体为主,提高了强度降低了塑性。因此,为了获得良好的强韧性能匹配,根据 Ti-Mo 铁素体基微合金钢的 CCT 曲线,应在奥氏体单相区进行压缩变形,并且终轧温度应高于 800,轧后防止过冷奥氏体相变为铁素体,还应快速冷却至卷取温度,尽可能使实验钢在贝氏体高温区完成卷取,使其获得粒状贝氏体组织,从而形成铁素体+粒状贝氏体组织25-26,进一步优化强韧性能,最终得到强韧性能良好匹配的 Ti-Mo铁素体基高强钢。4 结论 1)由 CCT 曲线可知铁素体的相变开始温度为800 左右,为了避免在轧制过程中发生过多的铁素体相变,从而降低实验钢强度,因此 Ti-Mo 铁素体基微合金钢的终轧温度应高于 800,并且在轧后快速冷却至卷取温度;2)由 CCT 曲线可知冷却速率达到 30 /s 时,实验钢室温组织全部为贝氏体,在实际生产过程中为了使实验钢在卷取过程中获得铁素体+粒状贝氏体组织,从而进一步优化强韧性能,因此 Ti-Mo 铁素体基微合金钢轧后冷却速率应高于 30 /s,并且要在贝氏体相变高温区完成卷取;3)通过静态 CCT 曲线和动态 CCT 曲线的对比分析可知,压缩变形扩大了珠光体相区使其向左扩张,缩小了贝氏体相区,降低了铁素体转变开始温度,因此在实际生产过程中,变形量对 Ti-Mo 铁素体基微合金钢的影响亦不容忽视。参考文献 1 杭子迪,冯运莉.钛微合金钢研究现状和发展趋势J.热加工工艺,2021,50(6):22-25.HANG Zi-di,FENG Yun-li.Research status and development trend of titanium microalloying steelJ.Hot Working Technology,2021,50(6):22-25.2 汪小培,赵征志,赵爱民,等.Mo 含量对 Ti 微合金低碳钢力学性能的影响J.金属热处理,2014,39(10):47-50.WANG Xiao-pei,ZHAO Zheng-zhi,ZHAO Ai-min,et al.Effect of Mo content on mechanical properties of Ti micro-alloyed low carbon steelJ.Heat Treatment of Metals,2014,39(10):47-50.3 姚娜,兴超.Nb-Ti-V-Mo 微合金钢中复合碳化物的析出动力学J.钢铁钒钛,2022,43(4):142-149.YAO Na,XING Chao.Precipitation kinetics of composite carbides of Nb-Ti-V-Mo microalloyed steelJ.Iron Steel Vanadium Titanium,2022,43(4):142-149.4 刘飞.Ti、Nb、Zr 掺杂-Fe-(B)中的电子结构及键合作用的第一性原理研究J.材料热处理学报,2021,42(5):178-186.131 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷LIU 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