普碳钢及中碳V和V+Nb微合金化钢微观组织与性能的关系.pdf

普碳钢及中碳V和V+Nb微合金化钢微观组织与性能的关系
Y Sawada, R.P. Foley, S W. Thompson and G. Kraus
Deparumenl of Melallurgical and Materials Enginecring
Colorado School of Mines. Golden CO 80401
摘要:对含有0.15%V及0.15%V+0.04%Nb、冷却后显微组织为铁素体-珠光体钢的微观组
织和性能进行了确定,并且和不含微合金化元素的钢作了对比。这些钢中的碳含量均为
0.2~0.4%;与普通碳钊相比,含有微合金化元素的钢具有很高的强度以及低的韧性。这些效
果在V+Nb添加的钢中更加突出,其原因可以归结为:与含V的相比,含Nb钢中的相间
析出相尺寸史加细小。将描述微观组织对性能影响的标准回归方程做了修正,可以用来解释
微合金化的作用
微合金中碳创在高温下很容易锻造,并且有析出强化效果,其组织是铁素体-珠光体,
在冷却状态下的屈服强度远远超过500MPal?。直接的前期处理和高强度的结合,使得这类
钢成为成本昂贵的淬火/回火钢的替代产品,而变得引人注日,在包括汽车部件在内的许多
场合下获得了应用。尽管调质状态的微合金化钢在强度方面有竟争力,然而,与淬火回火
创相比,回火到同一硬度时,其韧性偏低,2
在综合提高这类钢的强韧性研究方面,主要努力方向是细化晶粒以及在锻造条件下组织
中含铁素体和珠光体,最直接的方法就是通过细化奥氏体晶粒的尺寸来增加铁素体的形核
位置数量引。奥氏体晶粒尺寸的细化可以通过降低加热和锻造温度来实现?,形成稳定析
出物的微合金化元素也能有效降低奥氏体晶粒生长,AL,V,Nb及T的这种效果非常显著に
另外,铁素体形核速率的増加也可以通过利用加速冷却来实现9?,通过添加Mn可以改善
侏光体组织抵抗断裂的能力,因为Mn有増加珠光体相的效果
改普铁素体/蛛光体韧性的另一个方法则是改变合金元素添加量,在给定碳含量时以增
加铁素体的数量,或者改变铁素体形核位置的分布。Si添加至0.6%时就可以显著提高冷却过
程中的铁素体体积分数1?,V钢中S含量的进一步增加能在MnS顺粒周围提供铁素体形核
位置4?。因此,铁素体不仪在奥氏体晶界处形核,也能在奥氏体内部形核,导致铁素体的
分布更加均匀,以改善韧性。
传统意义上的微合金化技术已经用于轧制板材产品的组织控制的,Nb是这些产品中的首
优元素,因为它能在氏体中析出以阻止较低终轧温度时的再结晶。然而,锻造温度一般比
钆制温度高,因此,通过添加Nb来控制晶粒尺寸并不十分有效。日前,大多数微合金化非
端质钢中的Nb含量在0.01-0.2%"71。V比其它的微合金化元素效果要好,这是因为它的碳
化物和氮化物在奥氏体中的固溶度比Nb或者T要高8。因此,添加V就可以在冷却时得到细
小弥散的析出物。相比较而言,即使在很高的锻造温度下,Nb的固溶程度对温度的变
化都很敏感,其析出量可変?,因此,室温下的力学性能变化也很大。所以,微合金化
创的标准中,允许Nb添加量高达0.07%,但是目前很少有含Nb的非调质钢获得商业化应
用?。T与N可以形成非常稳定的析出物,因此,冷却时不会产生显著的析出强化效果。
除述单一添加微合金化元素的介绍外,复合添加微合金化元素(如N-Ti,Nb-Ti,V-Nb)
由于有复合作用能控制奥氏体晶粒尺寸和析出强化的能力?,因而可能有益。V和i复合添
加由于能形成非常稳定的TiN,目前处于大力开发中2:2,品粒尺寸是通过TiN的形成来得
到保证的,并且i不参与低温析出强化,后一种强化仅仅由V来实现。
尽管含Nb的铁素体/珠光体倒的性能有所差异,但是含V的钢中添加少量的Nb却为晶粒
尺寸控制以及提高强度提供了可能性。Nb与V、N和C结合能将Nb,V(C,N)粒子的溶解温度提
高到接近传统的锻造温度范。Nb,V(C.N)粒子在较宽的温度范围内是稳定的,可以利用
这点对奥氏体晶粒尺寸进行控制,Nb。V(C,N)相的最终溶解可以在冷却过程中产生V和Nb的
共同析出强化效果
本文阐述」『C、V和V+Nb的添加对中碳钢冷却过程中结构-性能-工艺的影响关系,主要
日的是说明V和Nb复合添加的利弊,但也对微合金化铁素体/珠光体的结构和性能做了评
估,其氏体化温度为1000~1200C,保温时间为5~60min。利用1200℃和20min标准热处理
制度对合金元素的作用和冷却时的转变进行了评佔;冷速在0.2~-2.2℃/sec间变化,用来模拟
中小尺寸的锻件中的冷却速度。本研究中,工艺过程里不包括变形。
2实验过程
本研究中试验用的化学成分列于表1。种分别标记为2、2V、V+Nb、3、3V、4、4V
和4V+Nb,数字代表名义碳含量,V和N表示每一种例中所添加的微合金化元素,所有钢中
线留元素的成分相似并且确定了其范団为:<0.01%Ni,<0.01Cr,<0.02Mo,<0.002Ti,<0.003
V,<0.005Nb(Nb和V含量仅对普碳钢而言)。在实验室真空熔炼并且浇恃成锭,模具为锥形,
并且.上.端开口、截面为方形。铸锭在1260C加热,然后热钆成16mm(58英寸)厚的板材,终
钆温度范围为910975℃,热钆态钠板的力学性能和微观组织特征在文献到中已经提供。
首先,将奥氏体晶粒尺寸以及冷却状态下钢的硬度与奥氏体化温度间的函数关系进行了
评佔,考察微合金化元素加入后的钉扎效果以及微合金化元素相的溶解度的变化。为了检验
晶粒尺寸,将尺寸为16x16x16mm的样品在900~1200℃间进行関氏体化20min,水淬后在550
℃回火较长时间。奥氏体晶粒由过饱和苫味酸与稀释剂溶液腐刻显示2的,奥氏体晶粒尺寸
由平均截长度来表征。2V、2V+Nb、4V及4V+Nb钢奥氏体化条件的影响是通过硬度测量
来评個的,这些样品(16x16x150m)首先是在1000~1200℃加热60min,然后进行了空冷。