资源描述：
有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 3 9 D 0 1 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 11 ．0 7 ．0 0 9 含C u 的M n N b B 系超低碳贝氏体钢的强韧化机理 程久珊1 ，刘静1 ，镇凡1 ，徐进桥2 ，郭斌 1 ．武汉科技大学材料与冶金学院，武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．武汉钢铁 集团 公司研究院，武汉4 3 0 0 8 0 摘要对一种含铜超低碳M n N b - B 系微合金钢进行T M C P 工艺，得到屈服强度达8 5 0M P a 的超低碳贝 氏体钢。采用光学显微镜和扫描电子显微镜对试验钢不同板厚处的组织进行观察与分析，通过透射电 子显微镜分析试验钢板条贝氏体问析出物，结果表明，屈服强度8 5 0M P a 超低碳贝氏体钢组织主要为 细小的板条贝氏体，沿板厚方向上贝氏体板条宽度变化不大。板条长度从表层到心部逐渐增大。贝氏体 板条的细化和微细析出物的形态、大小及分布对试验钢的强韧性起决定作用。 关键词金属材料；超低碳贝氏体钢；板条贝氏体；细晶强化；析出强化 中图分类号T G l 4 2 ．3 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 7 0 0 3 9 0 5 H i g hS t r e n g t ha n dT o u g h n e s sM e c h a n i s mo fU l t r a - l o wC a r b o nB a i n i t i c S t e e lC o n t a i n i n gC ui nM n - N b - BM i c r o - a l l o y C H E N GJ i u s h a n l ，L I UJ i n 9 1 ，Z H E NF a n l ，X UJ i n q i a 0 2 ，G U 0B i n 2 1 ．C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g 。W u h a nU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ．R e s e a r c hI n s t i t u t eo fW u h a nI r o na n dS t e e lG r o u pC o r p o r a t i o n 。W u h a n4 3 0 0 8 0 ．C h i n a A b s t r a c t U l t r al o wc a r b o nb a i n i t es t e e lw i t hy i e l ds t r e n g t hu pt o8 5 0M P ai sg a i n e dt h r o u g hT M C P t r e a t m e n to nt h e c o p p e r c o n t a i n i n gM n N b Bm i c r o a l l o y e ds t e e l ．T h em i c r o s t r u c t u r e sw i t hd i f f e r e n t d i s t a n c e sf r o mt h ef a c earei n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h eo p t i c a l m i c r o s c o p ea n ds c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e S E M ．T h ep r e c i p i t a t e si nt h el a t hb a i n i t ea r ed e s c r i b e dt h r o u g ht h et r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y T E M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h eU L C Bs t e e lw i t hy i e l ds t r e n g t hu pt o 8 5 0M P ai sm a i n l yc o m p o s e do ff i n el a t hb a i n i t e ．