V(C-N)在奧氏體中析出動(dòng)力學(xué)研究(低合金鋼會(huì)議)

1、低碳飢氮微合金鋼中V(C,N)在奧氏體中的析出動(dòng)力學(xué)研究楊才福，龔維幕，張永權(quán)鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京100081摘要：控制VN在奧氏體中的有效析出是利用VN誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體細(xì)化鐵素體晶粒 的關(guān)鍵技術(shù)。本文采用應(yīng)力松弛法研究了低碳帆氮微合金鋼V(C,N)在奧氏體區(qū) 的等溫析岀行為，結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼的析出-溫度-時(shí)間(PTT)曲線呈典型的“C” 形狀，本實(shí)驗(yàn)條件下析出開(kāi)始時(shí)間最短的“鼻子”溫度為870C左右。增加鋼中 的碳、氮含量以及形變量等對(duì)PTT曲線有較大影響，均使“C”曲線向短時(shí)間方 向移動(dòng)，特別是氮含量對(duì)V(C,N)析出的影響最顯著。在碳含量為0.10%左右的 試驗(yàn)鋼中，當(dāng)?shù)繌?/p>

2、36ppm增加到140ppm時(shí)，可使870C的析出開(kāi)始時(shí)間從 400s縮短到70s左右。關(guān)鍵詞：V(C, N)析出 應(yīng)力松弛法 氮含量1前言傳統(tǒng)的控軋工藝通常是在低溫(奧氏體未再結(jié)晶區(qū))大變形的工藝條件下， 來(lái)細(xì)化鐵素體晶粒，但I(xiàn)II于受軋機(jī)、生產(chǎn)速率等條件的限制，長(zhǎng)形材、厚壁H型 鋼等產(chǎn)品通過(guò)傳統(tǒng)的TMCP工藝獲得高強(qiáng)度高韌性的配合是十分困難的。為了尋 找細(xì)化鐵素體晶粒改善強(qiáng)韌性的新辦法，人們開(kāi)展了大量的研究工作，過(guò)去在中 碳鋼中開(kāi)發(fā)的夾雜物冶金和IGF(Intra-granular ferrite)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這一 口標(biāo) 提供了新的思路。Kimura等人通過(guò)對(duì)不同顆粒上鐵素體形核的界面能和驅(qū)

3、動(dòng)力 的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，TiX. VN、TiC、VC等顆粒十分有利于鐵素體形核叭根據(jù)這一理論 基礎(chǔ)，人們開(kāi)發(fā)出了適合在小變形生產(chǎn)條件下獲得細(xì)晶鐵素體組織的新一代TMCP 工藝(也稱為第三代TMCP工藝)。付俊巖、孟繁茂等進(jìn)一步指出VN與bcc-Fe共格性最好,TiN次之。高N-V-Ti 鋼中VN和TiN為晶內(nèi)鐵素體形核的最佳觸媒。在帆氮微合金鋼中，利用VN作 為晶內(nèi)鐵素體異質(zhì)形核的核心從而細(xì)化鐵素體晶粒，正受到日益廣泛的關(guān)注。眾 所周知，只有在奧氏體中析出的VN顆粒才能提供形核的位置，并促進(jìn)IGF的形 成。但一般認(rèn)為，在奧氏體區(qū)中VN是很難析出的，對(duì)VN在奧氏體中的析出動(dòng)力 學(xué)以及控制其析出的影響因

4、素，特別是氮含量和碳含量對(duì)VN析出動(dòng)力學(xué)影響的研究還未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道，因此開(kāi)展這 方面的研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。2試驗(yàn)方法采用應(yīng)力松弛來(lái)測(cè)定微合金鋼的析出動(dòng)力學(xué)曲線，被認(rèn)為是訂前最有效地測(cè) 定析出動(dòng)力學(xué)曲線的方法之一，主要適用于奧氏體中的等溫析出動(dòng)力學(xué)等方面的 研究“】，本實(shí)驗(yàn)也釆用了這種方法。針對(duì)典型用途的結(jié)構(gòu)鋼種，選取了不同碳、氮含量的四種試驗(yàn)鋼，在真空感 應(yīng)爐上冶煉，澆注成50kg的鋼錠，其化學(xué)成份見(jiàn)表1所示。將上述成份的鋼錠 加熱到1200C保溫后，鍛造開(kāi)坯，終鍛溫度為10001100Co再將毛坯加熱到 1200C,軋成 18X130 XL (mm)鋼板。表1試驗(yàn)鋼的化學(xué)成份

