D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.10.004 第30卷第10期 北京科技大学学报 Vol.30 No.10 2008年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2008 卷取后冷却速度对高强度热轧带钢组织的影响 赵志毅)杨晓臻) 薛润东)李杏娥 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)宝钢股份有限公司宝山分公司，上海200941 摘要采用拉伸实验、电镜观察，能谱分析和硬度测试等方法，研究了700MP级高强度钢热轧钢卷组织性能分布不均的特 点，对造成其组织性能不均的原因进行了分析·结果表明，钢卷纵向力学性能分布不均，分布规律为成卷后钢卷的中 部>内部>外部，内部和外部相差不大·沿钢卷纵向，中部试样和外部试样的金相组织、碳氨化物析出状态均存在着明显差 异，这是造成钢卷力学性能不均的主要原因.卷取后的冷却速度对金相组织、碳氮化物析出状态有着重要影响 关键词热轧带钢：卷取；冷却速度；力学性能：碳氨化物 分类号TG335.5+6 Influence of cooling velocity after coiling on the structure of high strength steel ZHAO Zhiy.YANG Xicohen).XUE Rundong.LI Xing'e) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Baoshan Branch of Baoshan Iron and Steel Co.Ltd.,Shanghai 200941,China ABSTRACT The characteristics of property nonuniformity and the cooling velocity after coiling of 700 MPa hot rolled steel plates were investigated by means of tensile test.SEM.TEM,energy spectrum analysis and hardness test,and the reasons that cause these characteristics were analyzed.The results show that the strength of the coil intermediate is the highest,but that of the outside is the lowest.There is significant difference in metallurgical structure and precipitation behavior of carbonitrides in the coil intermediate and outside samples,which is the main reason that causes property nonuniformity.The cooling velocity after coiling is an important factor that affects the metallurgical structure and precipitation behavior of carbonitrides. KEY WORDS hot rolled strip:coiling:cooling velocity:mechanical properties:carbonitride 影响高强钢板性能的因素有很多，已往对高强 对产品性能有着不可忽视的影响，本文主要研究对 度低合金钢组织性能影响因素的研究主要集中在加 7O0MPa级Nb一Ti热轧微合金钢的强韧性有贡献 热温度、变形量和终轧温度、冷却速率、卷取温 的微观组织要素（析出量、析出状态、组织类型和位 度].通常认为钢板成卷后的冷速对产品组织性 错密度)和卷取后冷却速度之间的关系 能影响较小，甚至可以忽略不计，因此很少关注成卷 1 后的冷却速度对产品组织性能的影响，但是，当钢 实验材料和方法 中添加含量较高的合金元素时，成卷后冷速将对钢 实验材料取自宝钢生产的高强度低合金钢卷， 中析出相的析出过程产生明显影响；并且钢板强度 厚度4mm,宽度1200mm,其化学成分（质量分 越高，这种影响越不可以忽略·热轧带钢的轧制时 数，%)为：C,0.070;Mn,1.66;Si,0.21;Mo,Nb,Ti, 间短，终轧温度高，轧后冷却速度快，可使较多的微 V适量， 合金元素在卷取前留在固溶体中，在成卷后冷却过 在钢卷的内部（带钢头部去掉三圈后的位置）、 程中，铁素体中析出的细小弥散颗粒可以产生更有 中部（钢卷的中间位置）、外部（带钢尾部去掉三圈后 效的析出强化，因此，轧制成卷后带钢的冷却速度 的位置)分别取拉伸试样10个，根据国家标准 收稿日期：2007-11-12修回日期：2008-06-10 作者简介：赵志毅(1962一)，男，副教授，博士，Emal:zhaozhiyi@263.nt