A l o n gt h et h i c k n e s so ft h es t e e lp l a t e ，t h ew i d t ho ft h e l a t hb a i n i t ed o e sn o tp r e s e n to b v i o u sc h a n g e 。b u tt h el e n g t hi n c r e a s e sf r o mt h es u r f a c et ot h ec e n t e r ．T h e l a t hb a i n i t i cm i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n ta n df i n ep r e c i p i t a t e sp l a yad e c i s i v er o l ei nt h ee x p e r i m e n t a ls t e e l ． K e yw o r d s m e t a lm a t e r i a l ；u l t r al o wc a r b o nb a i n i t i cs t e e l ；l a t hb a i n i t e ；f i n e - g r a i n e ds t r e n g t h e n i n g ； p r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g 超低碳贝氏体钢 U L C B 钢 是近2 0 多年来国 际上新发展的一大类高强度、高韧性、多用途钢 种[ 1 ] 。该钢的合金成分设计已突破了原有的高强度 低合金钢 H S L A 的模式，大幅减少了钢中C 的含 量 一般这类钢中“ t O C ≤0 ．0 5 ％ ，它在常用的快 速冷却时，不会发生铁素体加珠光体转变，生成具有 较高位错密度的贝氏体组织。由于组织中不出现脆 性的渗碳体，彻底消除了碳对贝氏体钢韧性的损伤， 从而使该类钢强韧性匹配极佳，特别是由于钢中含 碳量很低，焊接性能较传统的钢种有了大幅度提 高L 2 ‘3 j 。这类钢种可以直接采用控轧控冷 T M C P 工艺生产，省去了后续热处理环节，生产工艺比调质 钒大大简化，可以大大节约能源和缩短生产周期[ z ] 。 由于U L C B 钢具有良好的强韧性配合、优良的焊接 作者简介程久珊 1 9 8 3 一 ，女，湖北省黄冈市人，硕士，主要从事金属材料及其强韧化等方面的研究。 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 性能、较低的乍产和制造成本，使得该类钢在众多领 域得到广泛运用【4J 。 随着装备制造业全面发展，油气管线、船舶、煤 矿采掘设备、各类工程机械、大型桥梁、车辆等领域 都对大量使用的钢铁材料提i J 高强度、高韧性、易焊 接、长寿命、低成本和节能环保要求一J ，迫切需要屈 服强度为8 2 7M P a 以上、具有优良综合性能及高可 焊性的新一代系列钢种。 针对一种含C u 的M n N b B 系超低碳贝氏体 钢进行研究，分析其强韧化机理。 1试验方法 试验用钢在5 0k g 真空感应炉中冶炼，化学成 分见表1 ，钢种采用M n N b B 系，同时添加C u 等微 量合金元素。 表1 试验用钢的化学成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs t e e l 将钢坯加热至12 0 0 ℃，保温1h ，按两段控制 轧制工艺进行轧制，粗轧压下量大于2 5 ％，精轧压 下量大于7 0 ％，终轧温度为8 4 0 ℃，采J } j 层流冷却 方式进行冷却，终冷温度小于4 5 0 ℃。 热轧后板厚为1 2m m ，在热轧后的钢板表面 2m m 下，沿轧制方向截取拉伸与冲击试样。托伸试 样为圆棒拉伸试样，标距为5 0m m ，在C M T 5 1 0 5 型 电子万能试验机卜进行拉伸试验。冲占试样为标准 夏比V 型缺口冲击试样，缺口方向垂直于轧面，所 用设备为J 陆3 0 B 删冲击试验机。借助光学显微镜 和扫描电子显微镜观察沿轧向上钢板的组织结构。 利j { 】试样的碳膜覆型借助透射电子显微镜观察析出 物形态、大小及分柿，用J E M 一2 0 0 0 F X Ⅱ型透射电镜 和I N C A 能潜仪对组织和成分进行观察和分析。 2试验结果与分析 2 ．1 力学性能 对试样进行托伸和冲击试验后，得到试验用钢 的力学性能参数，结果见表2 。试验用钢的屈服强 度R 。2 达到8 5 0M P a ，2 5 ℃冲击功A 。达到2 0 0J ， 显示出很好的强韧性匹配。 表2 试验用钢的力学性能 T a b l e2M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft e s t i n gs t e e l 2 ．