Nb含量对低合金高强钢微观组织和力学性能的影响
林轩艺,王红鸿,鄢文泽
(武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室,湖北 武汉,430081)
含Nb低合金高强钢(HSLA)具有强度高、韧性好且加工性能优等特点,被广泛应用于汽车工业、建筑、航空航天等领域[1-4]。Nb元素主要通过细晶强化和沉淀强化来提升钢的力学性能[5-6]。Nb微合金化可促使轧制过程中纳米级第二相粒子Nb(C,N)的析出,一方面起到钉扎奥氏体晶界、阻止晶粒长大的作用,并且能抑制先共析铁素体相变,促进针状铁素体形核;另一方面,基体中弥散分布的Nb(C,N)还起到钉扎位错,阻碍位错滑移的作用[7-8]。有研究表明[9],当Nb含量低于0.04%时,细晶强化是主要强化机制,而当 Nb含量超过0.04%,细晶强化带来的强度增量基本不变,此时钢强度增加则主要依靠沉淀强化。由此可见,Nb添加量对HSLA钢组织与性能影响较大。于庆波等[10]研究了热处理温度对不含Nb和Nb含量为0.015%钢奥氏体晶粒尺寸的影响,结果显示,当加热温度达到1240 ℃,Nb含量为0.015%的钢中奥氏体晶粒会突然长大,而不含Nb钢奥氏体晶粒尺寸没有明显变化。Siradj[11]研究了Nb含量对HSLA钢奥氏体晶粒长大行为的影响,结果表明,高Nb高C钢的奥氏体晶粒生长速率慢于低Nb低C钢。Lee等[12]研究表明,随着Nb含量从0增加至0.081%,微合金钢铁素体转变开始温度与贝氏体转变开始温度均降低,晶粒尺寸呈减小趋势。唐正友等[13]模拟了不同Nb含量TRIP钢的热轧过程,发现钢的抗拉强度与硬度均随着Nb含量的增加而提高,但残余奥氏体含量随之下降。研究显示,添加适量Nb(0.01%～0.02%)保证了钢焊接热影响区粗晶区冲击韧性,但过量Nb则会促进贝氏体转变,导致钢韧性下降[14-15]。由此看来,添加Nb对HSLA钢力学性能的提升并不总是起到正向作用,故如何确定合适的Nb添加量对于提升HSLA钢力学性能具有重要的研究价值,而目前关于Nb添加量超过0.08%的研究还报道较少。
为此,本文在HSLA钢中添加不同质量分数的Nb元素(0～0.180%),研究了Nb含量对钢微观组织和力学性能的影响,以期为HSLA钢工业生产中的合金成分设计提供参考。
本研究设计了4种Nb含量不同的低合金高强钢,采用控轧控冷技术(TMCP)工艺轧制得到12 mm厚钢板,测得各试验钢的成分如表1所示。
表1 试验钢的化学成分(wB/%)
从各钢板上截取块状金相样品,依次经打磨、抛光后,利用4%硝酸酒精溶液腐蚀5～8 s,利用Olympus BM51型光学显微镜观察各试样的微观组织,并采用截线法估测各试验钢的平均晶粒尺寸(误差为标准差);利用Nova 400 Nano型场发射扫描电镜(SEM)观察钢中析出相形貌、成分及分布,并对0.085%Nb和0.180%Nb钢样中析出相尺寸和数量进行统计(各选取6个放大倍数为10 000倍的视场)。依据GB/T228.1-2021,在钢板上截取尺寸如图1所示的试样,在DNS600万能材料试验机上进行室温拉伸试验。根据GB/T229-2020,在钢板上切取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的标准夏比V型缺口冲击试样(缺口角度为45°,缺口根部半径为0.25 mm,缺口深度为2 mm),分别在-20、-40、-60 ℃低温条件下进行平行于轧向(横向)和垂直于轧向(纵向)的冲击实验(设备为ZBC2602-B摆锤式冲击实验机),各试验钢的冲击吸收功取3组实验的平均结果,误差为标准差。
图1 室温拉伸实验试样尺寸(单位:mm)
2.1 试验钢的显微组织
图2为试验钢的金相组织,可以看出,Nb-free钢组织由粗大的多边形铁素体(PF)和少量贝氏体(B)组成,平均晶粒尺寸为(11.84±1.53)μm;添加少量Nb时,对应0.025%Nb钢组织由针状铁素体(AF)和贝氏体组成,平均晶粒尺寸减至(5.04±0.57)μm;随着Nb含量继续增加,0.085%Nb和0.180%Nb钢组织均以贝氏体为主,其平均晶粒尺寸依次为(4.51±0.19) μm和(4.61±0.48) μm,其中0.180%Nb钢的平均晶粒尺寸略大,0.085%Nb钢平均晶粒尺寸的标准差最小,表明该钢晶粒最为细小且分布更均匀。
(a)Nb-free钢 (b)0.025%Nb钢
图3所示为0.085%Nb和0.180%Nb钢中析出相形貌、成分及分布。结合图3和表1可知,由于试验钢中未添加其他碳化物形成元素,故钢中析出相只能为NbC或Nb(C,N)。钢中析出相均为亮白色颗粒状,弥散分布在基体和晶界处,随着Nb含量增加,析出相尺寸和数量均有所增加,统计得到0.085%Nb钢样所选视场中共有188个尺寸在50～300 nm范围含Nb析出相,0.180%Nb钢样所选视场共有275个尺寸分布在100～600 nm的含Nb析出相。
(a)0.085%Nb钢
2.2 试验钢的力学性能
