终轧温度对低碳Mn系贝氏体钢性能的影响

� 第 44卷 � 第 1期 � 2 0 0 9 年 1 月 钢 铁 Iron and Steel � Vo l. 44, No. 1 Januar y � 2009 终轧温度对低碳Mn系贝氏体钢性能的影响 王勇围 , � 白秉哲, � 方鸿生 (清华大学材料科学与工程系, 北京 100084) 摘 � 要: G leeble热模拟试验表明, 低碳 Mn 系贝氏体钢随着变形温度降低, 仿晶界铁素体和粒状贝氏体都发生了 细化,冲击韧性显著提高。加 Nb 后的 M n系贝氏体钢在相同工艺下组织得到了进一步细化。实验室试轧数据表 明,含 Nb 的 Mn 系贝氏体钢降低终轧温度后,韧性提高的幅度比不含 Nb 钢更大, 工业化前景广阔。 关键词: 贝氏体; 热变形; 强韧化; Nb微合金化 中图分类号: TG142� 4� � 文献标识码: A � � 文章编号: 0449�749X ( 2009) 01�0072�04 Influence of the Finishing Rolling Temperature on Properties of Low Carbon Mn Bainitic Steels WANG Yong�wei, � BAI Bing�zhe, � FANG Hong�sheng ( Dept. of Mater ials Science and Eng ineering , T singhua Univ ersity , Beijing 100084, China) Abstract: The results o f G leeble thermal simulation test show that t he g rain boundar y allot riomorphic ferr ites o f low carbon M n bainitic steel w as r efined and toughness improved obviously w ith decreasing o f deformation temperature. Compared w ith non�Nb bear ing Mn bainitic steel, the m icrostr uctur e of Nb micr o�allo yed Mn bainit ic steel w as more refined. The results o f labor ator y test show that t he toughness o f Nb micro�alloy ed Mn bainit ic steel can be im� proved more than that of non�Nb bearing steel and it is prospect ive fo r industr ializat ion. Key words: bainit e; thermal defo rmation; strengthening and t oughening ; Nb micro�alloy ed 基金项目: 国家高技术研究发展计划( 863计划) ( 2003AA331040) 作者简介: 王勇围( 1976�) ,男,博士生; � � E�mail : w angyw 03@m ail s. t singhu a. edu. cn; � � 修订日期: 2008�07�17 � � 清华大学贝氏体钢研究及推广中心发明的低碳 Mn系高强度低合金中厚钢板作为一类重要的钢铁 材料, 广泛应用于各工业领域, 如中厚钢板、铁路道 叉、高强钢管等。不仅具有较高的强度与塑性,还具 有良好的低温韧性与焊接性能。随着现代工业的迅 速发展, 对中厚钢板的性能提出了越来越高的要 求。目前国际市场上已有高屈服强度( HY)钢、析 出硬化型高强度低合金( HSLA )钢、超低碳贝氏体 ( ULCB)钢等多个系列 [ 1]。目前国内外屈服强度达 到 550 MPa 的具有代表性的高强韧性钢板有: HY80、Welten70。Mn 系贝氏体钢以廉价的 Mn、 Cr、Si为主要合金添加元素, 在很宽的冷速范围内 都能得到仿晶界型铁素体/粒状贝氏体组织。它以 粒状贝氏体代替传统钢中的珠光体,可显著提高钢 的强度;而适量的不连续的仿晶界铁素体可作为韧 性相提高组织的塑韧性, 从而获得良好的强韧性配 合。研究表明终轧温度能对钢板的组织和强韧性产 生显著的影响, 只有充分掌握了终轧温度对低碳 Mn系贝氏体钢的影响规律, 才能有效控制钢的组 织类型,进一步提高这类钢的性能,并能指导工业化 大生产,推动生产力的发展。 1 � 试验材料及方法 1. 1 � 试验材料 真空熔炼低碳Mn系贝氏体钢锭27 kg,成分见 表 1, 其中 D 钢为 N b微合金化钢。