2 显微组织观察 图l 所示为距轧板表面不同距离处的显微组织 照片，观察面为纵截面。试验钢组织丰要足板条贝 氏体，由于在非再结晶温度区控轧，原奥氏体6 6 粒被 压扁旱饼形，中温相变产物为板条贝氏体及少量形 状不规则的粒状贝氏体，在一个贝氏体区内，板条方 向一致，互相平行，为一个贝氏体柬1 2 j 。对比试样不 同位置的显微组织发现，试样表面的变形最大，图l a 和图1 b 为表层组织，奥氏体晶粒被明显拉长。 贝氏体板条贯穿整个奥氏体晶粒，且与奥氏体晶界 呈一定角度分布，板条束尺寸最小，板条束的尺寸较 均匀。图1 c 和图1 d 为距板面1 ／4 处组织，拉长 的奥氏体晶界明湿减少，出现少量等轴晶粒，贝氏体 板条出现交错现象，板条束的尺寸较大，板条较长。 图1 e 和图1 f 为心部组织，晶粒较大且等轴分 布，明显看到平行的贝氏体板条贯穿于整个晶粒，板 条束尺寸最长。整体而占，贝氏体板条束均较细小， 板条间距小。 利用S E M 分别对贝氏体板条尺寸进行了定量 统计，以平行板条的最大长度为贝氏体束的长，垂直 板条的最大宽度为贝氏体束的宽，测镀平均值分别 作为贝氏体板条的长和宽，如表3 所示。由表3 可 知，距轧板表面距离越大，其贝氏体板条束的长度越 大，心部处的板条束长度最大，但是其板条束宽度则 变化不大，心部与表层 1m m 处 相差较小。 表3 贝氏体尺寸 T a b l e3B a i n i t es i z ec h a r t 万方数据 耵色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 埘 23 强韧化机理 斌验铡扳0I M C P1 艺过程巾．由于在加速砖 卸时描钢板厚度方向I ．抟却速度的差异．使得其在 厚度方向上的组织类型4 耐。钢板在冷却过程巾． 肚表膳 s ，和心部 c 的冷却曲线宵一定差异．通 常．、q 挣却到一定温度以后．由于心都反红的作用． 可扎制表而层莅l 度维持往马氏体相变温度以L - m I t 发‘I ．t { 氏悼转变．而对丁低碳见氏体钢可榨制表 ∞J 堪艇q ．砒氏体转崔．为了寝面利中心部位组织和 强度尽感均匀．戊保“心部的冷却速度也在蚍氏体 的棚娈范围内。⋯．可见冷却建度和挎却终l ￡溜度 对试验钳发生贝氏体转变是棚当重要的．试验钢冷 述榨铋适当．其表层与心部均发生贝氏体转变．组织 主要为板条贝氏体。扳条状m 氏体形成于连续斥却 的低碳低合盘钢的见氏体转变温区的盟F 螭．由于 u i 氏体钢巾所古的马氏体嚼栏少．一般可忽略不计． 板条状艇R 休；Ⅱ做视斯p I 嘎俸钢中转变温度最低的 【纵．拒f l l 织彤崽f 有些类似于一般的l M 氏体． n IqJ 。p 氏体不阿帕足．苴- f 1 富碳榭较少．斗IL 不禽 碳化物．似‘J 典剐的正碳化物贝氏体不同柏足- 它弗 m 形成丁B ．点附近的黼腰。圜际L 对这类纰织尚正 统的命名．根据形忐称之为扳条状儿氏体”。分 带于这类组织之问的富碳枢主要是残余奥氏体。裔 磷相冉总体上含前极少．咐此．人部分情况下棚邻的 蚍【t 摊铁索体垭泉“接接牲．扳条削为{ t 错琦成的小 舶腰出界．扳条目【织很细．J } 冉盟女f 强韧性眄配’， 钢扳柱懿氏体佴结黼M 进朴多道趺大变形蚺轧 制．使巽氏悼晶粒充分破碎，随后在来再纠i I 仙Ⅸ进{ T 掣秘变形总脏F 卑大丁7 0 “．奥氏体曲粒醯艇扁． 辟肝成沿轧钳方| _ l J 拭长的’饼肜”品粒．肜娈使化错 和藏他秩陷增多并H 祚“内适有韭形m 和眶- 仙群 值壤带存在．使单亿体秘的打艘品羿面g 【增上．坐堠 带能促使弛氏体转变时 情形桉，叉能抑制蚍氏傩 饿崇体针的长太。“牖再伯聚带阻止贝氏棒教条 发胜．半干亍板杀氏怍啦小能穿丘[ 啦乩．业晶内的扳 条求山m 拄乍俯转．偏转巾度1 j 。芹，i 。迪常n 个奥氏捧品较内．9 1 氏体生K 遇到Ⅱ鼎捍埘全量附． 停止垃腥。Ⅱ品对板泉的偏转现象．虽然小能证叫 址何种机制造成的．似“品会阻碍见氏催生K - 起到 细化板荣束尺寸的竹刚址肯定的。。氏体蟛横长 太时．贝氏体扳条求嚣平多横穿椎个原奥氏阵品札． 板荣康般年会穿过朦奥睡体品羿．奥氏体 事t 厚度决出r W 氏体求们J tq ．闲此原奥氏体“耗地 细小．其冷却过张{ ，彤成的氏体K0 就越细 小‘’。刚1 昕小巾．娃娘照心体- 仙札太辫分在 2 0u n ，“内．M 寸较为细小。彳『研究卉‘认为在拎 却时．不规则的粒状m 氏悼条枉砸奥氏傩- ％粒内先 于扳条蚍瞳体形成．且其具靠丹割板条贝氏体的作 用，可进一步细化组织儿氏体铁索体板条巾彳| 大 博岛密度位错．时铁索作扳条宽度j l 打08p m - 且彼此平行排列．浚种组织不丰q 干位错的移动．造成 均匀仲长率较低．适、q 问火后．一方m I 位钟} 密度柯 所降低．