卷取后冷却速度对高强度热轧带钢组织的影响 赵志毅1） 杨晓臻2） 薛润东1） 李杏娥1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 宝钢股份有限公司宝山分公司上海200941 摘 要 采用拉伸实验、电镜观察、能谱分析和硬度测试等方法研究了700MPa 级高强度钢热轧钢卷组织性能分布不均的特 点对造成其组织性能不均的原因进行了分析．结果表明钢卷纵向力学性能分布不均分布规律为成卷后钢卷的中 部＞内部＞外部内部和外部相差不大．沿钢卷纵向中部试样和外部试样的金相组织、碳氮化物析出状态均存在着明显差 异这是造成钢卷力学性能不均的主要原因．卷取后的冷却速度对金相组织、碳氮化物析出状态有着重要影响． 关键词 热轧带钢；卷取；冷却速度；力学性能；碳氮化物 分类号 TG335∙5＋6 Influence of cooling velocity after coiling on the structure of high strength steel ZHA O Zhiyi 1）Y A NG Xiaoz hen 2）XUE Rundong 1）LI Xing’e 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Baoshan Branch of Baoshan Iron and Steel Co．Ltd．Shanghai200941China ABSTRACT T he characteristics of property nonuniformity and the cooling velocity after coiling of 700 MPa hot rolled steel plates were investigated by means of tensile testSEMT EMenergy spectrum analysis and hardness testand the reasons that cause these characteristics were analyzed．T he results show that the strength of the coil intermediate is the highestbut that of the outside is the lowest．T here is significant difference in metallurgical structure and precipitation behavior of carbonitrides in the coil intermediate and outside sampleswhich is the main reason that causes property nonuniformity．T he cooling velocity after coiling is an important factor that affects the metallurgical structure and precipitation behavior of carbonitrides． KEY WORDS hot rolled strip；coiling；cooling velocity；mechanical properties；carbonitride 收稿日期：2007-11-12 修回日期：2008-06-10 作者简介：赵志毅（1962—）男副教授博士E-mail：zhaozhiyi＠263．net 影响高强钢板性能的因素有很多已往对高强 度低合金钢组织性能影响因素的研究主要集中在加 热温度、变形量和终轧温度、冷却速率、卷取温 度［1—4］．通常认为钢板成卷后的冷速对产品组织性 能影响较小甚至可以忽略不计因此很少关注成卷 后的冷却速度对产品组织性能的影响．但是当钢 中添加含量较高的合金元素时成卷后冷速将对钢 中析出相的析出过程产生明显影响；并且钢板强度 越高这种影响越不可以忽略．热轧带钢的轧制时 间短终轧温度高轧后冷却速度快可使较多的微 合金元素在卷取前留在固溶体中．在成卷后冷却过 程中铁素体中析出的细小弥散颗粒可以产生更有 效的析出强化．因此轧制成卷后带钢的冷却速度 对产品性能有着不可忽视的影响．本文主要研究对 700MPa 级 Nb—Ti 热轧微合金钢的强韧性有贡献 的微观组织要素（析出量、析出状态、组织类型和位 错密度）和卷取后冷却速度之间的关系． 1 实验材料和方法 实验材料取自宝钢生产的高强度低合金钢卷 厚度4mm宽度1200mm．其化学成分（质量分 数％）为：C0∙070；Mn1∙66；Si0∙21；MoNbTi V 适量． 在钢卷的内部（带钢头部去掉三圈后的位置）、 中部（钢卷的中间位置）、外部（带钢尾部去掉三圈后 的位置） 分别取拉伸试样 10 个根据国家标准 第30卷 第10期 2008年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．10 Oct．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．10．004
,1128 北京科技大学学报 第30卷 GB/T228-2002加工拉伸试样 由图1可知，700MPa级钢板纵向力学性能分 在钢卷的中部、外部分别取金相试样，尺寸为 布不均匀，屈服强度的分布规律为内部737MPa、中 4mm×8mm×10mm长方形试样，将试样轧向面 部792MPa、外部733MPa,中部>内部>外部，中部 (4mm×8mm)磨光、抛光，并用4%的硝酸乙醇溶 大于内部和外部约50MPa左右，内部和外部相差不 液浸蚀，然后在扫描电镜下观察组织 大 用双喷电解方法和碳膜萃取复型方法分别将中 2.2金相组织分布规律 部和外部试样制成金属薄膜样品，用透射电镜观察 700MPa级热轧带钢其金相组织的扫描电镜照 组织和析出情况 片如图2所示，透射电镜照片如图3所示，图4为钢 将钢卷外部样品分别在箱式加热炉中进行时 卷中部试样中的贝氏体和贝氏体内的高密度位错， 效，时效温度分别为500,560和610℃，时效时间 可见700MPa级热轧带钢的基本组织为铁素 分别为15,30,45,60,120和240min.