分别锻成截面 为 60 mm � 60 mm 的方坯。A 钢从坯子上切取若 干尺寸为 12 mm � 16 mm � 60 mm 的平面压缩试 样, D钢切取 �8 mm � 12 mm 的圆柱试样, 供研究 微合金元素 Nb和热变形对于该类型钢的影响。 表 1 � 试验钢成分(质量分数) Table 1� Compositions of the test steels % 钢号 C Mn Cr Si Nb A 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 0. 75 - B 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 1. 14 - C 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 0. 22 - D 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 0. 73 0. 064 1. 2 � 试验方法 在 Gleeble�1500D热力模拟试验机上利用平面 应变压缩加载来模拟钢板的轧制变形过程。A 钢的 变形工艺为 960 奥氏体化,然后以 1 / s的速度 降至变形温度 900 、860 、820 、780 并停留 第 1 期 王勇围等: 终轧温度对低碳 Mn 系贝氏体钢性能的影响 5 s使变形区均温,压缩变形 30% ,然后模拟 20 mm 厚的钢板在静止空气中的冷速冷至 250 , 最后加 工成标准夏比 V 型冲击样, 测量冲击韧性值。D 钢 经1 050 奥氏体化后以 1 / s降温至 945 进行 第一次变形, 变形量为 0. 7, 然后分别降至 930 、 840 、800 、760 进行第二次变形, 变形量为 0. 5,再以 0. 9 / s空冷至 250 , 以上压缩变形速 率均为 1/ s。然后采用 SEM 观察不同变形工艺下 的微观组织。 在实验轧机上对 B、C、D钢方坯各分 3个终轧 温度进行轧制, 终轧温度为 800 、780 、750 , 轧制过程中的道次分配方法为 60! 48 ! 38 ! 30 ! 25! 18 mm,轧后空冷至室温,然后在钢板上沿轧向 取样进行力学性能测试。 2 � 结果与讨论 2. 1 � 热变形温度对于 A钢韧性的影响 A钢经不同温度变形后的韧性值和变形区的维 氏硬度如图 1所示, 可看出随着终轧温度的降低, 韧 性值明显增加, 同时硬度值增高。不同工艺下的组 织如图 2所示, 图 2( a)与图 2( b)对比后可知, 变形 温度降低后,铁素体的平均尺寸明显减小,数量也有 所增加。这是由于奥氏体形变后, 内部储存能提高, 铁素体形核驱动力增大, 铁素体在晶界和奥氏体内 部的缺陷处的形核率增加。形变温度越低,发生形 变的时间与发生 �! 转变的时间间隔越短, 奥氏体 形变过程中产生的晶界和晶内的位错结构、晶内的 变形带越不容易发生回复,越有利于铁素体晶粒在 晶界和晶内形核。随着形变量的增加, 形变温度的 降低,仿晶界铁素体和晶内铁素体数量增加,尺寸减 小[ 2 ]。由于裂纹在铁素体里能发生钝化或萌生二次 裂纹,因此变形后的组织中冲击裂纹走过的路径将 增长,韧性得到提高。 图 1 � A钢韧性值和硬度随变形温度的变化 Fig. 1� Change in toughness and HV5 of steel A with deformation temperature ( a) 900 变形 30% ; � ( b) 780 变形 30% 图 2 � A钢热变形后的组织 Fig. 2 � Microstructures of steel A after hot deformation 2. 2 � 变形温度对含 Nb钢组织的影响 D钢经1 050 奥氏体化后和各温度终轧空冷 后的组织如图 3所示,由图可知,随着终轧温度的降 低,铁素体的尺寸逐渐变小,含量增多, 贝氏体团由 于受到铁素体的分割, 尺寸也逐渐变小。当终轧温 度降至 800 后,铁素体发生了明显的细化, 760 终轧后铁素体晶粒进一步细化。Nb 的碳化物通过 形变诱导方式析出,析出的量、尺寸大小和变形温度 ∀73∀ 钢 � 铁 第 44 卷 有关,变形温度越低析出的 Nb 的碳化物颗粒直径 越小且更弥散分布[ 3] 。未变形的奥氏体中 Nb 的碳 化物析出非常慢,孕育期至少需要 300 s, 奥氏体形 变能显著促进 Nb 的碳化物析出 [ 4]。由于 Nb 的碳 化物钉扎位错, 析出物越弥散细小, 钉扎作用越明 显,而未回复的位错又为后续的铁素体相变提供了 更多的形核位置, 含 Nb 钢降低变形温度能更好地 细化铁素体晶粒, 提高材料的强韧性。 ( a) 930 ; � ( b) 840 ; � ( c) 800 ; � ( d) 760 图 3 � D钢经不同温度终轧后的组织 Fig. 3� Microstructures of steel D finish rolled at different temperature 2. 3 � 含 Nb钢与不含 Nb钢的试轧 B、C、D 3种实验钢在不同终轧温度下的冲击韧 性值如图 4( a)所示, 屈服和抗拉强度如图 4( b)所 示。从图 4( a)可看出, 随着终轧温度的降低, 韧性 值均增加,在相同终轧温度下,含 Nb的 D钢韧性值 显著高于 B钢和 C 钢, 从图 4( b)可看出, 相同终轧 温度下, D钢的屈服强度最高,而抗拉强度也与高 Si 的 B钢基本一致,从图 4可知, Nb 对于低碳 Mn 系 贝氏体钢的强韧化作用显著。3种钢在 780 终轧 后的 SEM 组织如图 5所示, 可看出 B 钢和 C 钢控 轧后都含有大量的铁素体,且铁素体晶粒相对较大, 含 Nb 的 D钢铁素体含量相对较少, 但铁素体晶粒 最细小,而且均匀分布于晶界和晶内,这对提高强韧 性是非常有利的。 值得注意的是, 从图 4( a)可以看出, 当终轧温 度在 800 以下时, D 钢的韧性随着终轧温度的降 低提高的幅度最大, 说明对于含 Nb 的 Mn 系贝氏 体钢,充分降低终轧温度能更有效地提高组织的强 韧性。需要强调一点: 此类空冷高强高韧低碳 Mn 系贝氏体钢板是在免热处理,不添加贵重合金元素, 工艺简单的基础上获得的, 具有成本低、节省能源、 效率高的优势。 ∀74∀ 第 1 期 王勇围等: 终轧温度对低碳 Mn 系贝氏体钢性能的影响 3 � 结论 ( 1) 随着变形温度的降低, M n系贝氏体钢组织 发生细化,韧性有效提高。 ( 2) 加Nb 后的 Mn 系贝氏体钢经热变形后, 铁 素体在晶界和晶内都大量形核, 当终轧温度降至 800 左右, 铁素体和贝氏体团明显细化。含 N b 钢随着终轧温度的降低, 韧性提高的幅度比不含N b 钢更大,性能对终轧温度更敏感。 参考文献: [ 1 ] � 徐平光,白秉哲,方鸿生.高强度低合金中厚钢板的现状与发 展 [ J] .机械工程材料, 2001, 25( 2) : 4. ( XU Pin g�guang, BAI Bing�zhe, FANG H ong� sheng. Curr ent Status and Develop� ment of High St rength Low Alloy Steel Plate[ J ] . Materials for Mechanical Engineerin g, 2001, 25( 2) : 4. ) [ 2 ] � 王建平,杨志刚,白秉哲, 等.奥氏体形变对仿晶界铁素体/粒 状贝氏体组织及强韧性的影响[ J] . 金属学报, 2004, 40 ( 3 ) : 263. ( WANG Jian�ping, YANG Zhi�gang, BAI Bing� zhe, et al . Inf luence of Au stenite Deformation on the Microst ructure St ren gth and Toughnes s of the Grain Boundary Allot riom or� phic Ferrit e/ Granu lar Bainite Duplex S teel[ J ] . Acta Metal� lurgica Sinica, 2004, 14( 3) : 263. ) [ 3 ] � Dut ta B, Palmiere E J, Sellars C M. Model ling the Kin et ics of St rain In du ced Precipitat ion in Nb M icroalloyed Steels [ J] . Acta Mater, 2001, 49: 785. [ 4 ] � 陈国安,杨王玥,郭守真,等.低碳微量铌钢过冷奥氏体形变过 程中的碳氮化物析出[ J] .北京科技大学学报, 2005, 27( 3) : 302. ( CH EN Guo�an, YANG Wang�yue, GUO Shou�zhen, et al. Carbonit ride Precipitates During Deformat ion of Undercooled Austenite in Nb�Microalloyed Steel [ J] . Journal of University of Science and Technology Beijing, 2005, 27( 3) : 302. ) ∀75∀