5、(砒紀(jì)編號(hào)CSiMnSPVN (ppm)AlsCl0. 200.451.350. 0060. 0090. 101100. 005C30. 110.411.320. 0060.0100. 111400. 005C40. 060.411.320. 0060.0100. 111400. 005N10. 090. 421. 300. 0060.0100. 10360. 005取10X15mm規(guī)格的試樣，在Gleeble 3500試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗(yàn), 為降低試樣軸向溫度梯度，采用不銹鋼壓縮壓頭，并在試樣和壓頭之間插入低導(dǎo) 熱性的鉗片，以保證試樣沿長(zhǎng)度方向溫度均勻，提高試驗(yàn)精度。將試樣以10C/s

6、 加熱到1200C保溫600s,再以10C/s冷到不同的T2溫度，保溫60s后,以0. 1 的應(yīng)變速率進(jìn)行變形，然后進(jìn)行等溫應(yīng)力松弛，試驗(yàn)工藝如圖1所示。對(duì)不同保溫時(shí)間的淬火試樣用SPEED法(Selective PotentiostaticEtching by Electrolytic Disslution即非水溶選擇性恒電位電解侵蝕法)腐蝕，然后在S-4300型場(chǎng)發(fā)射掃描電 鏡上觀察了 V(C, N)的析出和分布。3試驗(yàn)結(jié)果3. 1典型的析出一溫度一時(shí)間(PTT)曲線根據(jù)Thermo-Calc軟件的計(jì)算，四種試驗(yàn)材料在1000-U00C溫度范圉以 下即已開(kāi)始平衡析出，參考工業(yè)上常用的軋制溫

7、度區(qū)間，模擬終軋形變的溫度 T2 選取了 800 950C 間的 5 個(gè)溫度，分別是 800C, 850C, 870C, 900C, 950C, 另外選取了 5%、10%和15%三種不同的形變量。采用Gleeble-3500試驗(yàn)機(jī)測(cè) 試了應(yīng)力松弛曲線，應(yīng)力松弛曲線中的拐點(diǎn)Ps、Pf點(diǎn)分別表示V(C,N)析出的開(kāi) 始時(shí)間和終了時(shí)間，如圖2所示。150-aviv120906030-0.1101001COO10000Time.s圖2試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力松弛曲線，圖中Ps、Pf即為示出的析岀開(kāi)始和終了點(diǎn)用不同溫度(800-950C)下測(cè)得的開(kāi)始析出時(shí)間和終了時(shí)間(圖3a)作 圖則可得圖3b所示的PTT曲線。

8、山該曲線可以看出，沉淀析出的PTT曲線是典 型的“C”曲線形狀，表明在一定的奧氏體化條件下，沉淀發(fā)生具有一個(gè)最快的 析出溫度，在本實(shí)驗(yàn)條件下鼻點(diǎn)溫度均在870C左右。圖3試驗(yàn)得到C3的應(yīng)力松弛曲線以及由此作出的PTT曲線3.2碳含量對(duì)PTT曲線的影響在預(yù)應(yīng)變0. 1的條件下，當(dāng)碳含量從0. 06%增加到0. 20%時(shí)，試驗(yàn)鋼的PTT曲 線顯著向短時(shí)間方向移動(dòng)，結(jié)果示于圖4。從圖中可以看出，碳含量對(duì)V(C,X) 的析出有較大影響，以870C的析出開(kāi)始時(shí)間為例，碳含量為0.06%時(shí)開(kāi)始析出 時(shí)間為140s,含碳量為0. 11%時(shí)開(kāi)始析出時(shí)間為70s左右,碳含量增加到0.20% 時(shí)開(kāi)始析出時(shí)間僅為7