时效结束 体十贝氏体十(MA),晶粒细小，尺寸约在2~6m 后取出，将试样放在保温棉上空冷，并测试其显微硬 左右，沿轧向被拉长，比较图2和3可知，各部位组 度 织形态分布不均匀，不同部位各种组织的含量是不 2 实验结果 同的，沿板带纵向，中部试样中的贝氏体、准多边形 铁素体要比外部试样中的多，外部试样中的组织以 2.1力学性能分布特点 细小的铁素体为主，对相变强化而言，准多边形铁 将7O0MPa级钢板屈服强度实验数据进行处 素体是在低于多边形铁素体转变温度下发生块状转 理，得出钢卷内部、中部和外部强度平均值，如图1 变而成，晶粒尺寸比较大，形状不同于多边形铁素 所示 体，呈高度的不规则形状，边界粗糙，凹凸不平其 800 组织内部有较高的位错密度，使其有较高的强度水 口钢卷内部 780 平及优异的延性.由于钢中加入Nb、Ti和Mo微 回锅卷中部 钢卷外部 合金元素，降低了贝氏体转变温度，因而引起晶粒细 760 化效应，以及亚晶强化和位错亚结构强化).从 740 图4的TEM照片中可以看到，贝氏体中含有大量位 720 错，可以引起位错强化；这些位错缠结可形成大量位 700 错亚结构，从而引起强化，另外，中部试样中的 钢卷内部钢卷中部钢卷外部 (MA)比外部要少，这是因为卷取后钢卷中部冷却 速度较慢，发生自回火现象，原奥氏体薄膜经回火后 图1700MPa级钢卷各部位屈服强度分布规律 Fig.1 Mean yield strengths of different parts of the 700 MPa hot 不再明显，提高了材料的强度.因而，由于不同部位 rolled steel coil 组织存在差别，引起了不同程度的强度变化 b 10 um 10um 图2钢卷中部试样(a)和外部试样(b)组织形貌(SEM) Fig.2 SEM photos of the samples cut from the middle part (a)and outer part (b)of the 700 MPa hot rolled steel coil
GB／T228—2002加工拉伸试样． 在钢卷的中部、外部分别取金相试样尺寸为 4mm×8mm×10mm 长方形试样．将试样轧向面 （4mm×8mm）磨光、抛光并用4％的硝酸乙醇溶 液浸蚀然后在扫描电镜下观察组织． 用双喷电解方法和碳膜萃取复型方法分别将中 部和外部试样制成金属薄膜样品用透射电镜观察 组织和析出情况． 将钢卷外部样品分别在箱式加热炉中进行时 效时效温度分别为500560和610℃时效时间 分别为15304560120和240min．时效结束 后取出将试样放在保温棉上空冷并测试其显微硬 度． 2 实验结果 2∙1 力学性能分布特点 将700MPa 级钢板屈服强度实验数据进行处 理得出钢卷内部、中部和外部强度平均值如图1 所示． 图1 700MPa 级钢卷各部位屈服强度分布规律 Fig．1 Mean yield strengths of different parts of the 700MPa hot rolled steel coil 由图1可知700MPa 级钢板纵向力学性能分 布不均匀屈服强度的分布规律为内部737MPa、中 部792MPa、外部733MPa中部＞内部＞外部中部 大于内部和外部约50MPa 左右内部和外部相差不 大． 2∙2 金相组织分布规律 700MPa 级热轧带钢其金相组织的扫描电镜照 片如图2所示透射电镜照片如图3所示图4为钢 卷中部试样中的贝氏体和贝氏体内的高密度位错． 可见700MPa 级热轧带钢的基本组织为铁素 体＋贝氏体＋（MA）晶粒细小尺寸约在2～6μm 左右沿轧向被拉长．比较图2和3可知各部位组 织形态分布不均匀不同部位各种组织的含量是不 同的．沿板带纵向中部试样中的贝氏体、准多边形 铁素体要比外部试样中的多外部试样中的组织以 细小的铁素体为主．对相变强化而言准多边形铁 素体是在低于多边形铁素体转变温度下发生块状转 变而成晶粒尺寸比较大形状不同于多边形铁素 体呈高度的不规则形状边界粗糙凹凸不平．其 组织内部有较高的位错密度使其有较高的强度水 平及优异的延性［5］．由于钢中加入 Nb、Ti 和 Mo 微 合金元素降低了贝氏体转变温度因而引起晶粒细 化效应以及亚晶强化和位错亚结构强化［6］．从 图4的 TEM照片中可以看到贝氏体中含有大量位 错可以引起位错强化；这些位错缠结可形成大量位 错亚结构从而引起强化．另外中部试样中的 （MA）比外部要少这是因为卷取后钢卷中部冷却 速度较慢发生自回火现象原奥氏体薄膜经回火后 不再明显提高了材料的强度．因而由于不同部位 组织存在差别引起了不同程度的强度变化． 图2 钢卷中部试样（a）和外部试样（b）组织形貌（SEM） Fig．2 SEM photos of the samples cut from the middle part （a） and outer part （b） of the700MPa hot rolled steel coil ·1128· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第10期 赵志毅等：卷取后冷却速度对高强度热轧带钢组织的影响 ,1129. 6 1 um I um 图3钢卷中部试样(a)和外部试样(b)组织形貌(TEM) Fig-3 TEM photos of the samples cut from the middle part(a)and outer part (b)of the 700 MPa hot rolled steel coil (a) h 500nm 200mm 图4中部试样中含有高密度位错的贝氏体组织形貌.(a)贝氏体；(b)贝氏体内的高密度位错 Fig-4 Bainite with high density dislocation microstructure in the samples cut from the middle part of the 700 MPa hot rolled steel:(a)bainite: (b)high density dislocation in bainite 2.3析出相的分布规律 的数量明显高于外部样，在中部样品中除了较大析 由于析出强化是700MPa级热轧带钢的主要强 出颗粒外，还可以看到很多较小的析出粒子.