表2所示为试验钢的室温拉伸力学性能。由表2可见,相比于Nb-free试样,添加微量Nb元素(w(Nb)=0.025%)钢的屈服强度Rel和抗拉强度Rm均明显提升,其增幅依次为33.1%和14.8%,随着Nb含量由0.025%增至0.180%,钢的强度值提升幅度减缓,其增幅仅为4.4%和15.4%,计算得到相应试验钢的屈强比也由91.5%降至82.8%。试验钢的塑性指标(延伸率A和断面收缩率Z)随着Nb含量的升高略有下降,其中0.025%Nb钢的塑性最佳。
表2 试验钢的室温拉伸力学性能
试验钢沿纵向和横向的低温冲击实验结果如图4所示。由图4(a)可知,实验温度范围(-20～-60 ℃),Nb-free钢的纵向冲击吸收功波动明显,在-60 ℃下进行冲击实验时,Nb-free钢冲击吸收功仅为229 J,此温度下钢低温韧性较差;添加不同含量Nb后,试验钢的纵向冲击吸收功较为稳定,维持在240～250 J范围,随着实验温度的降低,试验钢冲击吸收功甚至略有提升,表明Nb微合金化提高了HSLA钢的纵向低温韧性。由图4(b)可知,在实验温度范围,0.180%Nb钢的横向冲击吸收功随着温度降低而减小,当实验温度为-60 ℃时,该钢横向冲击吸收功仅为201J;0.025%Nb钢横向冲击吸收功在-20、-40 ℃下较为稳定,约245 J,而在-60 ℃下降低至227 J;Nb-free钢和0.085%Nb钢的横向冲击吸收功在实验温度范围保持稳定,其中0.085%Nb钢的横向冲击吸收功最高,维持在245 J附近。
(a)纵向冲击吸收功
综合考虑不同温度下横向和纵向冲击实验结果,当Nb含量为0.085%时,试验钢的低温冲击韧性最为稳定。
3.1 晶粒尺寸对钢力学性能的影响
晶粒尺寸对钢强度的影响可由Hall-Petch关系得到,即[16]:
σs=σ0+kd-1/2
(1)
式中:σs为钢的屈服强度,σ0可近似为单晶体屈服强度,k为Hall-Petch常数,d为平均晶粒尺寸。本研究中,相比于Nb-free钢,0.025%Nb钢平均晶粒尺寸降低明显,而0.085%Nb钢和0.180%Nb钢的晶粒尺寸相差不大,这与表2中钢的强度变化规律相符。另外,有研究表明,当w(Nb)≤0.04%时,细晶强化为该类钢的主要强化机制[9],而细晶强化对钢屈服强度的影响相较于其对抗拉强度的影响更为显著,这会导致0.025%Nb钢屈强比较大,达到91.52%。若屈强比过高,钢在发生屈服后会迅速断裂,对结构件的安全性造成不利影响[17]。由此可见,利用Nb微合金化来提高低碳钢强韧性的同时,还应注意对屈强比的控制。
由表2还可知,4组钢的塑性较好,延伸率均超过20%,最高达到27.8%。Nb-free钢组织主要由多边形铁素体构成,故其塑性较好,而钢中添加一定量Nb元素后,由于硬质相贝氏体增多[8,13]以及晶粒细化作用,产生更多晶界,当裂纹扩展至晶界时需消耗更多能量,这使得Nb微合金化钢兼具良好的强韧性。
3.2 析出相对钢力学性能的影响
从图4可以看出,添加Nb元素后,试验钢的低温冲击韧性有明显改善。综合纵向和横向低温冲击实验结果来看,0.085%Nb钢的低温冲击吸收功随温度变化的波动幅度最小,且每组数据误差最小,表明0.085%Nb钢的低温冲击韧性在4组试验钢中是最稳定的。
含Nb钢的C、Nb的平衡溶解温度可由下式计算[18]:
lgw[Nb]w[C]=2.06-6700/T
(2)
由此计算得到0.025%Nb钢、0.085%Nb钢、0.180%Nb钢中NbC沉淀的溶解平衡温度分别为1108.54、1281.0、1418.93 ℃,即随着Nb含量增加,试验钢中将有更多NbC析出。
结合图3可知,0.085%Nb钢组织中观察到弥散分布的纳米级NbC析出,尺寸在50～300 nm范围,这可以有效抑制奥氏体晶粒长大,故0.085%Nb钢呈现晶粒细小且均匀的组织结构。当Nb含量增至0.180%时,析出相数量增多,组织中观察到一些尺寸大于500 nm的析出相,而这些粗大的析出相对材料的强韧性提升并无明显促进作用[19-20],其组织均匀性不如0.085%Nb钢,这也使得0.180%Nb钢低温冲击韧性不稳定且数据波动较大。另外,在这些较大尺寸的析出相周围也更容易产生应力集中,导致其延伸率下降。综上所述,0.085%Nb钢的微观组织最为均匀,同时其低温冲击韧性也最为稳定,由此可见,HSLA钢的低温韧性稳定性很可能与组织均匀性密切相关。
(1)不含Nb的试验钢主要由粗大的多边形铁素体及少量贝氏体和针状铁素体组成,其平均晶粒尺寸最大,随着Nb含量增加,钢中贝氏体增多,晶粒逐渐细化,当Nb含量为0.085%时,试验钢平均晶粒尺寸最小。
(2)随着Nb含量的增加,钢中析出的NbC数量逐渐增多,但当Nb含量为0.180%时,钢中观察到一些尺寸大于500 nm的析出相,其组织均匀性相较于0.085%Nb钢有所下降。
(3)由于晶粒细化和沉淀强化的共同作用,试验钢的强度均随着Nb含量的增加而增大,且试验钢塑性较好,延伸率均达到20%以上。
(4)当Nb添加量为0.085%时,试验钢呈现晶粒细小且均匀的组织结构,其表现出最为稳定的低温冲击韧性。
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