9、so其析出結(jié)束時(shí)間則分別為900s、600s、90s左右(圖 中從略)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加鋼中的含碳量，能顯著促進(jìn)V(C,N)在奧氏體 中的析出。9 9 3 2p10圖4 碳含量對(duì)PTT曲線的影響3.3氮含量對(duì)PTT曲線的影響選取碳含量相近（0. 10%左右）的兩種試驗(yàn)鋼，其氮含量分別為140和36ppm（見(jiàn)表1中C3和N1鋼），試驗(yàn)測(cè)得的PTT曲線示于圖5中，從圖中可以看出， 氮含量增加會(huì)使PTT曲線強(qiáng)烈地向左移動(dòng)，同樣以870C為例，氮含量為36ppm 時(shí)其析出開(kāi)始時(shí)間為400s,而當(dāng)?shù)吭黾拥?40ppm時(shí)析出開(kāi)始時(shí)間急劇減小 到70s左右，相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)。與此相應(yīng)的析出結(jié)束時(shí)間

10、分別為2200s、500s 左右（圖中略）。需要指出的是，如圖5所示在800C可能山于相變的原因，未 能測(cè)得氮含量為36ppm的試驗(yàn)鋼真實(shí)的析出開(kāi)始時(shí)間。140ppin N 36ppmNL o1A50100 1000Time.s圖5氮含量對(duì)PTT曲線的影響圖6預(yù)應(yīng)變量對(duì)PTT曲線的影響3.4預(yù)應(yīng)變對(duì)V （C, N）析出的影響從圖6可以看出，形變可以加快V（C,N）在奧氏體中的析出過(guò)程，使PTT曲 線向左移動(dòng)，形變量越大析出時(shí)間越短。C4鋼在預(yù)應(yīng)變?yōu)?.05、0.10、和0.15 的情況下，在870C的析出開(kāi)始時(shí)間分別為200s、140s和100s左右。其析出結(jié) 束時(shí)間比較接近，分別約為1300

11、s、1000s、900s （圖中略）。通過(guò)比較不難發(fā)現(xiàn) 相對(duì)于碳、氮含量而言，形變的影響較小。值得注意的是C4鋼預(yù)應(yīng)變?yōu)?.05的試樣 800C時(shí)，可能山于相變干擾等因素，析出開(kāi)始時(shí)間的真實(shí)信息沒(méi)有反映出來(lái)。4分析與討論用Thermo-Calc軟件計(jì)算了 V(C,N)在本文四種試驗(yàn)材料中的析出驅(qū)動(dòng)力， 其結(jié)果示于圖7o (a)為不同試驗(yàn)鋼中V(C,N)析出驅(qū)動(dòng)力的訃算值，由圖中C3 和門鋼的對(duì)比可以看出，氮含量對(duì)析出驅(qū)動(dòng)力的影響比碳含量更為顯著，這就 很好地解釋了 3. 3中碳含量相近(0. 10%左右)氮含量分別為140和36ppm的兩 種試驗(yàn)鋼，在鼻點(diǎn)的析出開(kāi)始時(shí)間卻相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)的原因

12、。無(wú)論是在奧氏體 還是在鐵素體中，VN的溶解度都要比VC低得多，也就是說(shuō)在熱力學(xué)上的形 成有更大的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，只要基體內(nèi)有足夠的氮存在，這種更大的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力將 使得在奧氏體或者鐵素體內(nèi)部都優(yōu)先析出富氮的V(C,N),這也是X含量成為控 制V(C,N)析出的關(guān)鍵因素之一的原因。從圖7 (a)中還可以看出，在平衡析出開(kāi)始溫度附近的較高溫度下，碳含 量對(duì)V(C,N)析出的影響不大，但隨著溫度的降低，碳含量的影響有增加的趨勢(shì)。 同樣在圖7(b)中看出，隨著溫度的降低V(C,N)中C的占位分?jǐn)?shù)有上升的趨勢(shì), 在800 900C溫度范圍內(nèi)，析出的V(C, N)中C的占位分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到20-40%, 這個(gè)溫度