中部 化机制之一，析出量的多少将对强度产生主要影响. 样品中析出颗粒的弥散度明显大于外部样品，利用 图5和图6分别为扫描电镜下观察到的钢卷中部试 透射电镜进一步观察分析显示（图7和图8），中部 样和外部试样中析出相的典型形貌及能谱，图7和 样品中的析出相细小、弥散度大，多为晶界和位错上 图8为透射电镜下观察到的钢卷中部试样和外部试 的析出，可起到有效的强化作用，外部试样中的析 样中析出相的形貌及分布情况， 出相数量少，大小不均，晶内析出较多，弥散度小，有 比较图5和图6，发现中部样品中析出相颗粒 些析出相成，点列状，为相间析出. (a)m 100 (b) 0 《本)利票 Nb % 0 人人A 5.289 10.578 15837 能量keV 图5700MPa级高强度热轧带钢卷中部试样中析出相典型形貌(a)及能谱(b) Fig.5 Typical morphology (a)and energy spectrum (b)of the precipitates in the sample cut from the middle part of the 700 MPa hot rolled steel coil
图3 钢卷中部试样（a）和外部试样（b）组织形貌（TEM） Fig．3 TEM photos of the samples cut from the middle part （a） and outer part （b） of the700MPa hot rolled steel coil 图4 中部试样中含有高密度位错的贝氏体组织形貌．（a）贝氏体；（b）贝氏体内的高密度位错 Fig．4 Bainite with high density dislocation microstructure in the samples cut from the middle part of the700MPa hot rolled steel：（a） bainite； （b） high density dislocation in bainite 2∙3 析出相的分布规律 由于析出强化是700MPa 级热轧带钢的主要强 化机制之一析出量的多少将对强度产生主要影响． 图5和图6分别为扫描电镜下观察到的钢卷中部试 样和外部试样中析出相的典型形貌及能谱图7和 图8为透射电镜下观察到的钢卷中部试样和外部试 样中析出相的形貌及分布情况． 比较图5和图6发现中部样品中析出相颗粒 的数量明显高于外部样．在中部样品中除了较大析 出颗粒外还可以看到很多较小的析出粒子．中部 样品中析出颗粒的弥散度明显大于外部样品．利用 透射电镜进一步观察分析显示（图7和图8）中部 样品中的析出相细小、弥散度大多为晶界和位错上 的析出可起到有效的强化作用．外部试样中的析 出相数量少大小不均晶内析出较多弥散度小有 些析出相成点列状为相间析出． 图5 700MPa 级高强度热轧带钢卷中部试样中析出相典型形貌（a）及能谱（b） Fig．5 Typical morphology （a） and energy spectrum （b） of the precipitates in the sample cut from the middle part of the700MPa hot rolled steel coil 第10期 赵志毅等： 卷取后冷却速度对高强度热轧带钢组织的影响 ·1129·
,1130 北京科技大学学报 第30卷 (a)n 0 b) 80 400 《永品)有板 320 240 160 AlNb w 0 4.897 9.794 能量keV 图6700MPa级高强度热轧带钢卷外部试样中析出相典型形貌(a)及能谱(b) Fig.6 Typical morphology (a)and energy spectrum (b)of the precipitates in the sample cut from the outer part of the 700 MPa hot rolled coil (b) 200nm 200nm 图7钢卷中部试样中析出相典型形貌(TEM),(a)晶界及晶内析出相：(b)位错线上的析出相 Fig-7 Typical morphologies of the precipitates in the sample cut from the middle part of the 700 MPa hot rolled steel coil (TEM):(a)precipitates observed within grains and grain boundaries:(b)precipitates observed on dislocations (a) (b) 200nm 500nm 图8钢卷外部试样中析出相典型形貌(TEM)(a)点列状析出相；(b)晶内析出相 Fig-Typical morphologies of the precipitates in the sample cut from the outer part of the 700 MPa hot rolled coil (TEM):(a)precipitates in the form of spots or spot range:(b)precipitates observed within grains