有利于似锵阱移．，j打I 1 ．刨火对残余奥 氏体或马氏休小岛或薄膜有一定改性作用．使甥性 得到研显政降“。 圈I距轧扳表面不周距离处显微 组织照片 箭头方向为轧向 F i g1M I ⋯l r u d u r 。p h o h H “d i f f e r e n t d l s t a n c ％№ms u r h c r 板条蚍托体雕个组织Rd 越小，锕的嵌度就地 大．冲．”韧悱也越蚶1 | 。研究表I 埘’．H } , I IP r { r 1 1 戈系也适用f 氏悼饭条的宽度．H aJ | P e t c h 公式 如式 1 】所H i 式中a 是常数．夫傩棚’r 甲品伟时 的尉娲} 强度D 坫品牲直径．K t 足炭“ 晶掸时强度 影响弹度的常数；埘f 蚍氏体小织则川扳荣宽 代 特品牲A 释f 山此一Ⅱ虬，细小的p 吒体板条求埘 城验钳的强度和剐忡冉一定的如献 万方数据 d d K ，D ‘ 1 埘锕r l i 析f f l 相K 寸 小、分m 形态进{ I 观察分 析图2 所日；为透射电镜F 观察到的D 氏体板条t 析出物彤态．H3 所示为析⋯物封【分能肼图，试验 钢巾析出利顺桄尺J 为10 ～2 0 0n m ，析出颗粒有的 均匀弥散分柑．如H2 a 所小．以的则偏聚在品界， 如附2 b 所示。夫部分析m 州颗牡R 寸集中往3 0 ～1 0 0n Ⅱ．形态以椭嘲状或小规则点状为主．迁有 些呈叫球彤和比较规则的多边形状。对这些析出 颗粒进行能谐分析．发现成分卞坚为N h ，H 和少量 c ⋯S 如阿3 所示析⋯丰串要为f N b ，竹 C N 和 c u ，s 一I 2 ，圈中J * 貌毽椭删或陆条形的为 胄色仓心f 冶蝾部分12 0 1 1 年7 荆 C u ，S 析“j 咧牲- 肜貌呈蹦球形的为N b ．T i 的析出 碳瓤化物，形状早寸方形的为T 禽_ I f } 高的析Ⅲ碳氯 化物。”。在 N hT i C N 或其丛台柑巾除c l 】J s ～I2 j 外，儿乎都有南采的c 叭 u 为非碳化物 形成元索．多“游离忐或eC u 形式存在．电有单独 的Ec u 析出t 皿l 冈3 a ／．其R j j 大小为lu ⋯3 0m 。 在析出颗枉巾．还发现有少量的大颗牲析出物．如图 2 c ，尺寸杠2 0 0n m 止也为N b 和’F i 复合相析 出。这坤细小析出物弥敬分巾于帅氏体板条接体 上．对提高战验锕的强虚有糟税授作用。析出柑址 寸越小，其体e { 分数越太，析i j ；引起的强化嫂粜就越 大“’。 、 ．． ’ 业 圄2 贝氏体板条上析出的微细粒子 F i g2P ㈣n a I ％o nl a t hh a l ．i r e 。 ～_ u ⋯ 一汀 2 L姒．卜。I i 目3 析出物组分能谱 F l B3 E n e r g ys p 髓l r o ma n a l y s i so fe d u c t 3结论 度和韧性选刮良好的匹配6 通血上合埋的台盘化成分和实施适当的T M C P 参考x 献 工艺，町得到屈服蛳度8 5 0 M I ’a 、抗托强度9 5 5 M P an { ’ * 武搬倍* ．趟低∞ 悻月 镕 的古c u 超低碳蛆氏体铡。埘服强度8 5 0M P a 禽 目R ∞”m ⅡMLJ 月镕* R { 撤2 0 0 0 1 2 c u 趟低碳w 氏体钢纰织主要为卸⋯的板条儿氏体， “ 。475 2 ． “} 板厚方向L 贝氏体板条宽度变化币大 板条长度 [ 2 一目f a * t №＆* ，* * n * m n № ⅢR 自 从袁踣剑心酃蓬渐增太。古c u 趣佩截啦氏体锕忧 L ”] n d m 1 m m № 、2 ”8 3 2 ”7 良的强回性依帕于较细的板条n t 氏体组织和弗敞分 【3 一月什H 日* * ＆n g Ⅷ”1 ’。。“月月 目‰ 布的析f | 1 物。通过实施理的T M C Pl - 艺．钢的强 ”””8 6 。o 8 ”蹙8 。2 0 ”川弧2 4 ” 万方数据 7 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 少的铜锌共生氧化矿石进行冶炼，而现代采矿坑遗 留的矿石则足较深部的含铅矿石。 炉渣检测显示炉渣中仅见数量较多的红铜颗粒 及少许白冰铜颗粒，在J S Z S 0 0 1 中直径约7 0 , u m 、 J S Z S 0 0 2 中直径约3 5 0 “m 的白冰铜颗粒，未见明显 的金属铅存在，所有红铜颗粒中无一检出锌的存在， 表明锌未能被还原出来而以锌氧化物形式与F e O 、 S i O 、C a 等形成了炉渣，见表1 和表2 及图4 至图 7 。个别炉渣成分波动较大，但钙含量都不高，冶炼 过程中应该没有添加钙质助熔剂，技术水准不是十 分稳定。此次检测虽然未发现明显的利用含铅矿石 的证据，但不排除古人町能利用过贮量更为丰富的 含铅矿石来冶炼铅或铅青铜的可能。