微合金高强度低碳贝氏体钢中不同强化方式的作用 - 图文

微合金高强度低碳贝氏体钢中不同强化方式的作用

王克鲁，鲁世强，李鑫，郑海忠，董显娟

（南昌航空大学材料学院，江西 南昌 330063）

摘 要：为了掌握不同强化方式的强化作用，采用正电子湮没技术、透射电子显微镜及扫描电子显微镜分析了热轧和回火处理后微合金高强度低碳贝氏体钢的显微组织、位错密度及第二相粒子的形貌及尺寸，对其屈服强度进行了定量计算，并采用多功能材料试验机对试验钢的力学性能进行了测试。结果表明：试验钢的位错密度约为2.65×10m，位错强化是该类钢主要的强化方式，对屈服强度的贡献值约327MPa，占试验钢屈服强度的41.3%；试验钢中存在大量细小弥散的球状或近球状的(Ti,Nb)(C, N)析出粒子，其尺寸多在10nm以下，析出强化对屈服强度的贡献值约为172MPa，占屈服强度的21.7%；固溶强化和间隙原子强化的贡献值分别约为129MPa和94MPa，分别占屈服强度的16.3%和11.9%。理论计算值与实测值基本吻合。

关键词：强化； 低碳贝氏体钢； 位错强化； 析出强化

中图分类号：TG142.1 文献标志码：A 文献编号：1000-3738

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Strengthening Factors of Microalloyed High Strength Low Carbon

Bainitic Steel

WANG Ke-lu, LU Shi-qiang, LI Xin, ZHENG Hai-zhong，DONG Xian-juan

（Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China）

Abstract: After hot rolling with laboratorial mill and tempering, the microstructure, precipitates and dislocation density of low carbon bainitic steel were investigated using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and positron annihilation technology (PAT). The yield strength was quantitatively calculated. The mechanical properties of the tested steel were determined using multi-function material testing machine. The results show that the dislocation density is about 2.65 × 1014m-2. Dislocation strengthening contributed 327MPa to the yield strength, which account for 41.3% of the yield strength. A large number of fine spherical and near-spherical (Ti, Nb)(C, N) particles were observed and the size of most particles was less than 10nm, which contributed 172MPa to the yield strength. Solution strengthening and interstitial atom strengthening contributed 129MPa and 94MPa to the yield strength, which account for 16.3% and 11.9% of the yield strength respectively. The strength value calculated by the strengthening mechanism model was very close to the measured value.

Key words: strengthening; low carbon bainitic steel; dislocation strengthening; precipitation strengthening

0 引 言

微合金低碳贝氏体钢是一类高强度、高韧性、多用途新型钢种，在桥梁、建筑、车辆、舰船、工程机械及输油管线等方面具有广泛的应用前景。该类钢在成分设计上选择碳、锰、铌、钼、硼、钛的最佳组合，大幅度降低了钢中的碳含量，在较宽的冷却速度范围内都能得到贝氏体组织。由于这类钢中的碳含量较低，因而消除了碳对贝氏体组织及性能的不利影响，在控轧控冷后可得到含有高位错密度的贝氏体基体组织[1-3]。影响低碳贝氏体钢强度的主要因素有合金元素及碳的固溶强化、细晶强化（细贝氏体板条束）、位错强化及铌、钛等微合金元素碳氮化合物粒子的析出强化等，因此该类钢的强韧性匹配极佳，尤其是焊接性能较传统的高强钢有了大幅度提高[4-6]。

收稿日期：2008-11-03；修订日期：2009-09-08 基金项目：江西省自然科学基金资助(0605123) 作者简介：王克鲁 (1968—), 男, 山东省冠县，副教授, 博士 目前常用的低合金钢组织通常为铁素体+珠光体，这类钢的强化机制研究的已较为充分，其组织—性能—成分之间关系已基本确定，而低碳贝氏体钢的强化机制研究较少，不同强化方式对该类钢强度的影响作用仍未作定量分析[7-9]。因此，作者拟分析微合金高强度低碳贝氏体钢的显微组织、位错形貌及密度、第二相粒子析出等，并拟定量分析该类钢的各强化方式所占权重，研究结果可以为低碳贝氏体钢的设计生产提供理论指导。