图6 700MPa 级高强度热轧带钢卷外部试样中析出相典型形貌（a）及能谱（b） Fig．6 Typical morphology （a） and energy spectrum （b） of the precipitates in the sample cut from the outer part of the700MPa hot rolled coil 图7 钢卷中部试样中析出相典型形貌（TEM）．（a） 晶界及晶内析出相；（b） 位错线上的析出相 Fig．7 Typical morphologies of the precipitates in the sample cut from the middle part of the700MPa hot rolled steel coil （TEM）：（a） precipitates observed within grains and grain boundaries；（b） precipitates observed on dislocations 图8 钢卷外部试样中析出相典型形貌（TEM）．（a） 点列状析出相；（b） 晶内析出相 Fig．8 Typical morphologies of the precipitates in the sample cut from the outer part of the700MPa hot rolled coil （TEM）：（a） precipitates in the form of spots or spot range；（b） precipitates observed within grains ·1130· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第10期 赵志毅等：卷取后冷却速度对高强度热轧带钢组织的影响 ,1131, 2.4时效实验 ,1.2d 硬度法是在测量沉淀过程中被广泛使用的一种 △=6Ghf2 In 1.18π2Kd 26 方法门.时效过程中，在满足碳氨化物析出条件的 其中，G是铁基体的切变弹性模量，b是位错柏格斯 情况下，材料内部会不断的有析出发生，并且，随时 矢量的绝对值，K是与位错类型有关的常量，f和d 效时间的延长，二相粒子会发生长大和粗化现象， 当微合金元素达到其平衡固溶度积要求时，析出便 分别为第二相的体积分数和平均直径，由此可见， 不再发生，材料的硬度会随这一过程而变化8]，所 第二相强化的效果与第二相体积分数的1/2次方成 正比，与第二相颗粒尺寸大致成反比，颗粒尺寸越 以在时效过程中硬度变化经常被用来反映材料内部 小，强化效果越大， 的时效析出过程.钢卷的卷取温度是600℃，因而 此钢种的终轧温度较高(900℃)，终轧后快速 对钢卷外部样品在不同温度(500~610℃)进行了 不同时间(0~240min)的时效处理，以此来验证卷 冷却，抑制了微合金元素在奥氏体中的析出，因而， 取后的冷却速度对微合金元素析出的影响，时效温 在形变奥氏体中保留了足够多的固溶微合金元素， 度和时间对700MPa高强钢卷外部试样显微硬度的 使其在随后的卷取(600℃)及卷取后的冷却过程 影响趋势如图9所示 中，在相变后的铁素体和贝氏体型铁素体基体上大 300 量析出，一般来说，在铁素体中沉淀析出的微合金 -b610℃ 碳氨化物的尺寸明显小于在奥氏体中沉淀析出的相 280 ----=-7560℃ 应的微合金碳氮化物，而且其尺寸的均匀性好，所以 260 △500℃ 析出强化作用显著，但是，必须有合适的析出温度 时效前 240 和析出时间10，才能达到最佳的析出过程.在微合 220 金元素的析出温度范围内，随着温度下降，第二相质 点析出逐渐充分，然而从动力学角度考虑，由于钛 200 的扩散激活能高，TiC粒子析出过程是钛长程扩散 0 80120160200240 的结果，需要充分的时间才能保证TC充分析出， 时效时间min 因而，卷取后的冷却速度成为影响TC在铁素体中 图9时效温度和时间对含Nb一Ti高强钢显微硬度的影响 析出过程的重要因素，正是由于钢卷在钢卷库空冷 Fig.Effect of aging temperature and time on the microhardness of 过程中外部的冷却速度大于中部，使外部停留在具 high strength steel containing Nb and Ti 有合适析出温度的时间比中部短，即外部微合金碳 由图9可以看出，在同一时效温度时，随着保温 氨化物的析出时间变短，使析出的体积分数比中部 时间的增长，硬度值增大；保温时间小于60min时， 减小，影响了其析出强化效果，成为钢卷纵向上性能 试样硬度增加较快；保温时间大于60mim后，试样 波动的一个重要原因， 对钢卷外部样品进行时效处理后可知，当时效 硬度值增加较慢，硬度值变化较小，趋于平稳，因此 保温60min对试样硬度的提高最有利，也最经济， 温度为500℃时，时效时间对含Nb-Ti高强钢显微 在同一保温时间，随时效温度的升高，试样硬度值增 硬度几乎没有影响.当时效温度大于500℃时，延 加，实验结果表明，含TiNb高强钢外部试样在时 长时效时间，高强钢的显微硬度明显提高：当时效时 效过程中，发生了微合金元素碳化物的继续析出， 间超过60min后，继续延长时效时间，显微硬度值 变化不大，这可能是由于随着保温时间的延长，高 3分析与讨论 强钢中微合金元素的析出相逐渐达到其平衡固溶度 7O0MPa级高强度热轧带钢卷组织性能分布不 的要求，继续延长保温时间析出相的体积分数不再 均，钢卷中部的强度大于内部和外部，强度的波动是 发生变化，在相同时效时间时，时效温度为610℃ 由其组织（组织类型、析出状态、位错密度等）的不均 试样的显微硬度明显高于500℃时效试样的显微硬 决定的，金相组织的分布不均是性能不均的一个原 度，随着时效温度升高和保温时间延长，时效过程 因，但由于析出强化是此钢种的主要强化机制，所以 中析出的微合金元素碳化物颗粒质量分数增多.析 析出状态对其强度有重要的影响 出颗粒质量分数和分散度越大，则对应的显微硬度 由Orowan机制可知，第二相颗粒引起的屈服 值越大-12] 强度增量△σ为9)： 据此，可以认为，正是由于卷取后钢卷外部的冷