13、范圍內(nèi)碳含量對(duì)V(C, N)的析出具有較大的影響，這一點(diǎn)在本文的試驗(yàn) 工作中得到了很好的驗(yàn)證，與圖4中碳含量增加使PTT曲線顯著向左移動(dòng)的結(jié)論 是一致的。TEMPERATURE CELS EUS6 5 4o) *0出比09三1告A9 8 7 0 0 0TEMPERATURECELSEUS06 5 4 3 20 G 0 0 00.(a)(b)圖7 (a)計(jì)算的V(C,N)析出驅(qū)動(dòng)力，(b)計(jì)算的析出V(C,N)中N的占位分?jǐn)?shù)另外，C4 (預(yù)應(yīng)變?yōu)?. 05條件下)和XI鋼在800C時(shí)應(yīng)力松弛曲線上沒(méi) 有反映出真實(shí)的沉淀相析出信息，分析認(rèn)為可能與800C保溫過(guò)程中有相變行為 發(fā)生有關(guān)。對(duì)C4鋼而言

14、，800C預(yù)應(yīng)變?yōu)?.05時(shí)沒(méi)有得到析出開(kāi)始信息，而預(yù) 應(yīng)變0.10、0.15時(shí)則得到了析出開(kāi)始的信息，這可能是曲于形變促進(jìn)了析出的 緣故，錯(cuò)開(kāi)了析出和相變開(kāi)始時(shí)間等原因，仍然得到了完整的析出開(kāi)始信息。5結(jié)論(1) 低碳帆氮微合金鋼中V(C,N)在奧氏體中的析出等溫PTT曲線是典型的“C”形狀，鼻點(diǎn)溫度約為870C,在本試驗(yàn)條件下最短保溫7s左右V(C, N)即開(kāi) 始析出；(2) 增加碳含量和形變量，均使PTT曲線向左移動(dòng)，加速V(C,N)在奧氏體中的 析出；(3) 隨著氮含量的增加，V(C,X)在奧氏體中的析出驅(qū)動(dòng)力急劇增大。在本試驗(yàn) 條件下當(dāng)?shù)繌?6ppm增加到140ppm時(shí)，在870

15、C時(shí)的析出開(kāi)始時(shí)間將 從400s左右縮短到70s左右；(4) V(C, N)在奧氏體中的析出動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果給人以新的啟發(fā)，適當(dāng)增加帆 鋼中的含氮量，并在適當(dāng)?shù)臏囟阮A(yù)變形，促進(jìn)V(C,N)在奧氏體中的析出， 為IGF的形成并細(xì)化晶粒提供一條有效的途徑。參考文獻(xiàn)1 TKimura, A0hmori, and FKawabata, et al Ferrite Grain Refinement through Intra-granular Ferrite Transformation on VN Precipitates in TMCP of HSLA Steel A 無(wú)International

16、Conference on Thermomechanical Processing of Steel & Other MaterialsCWollongong, Australia, 1997 645一6512付俊巖，孟繁茂.高銳氮微合金化鋼的物理冶金及英應(yīng)用A.新三級(jí)鋼筋推廣暨銳氮微合 金化技術(shù)研討會(huì)論文集C.北京：中信金屬公司,2000. 126-146.3 LIUW. J, JONASJJA Stress Relaxation Method for Following carbonitride Precipitation in Austenite at Hot Working Temperatures Metallurgical Transactions A, 198& Vol 19A(JUNE): 1403-1413.4 LIU W J, JONAS J J Ti (CN) Precipitation in Microalloyed Austenite during Stress Relaxation. Metallurgical Transactions 扎 198& Vol. 19A(JUNE): 1415-1424.5徐勇，程必賢.鐳含量對(duì)15MnV鋼銳化合物溶解析出的影響A.劉嘉禾.銳鈦錠等微合金 化元素在低合金鋼中應(yīng)用基礎(chǔ)的研究C.北京