1 试样制备及试验方法

在实验室真空炉冶炼试验用钢，其化学成分为（质量分数/%）：0.058 C，0.40 Si，1.41 Mn，0.01 P，0.0048 S，0.08 Ti，0.048 Nb，0.45 Cu，0.31 Ni，0.21 Mo和0.005 B，余Fe。将铸锭热锻为80mm厚钢坯，然后在试验轧机上将钢坯轧制成12mm厚钢板。轧制工艺：加热温度1250℃，保温1h；开轧温度为1120℃，终轧温度为850℃。轧后空冷至750℃，然后采用油淬方式将所轧钢板冷却至室温，最后对钢板进行650℃、1h的回火处理。在回火处理后的试样上取标准力学试样和金相试样，采用LEO 1450扫描电子显微镜对试样的组织进行观察；采用H800 透射电子显微镜和碳复型样品，分析了试验钢的第二相粒子的析出行为和位错形貌；采用正电子湮没技术（PAT）对位错密度进行了分析，正电子湮没技术（PAT）具有对原子尺度缺陷十分敏感的特点[10-11]，采用正电子湮没技术（PAT）测定位错密度时，正电子源采用22Na，谱仪分辨函数的半高宽（FWHM）为250ps，每个谱总累计数为106；正电子寿命谱采用通用的POSITRONFIT EXTENDED程序进行拟和，扣除源成分和本底后得到正电子寿命和相应的强度；寿命谱采用三成分自由拟合，并进行了源修正。并在此基础上，定量分析不同强化方式对试验钢强度的影响作用。为了验证屈服强度计算结果的准确性，根据国家标准GB/T 228-2002，在试验钢板取标准拉伸试样，并采用MTS810多功能材料试验机对试验钢的力学性能进行了测试。

2 试验结果与讨论

2.1屈服强度的计算结果

根据文献[12-13]，钢的屈服强度?s可由扩展的Hall-Petch公式来表示：

σs?σ0?σA?σD?σP?σIN?σG （1）

式中： σ0为点阵摩擦切应力，一般取70MPa[13]；σA为固溶强化对强度的贡献；σD为位错强化对强度的贡献；σP为析出强化对强度的贡献；σIN为间隙原子强化对强度的贡献；

σG为晶粒细化引起的强化对强度的贡献，其值为：

σG?Kd?12 （2）

式中：K为常数；d为有效晶粒尺寸，对于铁素体＋珠光体钢，即为铁素体晶粒尺寸；对于贝氏体组织，指贝氏体板条束尺寸。从位错、胞状结构到亚晶和晶界，它们之间的作用是相互联系、相互影响的，晶界强化作用与位错强化效应本质上属于同一类型。当位错密度较低时，一般仅需考虑晶界的作用；当位错密度很高时，将主要考虑位错或位错胞状结构的作用。采用LEO 1450扫描电子显微镜对试样的组织进行了观察，如图1所示。从图1可以看出，试验钢的微观组织主要为准多边形铁素体与贝氏体的混合组织。

图1. 实验钢的显微组织 Fig.1 Microstructure of the tested steel

2.1.1固溶强化

固溶强化是合金元素溶入基体金属中，由于原子尺寸效应、弹性模量效应和固溶体有序化的作用而导致金属的强化，因此固溶强化是通过改变金属的化学成分来提高强度的办法。各固溶元素对强度的影响如下式所示[14]：

σA??ki(xi) （3）

i式中：ki为第i个元素的固溶强化系数；xi为第i个元素在固溶体中的质量百分数。 根据文献[15]，锰在固溶体中的含量取加入量的90%，钼取加入量的50%，硅、铜、磷及镍取加入量的100%。各合金元素的强化系数分别取：锰50，硅86，铜39，钼22，磷470，镍20。由式(3)计算得出试验钢的固溶强化值σA为129MPa。 2.1.2位错强化

位错强化是金属材料中最有效的强化方式之一。所研究的微合金低碳贝氏体钢组织中含有高密度的位错，如图2所示。根据文献[12]，只需考虑位错强化对试验钢强度的贡献，晶粒细化引起的强化作用可不考虑。但目前尚没有定量测定贝氏体钢位错密度的报道，因而位错强化对贝氏体钢强度的贡献也无法准确计算。

200nm 图2 试验钢组织的EEM形貌 Fig.2 TEM image of the tested steel

根据文献[16]，位错密度ρ可采用下式计算：

?p（S?Sp) (4) ???d(Sd?S)其中：S为多普勒增宽谱形状参数；Sp与Sd分别为完整晶格和缺陷位置湮没的S值；λp

为在完整晶格位置的正电子湮没速率，其值为：

λp? 1?p (5)

τP为正电子寿命。根据PAT试验得出的正电子寿命和相应的强度，并采用文献[16]中的计算方法，最终计算出实验钢的位错密度ρ约为2.65×1014m-2。

位错强化可用下式计算[12]：

12σD=?b? (6)

式中：μ为剪切模量，取μ=8.1×104MPa[13]；b为柏氏矢量，取b=2.48×10-7mm[13]。可计算出试验钢的位错强化值σD约为327MPa。

2.1.3析出强化

试验钢中加入了微量的铌、钛等元素，可形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在轧制或轧后冷却时它们可以析出，起到第二相粒子析出强化作用。采用碳复型方法制备样品，利用TEM对实验钢的析出粒子进行了观察分析，如图3所示。从图3中可看出，析出的第二相粒子多呈球状或近球状弥散分布，除少量较大的析出粒子尺寸大于20nm外，多数析出粒子尺寸在10nm以下。对图3中的析出粒子进行了EDS分析，表明这些细小的析出粒子主要为（Nb, Ti）(C, N)。