2∙4 时效实验 硬度法是在测量沉淀过程中被广泛使用的一种 方法［7］．时效过程中在满足碳氮化物析出条件的 情况下材料内部会不断的有析出发生．并且随时 效时间的延长二相粒子会发生长大和粗化现象． 当微合金元素达到其平衡固溶度积要求时析出便 不再发生材料的硬度会随这一过程而变化［8］．所 以在时效过程中硬度变化经常被用来反映材料内部 的时效析出过程．钢卷的卷取温度是600℃因而 对钢卷外部样品在不同温度（500～610℃）进行了 不同时间（0～240min）的时效处理以此来验证卷 取后的冷却速度对微合金元素析出的影响．时效温 度和时间对700MPa 高强钢卷外部试样显微硬度的 影响趋势如图9所示． 图9 时效温度和时间对含 Nb—Ti 高强钢显微硬度的影响 Fig．9 Effect of aging temperature and time on the microhardness of high strength steel containing Nb and Ti 由图9可以看出在同一时效温度时随着保温 时间的增长硬度值增大；保温时间小于60min 时 试样硬度增加较快；保温时间大于60min 后试样 硬度值增加较慢硬度值变化较小趋于平稳．因此 保温60min 对试样硬度的提高最有利也最经济． 在同一保温时间随时效温度的升高试样硬度值增 加．实验结果表明含 Ti—Nb 高强钢外部试样在时 效过程中发生了微合金元素碳化物的继续析出． 3 分析与讨论 700MPa 级高强度热轧带钢卷组织性能分布不 均钢卷中部的强度大于内部和外部强度的波动是 由其组织（组织类型、析出状态、位错密度等）的不均 决定的．金相组织的分布不均是性能不均的一个原 因但由于析出强化是此钢种的主要强化机制所以 析出状态对其强度有重要的影响． 由 Orowan 机制可知第二相颗粒引起的屈服 强度增量Δσ为［9］： Δσ＝ 6Gbf 1 2 1∙18π 1 2 Kd ln 1∙2d 2b 其中G 是铁基体的切变弹性模量b 是位错柏格斯 矢量的绝对值K 是与位错类型有关的常量f 和 d 分别为第二相的体积分数和平均直径．由此可见 第二相强化的效果与第二相体积分数的1／2次方成 正比与第二相颗粒尺寸大致成反比颗粒尺寸越 小强化效果越大． 此钢种的终轧温度较高（900℃）终轧后快速 冷却抑制了微合金元素在奥氏体中的析出．因而 在形变奥氏体中保留了足够多的固溶微合金元素 使其在随后的卷取（600℃）及卷取后的冷却过程 中在相变后的铁素体和贝氏体型铁素体基体上大 量析出．一般来说在铁素体中沉淀析出的微合金 碳氮化物的尺寸明显小于在奥氏体中沉淀析出的相 应的微合金碳氮化物而且其尺寸的均匀性好所以 析出强化作用显著．但是必须有合适的析出温度 和析出时间［10］才能达到最佳的析出过程．在微合 金元素的析出温度范围内随着温度下降第二相质 点析出逐渐充分．然而从动力学角度考虑由于钛 的扩散激活能高TiC 粒子析出过程是钛长程扩散 的结果需要充分的时间才能保证 TiC 充分析出． 因而卷取后的冷却速度成为影响 TiC 在铁素体中 析出过程的重要因素．正是由于钢卷在钢卷库空冷 过程中外部的冷却速度大于中部使外部停留在具 有合适析出温度的时间比中部短即外部微合金碳 氮化物的析出时间变短使析出的体积分数比中部 减小影响了其析出强化效果成为钢卷纵向上性能 波动的一个重要原因． 对钢卷外部样品进行时效处理后可知当时效 温度为500℃时时效时间对含 Nb-Ti 高强钢显微 硬度几乎没有影响．当时效温度大于500℃时延 长时效时间高强钢的显微硬度明显提高；当时效时 间超过60min 后继续延长时效时间显微硬度值 变化不大．这可能是由于随着保温时间的延长高 强钢中微合金元素的析出相逐渐达到其平衡固溶度 的要求继续延长保温时间析出相的体积分数不再 发生变化．在相同时效时间时时效温度为610℃ 试样的显微硬度明显高于500℃时效试样的显微硬 度．随着时效温度升高和保温时间延长时效过程 中析出的微合金元素碳化物颗粒质量分数增多．析 出颗粒质量分数和分散度越大则对应的显微硬度 值越大［11—12］． 据此可以认为正是由于卷取后钢卷外部的冷 第10期 赵志毅等： 卷取后冷却速度对高强度热轧带钢组织的影响 ·1131·
,1132. 北京科技大学学报 第30卷 却速度快，使得其中的微合金元素未能充分析出，碳 austenite and refinement of bainite in a Nb"containing microalloyed 氮化物析出强化的潜力没有充分发挥出来.微合金 steel.J Univ Sci Technol Beijing.2001.8(3):214 [4]Zhao J R,Yang J,Tang W S,et al.Influence of rolling technol- 元素在铁素体中的过饱度还较大，因而在适宜的时 ogy on yield strength of microalloyed steel with 0.046%Ti.Iron 效温度和保温时间条件下，这些微合金元素还会发 Sel,1996,31(5):30 生析出，建议生产时对卷取后钢卷采取保温措施， (赵嘉蓉，杨节，唐文胜，等.终轧温度和轧后冷却对含钛微合 金钢屈服强度的影响.钢铁，1996,31(5)：30) 4结论 [5]Li HL,Guo$W,Feng Y R.Microscopic Structure and Identi- (1)高强度热轧钢卷纵向力学性能分布不均， fication Atlas of High Strength Microalloy Pipeline Steel.Bei- jing:Petroleum Industry Press.2001 分布规律为中部>内部外部，中部大于内部和外 (李鹤林，郭生武，冯耀荣·高强度微合金管线钢显微组织分析 部约50MPa左右，内部和外部相差不大， 与鉴别图谱.