目前所能确认 的是尖山子冶炼遗址是利用尖山子矿区所产的铜锌 共生氧化矿石还原冶炼生产红铜的遗址。 从遗址采集到的带有夏家店下层文化特征的陶 片，以及该遗址的冶炼技术特点与目前掌握的夏家 店上层冶炼技术特点存在明显的差异来看，尖山子 冶铜遗址可能属于夏家店下层文化时期。由于炉渣 中也没发现供测定遗址年代的碳样，采集的大部分 陶片纹饰不清楚，以及专业背景所限，对尖山子遗址 的考古年代的研究工作还需相关专业人员做进一步 的工作。对尖山子遗址所属的矿区古代采矿遗迹遗 物的考察也有待深入，寻找采矿石器及相关文化属 性伴生物将是未来工作的重点。尖山子遗址附近目 前未见着夏家店下层文化遗址，但尖山子遗址西约 1 0k m 的敖包山南1 9 8 1 年曾发现青铜窖藏，出土有 赢1 件、鼎2 件，鼎内盛棕色矿砂【3 ] 。从上述迹象 看，尖山子周边可能存在着以冶铜遗迹为主的夏家 店下层文化遗存，需要开展进一步的考察和研究。 志谢考察期间，得到翁牛特旗政协吴甲才先生 的帮助和支持，谨致衷心感谢 参考文献 1 - 1 3 内蒙古自治区第3 地质大队．内蒙古自治区翁牛特旗 敖包山铅锌矿区详细普查地质报告[ R ] ．北京全国地 质资料馆，7 0 7 1 0 ，1 9 8 3 ． 一 E 2 3 内蒙古自治区有色地勘局1 0 8 队．内蒙古自治区翁牛 特旗敖包山矿区铅锌矿资源储量核实报告及1 4 号矿体 铅锌矿资源储量说明书E R ] ．北京全国地质资料馆， 7 0 7 1 1 ，2 0 0 3 ． [ 3 ] 国家文物局．中国文物地图集内蒙古自治区分册 下 [ M ] ．西安西安地图出版社，2 0 0 3 1 7 4 ． 上接第4 2 页，C o n t i n u e df r o mP 4 2 [ 4 3 侯华兴，于功利，张鹏远，等．冷却工艺对超低碳贝氏 体钢强韧性影响的研究[ J ] ．钢铁，2 0 0 6 ，4 1 3 4 4 5 0 ． [ 5 ] 王有铭，李曼云，韦光．钢材的控制轧制和控制冷却 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 9 3 2 4 7 ． [ 6 ] 刘宗昌，任慧平．贝氏体与贝氏体相变[ M ] ．北京冶 金工业出版社，2 0 0 9 1 8 5 2 4 2 ． [ 7 3 尚成嘉．王学敏，杨善武，等．高强度低碳贝氏体钢的 工艺和组织细化[ J ] ．金属学报，2 0 0 3 ，3 9 1 0 1 0 1 9 1 0 2 4 ． [ 8 ] 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，2 0 0 5 ，4 0 4 5 7 6 1 ． [ 9 ] 陈庆丰，关云，陈邦文，等．超细晶高强贝氏体钢析 出相的研究[ J ] ．钢铁研究，2 0 0 6 ，3 4 6 1 6 2 0 ． [ 1 0 3 柳得橹，傅杰，康永林，等．屈服强度8 0 0M P a 的 低碳微合金钢[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 0 1 ，2 3 4 3 5 7 3 6 1 ． [ 1 1 ] S t r e i s s e l b e r g e rA ，S c h w i n nV ，H u b oR ．M i e r o a l l o y e d s t r u c t u r a lp l a t er o l l i n gh e a tt r e a t m e n ta n da p p l i c a t i o n s [ c ] ／／N i o b i u m2 0 0 1 - - S c i e n c e T e c h n o l o g y ．O r l a n d o ，F l o r i d a ，U S A ，2 0 0 1 6 2 5 6 4 6 ． [ 1 2 ] W a n gXM ，S h a n gCJ ，Y a n gSW ，e ta 1 ．T h er e f i n e m e n tt e c h n o l o g yf o rb a i n i t ea n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] ． M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 6 ，4 3 8 4 4 0 1 6 2 - 1 6 5 ． [ 1 3 ] H i l l e n b r a n dH G ，G r a s sW ，K a l w aC ．高强度管线钢 的发展和生产[ c ] ／／铌科学与技术．中信微合金化 技术中心译． 万方数据
展开阅读全文