100nm

图3试验钢中的析出物形貌

Fig.3 TEM micrographs of precipitates in tested steel

采用下式定量计算了析出强化对强度的贡献[12]：

d???b??σP?0.298??ln?2? （5） 3lb????根据TEM观察分析结果得知，析出的第二相粒子平均直径约d=12nm；析出粒子平均间距约l=120nm；μ为剪切模量，b为柏氏矢量；根据公式（5）可以计算出σp约为172MPa。

2.1.4间隙原子强化

间隙原子引起的强化主要是碳、氮、硼等以间隙原子的形式存在于钢中引起的强化（有部分碳、氮原子进入析出相），其值可用下式进行近似计算[12]：

?IN?9.4?104f （5）

式中，f为与间隙原子含量有关的常数，根据文献[12]，其值约为1×10-3，因此间隙原子引起的强化值约为94MPa。

根据以上的分析，计算得出的试验钢的屈服强度为：

?s=70+129+327+172+94=792MPa

2.2 屈服强度的测量结果

测得试验钢的实际屈服强度?s为799.8MPa。

由以上分析与计算可知，各强化方式对屈服强度的贡献是不同的，对试验钢而言，位错强化在屈服强度中起到最主要的作用，约占总屈服强度值的41.3%，其次是析出强化和固溶强化，分别约占总屈服强度值的21.7%和16.3%。计算得出的试验钢的强度值与实测值基本吻合，误差较小，仅1%左右。

3 结 论

（1）试验钢的位错密度约为2.65×1014m-2，位错强化对其屈服强度的贡献值约为327MPa，约占总屈服强度值的41.3%。

（2）试验钢中析出细小的第二相粒子(Nb,Ti)(C,N)，其形状呈球状或近似球状，尺寸多在10nm以下，析出强化对其屈服强度的贡献值约172MPa，约占总屈服强度值的21.7%。

（3）固溶强化及间隙原子强化对试验钢屈服强度的贡献值分别约129MPa和94MPa，分别占总屈服强度值的16.3%和11.9%。

（4）通过计算得出的试验钢的强度值与实测值基本吻合。

参考文献

[1] WANG S C, KAO P W. The effect of alloying elements on the structure and mechanical properties of ultra low

carbon bainitic steels[J]. Journal of Materials Science, 1993, 28: 5169-5175.

[2] YANG J R, HUANG C Y, WANG S C. The development of ultra-low-carbon bainitic steels[J]. Materials and

Design, 1992, 6: 335-340.

[3] 方鸿生, 刘东雨, 徐平光, 等. 贝氏体钢的强韧化途径[J]. 机械工程材料, 2001, 25(6): 1-5.

[4] 黄维刚, 方鸿生, 郑燕康. C-Si-Mn-B系贝氏体钢的强度及强化机制[J]. 钢铁研究学报, 2003,

15(1):38-41.

[5] 尚成嘉, 杨善武, 王学敏, 等. 低碳贝氏体钢的组织类型及其对性能的影响[J]. 钢铁, 2005, 40(4):

57-61.

[6] 王六定, 朱明, 陈景东, 等. 低碳超超高强度贝氏体钢的组织细化[J]. 材料热处理学报, 2007, 28(5):

42-45.

[7] 康永林, 于浩, 王克鲁, 等. CSP低碳钢薄板坯组织演变及强化机理研究[J]. 钢铁, 2003,38(8): 20-26. [8] 聂燚, 董文龙, 赵运堂, 等. 高强度低碳贝氏体钢工艺和组织对性能的影响[J]. 北京科技大学学报,

2006, 28(8): 733-738.

[9] 康永林, 陈庆军, 王克鲁, 等. 700MPa级低碳贝氏体钢的热处理工艺研究[J]. 材料热处理学报, 2005,

26(3)：96-99.

[10] 吴弈初, 张晓红. 正电子湮没技术在金属和合金研究中的应用进展[J]. 物理, 2000, 29(7): 401-405. [11] 王克鲁, 康永林, 于浩, 等. CSP工艺热轧低碳带钢位错形貌及密度分析[J]. 北京科技大学学报, 2003,

25(6): 591-592.

[12] 翁宇庆. 超细晶钢-钢的组织细化理论与控制技术[M].北京:冶金工业出版社, 2003.

[13] MAJTA J, LENARD J G, PIETRZYK M. A study of the effect of the thermomechanical history on the

mechanical properties of a high niobium steel[J]. Materials Science and Engineering A, 1996, 208: 249-259. [14] MAJTA J, KUZIAK R, PIETRZYK M. Modelling of the influence of thermomechanical processing of

Nb-Microalloyed steel on the resulting mechanical properties[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1998, 80/81: 524-530.

[15] V.B.金丝伯格. 板带轧制工艺学[M]. 北京:冶金工业出版社, 1998.

[16] KANG Y L, WANG X J. Dislocation densities of deformed steel sheets based on positron annihilation[J].

Journal of University Science and Technology Beijing, 1998, 5(1): 47-50.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rg3h.html