北京：石油工业出版社，2001) (2)700MPa级钢板各部位组织形态分布不均 [6]Misra R D K.Nathani H.Hartmann J E.Microstructural evolu" 匀，基本组织为铁素体十贝氏体十(MA),但不同部 tion in a new 770 MPa hot rolled Nb-Ti microalloyed steel.Mater 位各种组织的含量是不同的：钢卷中部冷却速度 Sei Eng,2005,A394(1/2):339 [7]Campos SS,Morales E V,Kestenbach H J.Detection of inter- 慢，发生自回火现象，原奥氏体膜不再明显，对其性 phase precipitation in microalloyed steels by microhardness mea 能有一定影响. surements.Mater Charact:2004.52 (4/5):379 (3)钢卷中部在卷取后的冷却速度较慢，位于 [8]Satyanarayana D VV.Malakondaiah G,Sarma DS.Characteri- 适宜析出温度的时间较长，使其析出了更多的细小 zation of the age-hardening behavior of a precipitation hardenable 微合金元素碳氮化物颗粒，电镜观察表明，钢卷中 austenitic steel.Mater Charact,2001(47):61 [9]Yong QL,Sun X J.Liu QY,et al.Theoretical consideration on 部试样中析出量明显高于外部样品的析出量，中部 formation and control of inclusions in austenite during thin slab 试样中析出相的弥散度较大，且前者中细小颗粒的 continuous casting and continuous rolling.Spec Steel.2005.26 比例明显大于后者，这对其最终的力学性能产生了 (1):1 重要的影响 (雍岐龙，孙新军，刘清友，等.薄板还连铸连轧时夹杂物在奥 (4)时效实验说明，由于钢卷外部冷却速度快， 氏体中形成与控制的理论考虑.特殊钢，2005,26(1)：1) 使得其中的微合金元素未能充分析出，因而在适宜 [10]Liu$X.Study of Microstructure Evolution in Medium Carbon Microalloyed Steel Used for Hot-rolling Non-quenched/Tem- 的时效温度和保温时间下，这些微合金元素又发生 pered Seamless Oil-well Tubes [Dissertation].Beijing:Univer- 了析出现象，使得性能提高， sity of Science and Technology Beijing.2004:62 (刘胜新.中碳微合金热轧非调质无缝油井管钢的组织演化 参考文献 规律研究[学位论文].北京：北京科技大学，2004：62) [1]International Iron Steel Institute.Adanced High Strength [11]Kang Y L.Chen QJ.Wang K L.et al.Study on heat treat- (AHSS)Application Guidelines.Brussels:International Iron ment process of the 700 MPa grade low carhon bainitic steel. Steel Institute Committee.2005 Trans Mater Heat Treat,2005.26(3):96 [2]Peng J,Yang C M.The effect of heating technique on the size of (康永林，陈庆车，王克鲁，等.700MPa级低碳贝氏体钢的热 austenite crystal grain and the solid solution of Ti and Nb.Met 处理工艺研究.材料热处理学报，2005,26(3)：96) Form Technol.2003.21(6):51 [12]Yong Q L,Ma M T.Wu B R.Microalloyed Steel:Physical (彭建，杨春楣.加热工艺对微合金的Ti、Nb固溶及奥氏体晶 Mechanics Metallurgy.Beijing:China Machine Press.1989 粒长大的影响.金属成形工艺，2003,21(6)：51) (雍岐龙，马鸣图，吴宝榕.微合金钢：物理力学治金，北京： [3]Yang S W.Wang X M.Shang C J.et al.Relaxation of deformed 机械工业出版社，1989)
却速度快使得其中的微合金元素未能充分析出碳 氮化物析出强化的潜力没有充分发挥出来．微合金 元素在铁素体中的过饱度还较大因而在适宜的时 效温度和保温时间条件下这些微合金元素还会发 生析出．建议生产时对卷取后钢卷采取保温措施． 4 结论 （1） 高强度热轧钢卷纵向力学性能分布不均 分布规律为中部＞内部＞外部中部大于内部和外 部约50MPa 左右内部和外部相差不大． （2）700MPa 级钢板各部位组织形态分布不均 匀基本组织为铁素体＋贝氏体＋（MA）但不同部 位各种组织的含量是不同的．钢卷中部冷却速度 慢发生自回火现象原奥氏体膜不再明显对其性 能有一定影响． （3） 钢卷中部在卷取后的冷却速度较慢位于 适宜析出温度的时间较长使其析出了更多的细小 微合金元素碳氮化物颗粒．电镜观察表明钢卷中 部试样中析出量明显高于外部样品的析出量中部 试样中析出相的弥散度较大且前者中细小颗粒的 比例明显大于后者这对其最终的力学性能产生了 重要的影响． （4） 时效实验说明由于钢卷外部冷却速度快 使得其中的微合金元素未能充分析出因而在适宜 的时效温度和保温时间下这些微合金元素又发生 了析出现象使得性能提高． 参 考 文 献 ［1］ International Iron ＆ Steel Institute． A danced High Strength （ A HSS） Application Guidelines．Brussels：International Iron ＆ Steel Institute Committee2005 ［2］ Peng JYang C M．The effect of heating technique on the size of austenite crystal grain and the solid solution of Ti and Nb． Met Form Technol200321（6）：51 （彭建杨春楣．加热工艺对微合金的 Ti、Nb 固溶及奥氏体晶 粒长大的影响．金属成形工艺200321（6）：51） ［3］ Yang S WWang X MShang C Jet al．Relaxation of deformed austenite and refinement of bainite in a Nb-containing microalloyed steel．J Univ Sci Technol Beijing20018（3）：214 ［4］ Zhao J RYang JTang W Set al．Influence of rolling technology on yield strength of microalloyed steel with0∙046％ Ti．Iron Steel199631（5）：30 （赵嘉蓉杨节唐文胜等．终轧温度和轧后冷却对含钛微合 金钢屈服强度的影响．钢铁199631（5）：30） ［5］ Li H LGuo S WFeng Y R．Microscopic Structure and Identification Atlas of High Strength Microalloy Pipeline Steel．Beijing：Petroleum Industry Press2001 （李鹤林郭生武冯耀荣．高强度微合金管线钢显微组织分析 与鉴别图谱．北京：石油工业出版社2001） ［6］ Misra R D KNathani HHartmann J E．Microstructural evolution in a new 770MPa hot rolled Nb-Ti microalloyed steel．Mater Sci Eng2005A394（1／2）：339 ［7］ Campos S SMorales E VKestenbach H J．Detection of interphase precipitation in microalloyed steels by microhardness measurements．Mater Charact200452（4／5）：379 ［8］ Satyanarayana D V VMalakondaiah GSarma D S．Characterization of the age-hardening behavior of a precipitation hardenable austenitic steel．Mater Charact2001（47）：61 ［9］ Yong Q LSun X JLiu Q Yet al．Theoretical consideration on formation and control of inclusions in austenite during thin slab continuous casting and continuous rolling．Spec Steel200526 （1）：1 （雍岐龙孙新军刘清友等．薄板坯连铸连轧时夹杂物在奥 氏体中形成与控制的理论考虑．特殊钢200526（1）：1） ［10］ Liu S X．Study of Microstructure Evolution in Medium Carbon Microalloyed Steel Used for Hot-rolling Non-quenched／Tempered Seamless Oil-well T ubes ［Dissertation ］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2004：62 （刘胜新．中碳微合金热轧非调质无缝油井管钢的组织演化 规律研究［学位论文］．北京：北京科技大学2004：62） ［11］ Kang Y LChen Q JWang K Let al．Study on heat treatment process of the 700MPa grade low carbon bainitic steel． T rans Mater Heat T reat200526（3）：96 （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．材料热处理学报200526（3）：96） ［12］ Yong Q LMa M TWu B R．Microalloyed Steel：Physical Mechanics Metallurgy．Beijing：China Machine Press1989 （雍岐龙马鸣图吴宝榕．微合金钢：物理力学冶金．北京： 机械工业出版社1989） ·1132· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