卷取温度对Ti微合金化高强钢力学性能的影响机理

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.11.010 第35卷第11期 北京科技大学学报 Vol.35 No.11 2013年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2013 卷取温度对T微合金化高强钢力学性能的影响机理 霍向东1)凶，毛新平2)，董锋1) 1)江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013 2)广州珠江钢铁有限责任公司，广州510730 ☒通信作者，E-mail:hxdustb@163.com 摘要固定化学成分和其他工艺参数，研究了紧凑式带钢生产卷取温度变化(625和579℃对T1微合金化高强钢组织 和力学性能的影响。热轧带钢的力学性能测试表明，卷取温度降低后，屈服强度降低205MPa,而-20℃冲击功由11.7 J增加到47J。采用光学金相、电子显微术等手段分析了钢中组织和析出物，625℃卷取带钢为铁素体组织，579℃卷取 带钢组织更为细小，贝氏体特征明显：而卷取温度降低后纳米尺寸碳化物的数量显著减少，由此降低了沉淀强化效果， 造成强度大幅下降，并与组织细化一起改善材料的韧性。卷取温度是T微合金化高强钢生产中重要的工艺参数，需要 严格控制。 关键词高强钢：微合金化：钛：卷取温度：纳米颗粒：碳化物：材料强度：韧性 分类号TG142.1:T℉777.7 Effect of coiling temperature on the mechanical properties of Ti- microalloyed high strength steel HU0 Xiang-dong)凶，MA0Xin-ping2),DONG Feng) 1)School of Material Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China 2)Guangzhou Zhujiang Steel Co.Ltd.,Guangzhou 510730,China Corresponding author,E-mail:hxdustb@163.com ABSTRACT Keeping chemical composition and other parameters unchanged,the effects of coiling temperature(625 and 579 C)on the microstructure and properties of Ti-microalloyed high strength steel were investigated during compact strip production(CSP).Experimental results of mechanical properties show that compared with steel strips coiled at 625 C,the yield strength of steel strips coiled at 579 C decreases by 205 MPa,but the impacting energy at-20 C increases from 11.7 J to 47 J.Optical microscopy and electron microscopy were used to study the microstructure and precipitates in the steel.It is found that the primary microstructural constituent of steel strips coiled at 625 C is ferrite grains,but the microstructure of steel strips coiled at 579 C is finer and characterized with bainite grains.The volume fraction of nanometer carbides in steel strips significantly reduces with decreasing coiling temperature,which weakens the precipitation hardening effect and causes a marked reduction of strength.However,the toughness is improved due to grain refinement and volume fraction decreasing of precipitates.Coiling temperature needs to be strictly controlled, because it is a more important parameter of producing Ti-microalloyed high strength steel. KEY WORDS high strength steel;microalloying:titanium;coiling temperature;nanoparticles;carbides;strength of materials;toughness 高强度、低成本的钢材一直是材料研究者追求的目标.沉淀强化是高强低合金钢(HSLA)中最主 收稿日期：2012-10-24

第 35 卷 第 11 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 11 2013 年 11 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov. 2013 卷取温度对Ti微合金化高强钢力学性能的影响机理 霍向东1) ，毛新平2)，董 锋1) 1) 江苏大学材料科学与工程学院，镇江 212013 2) 广州珠江钢铁有限责任公司，广州 510730 通信作者，E-mail: hxdustb@163.com 摘 要 固定化学成分和其他工艺参数，研究了紧凑式带钢生产卷取温度变化 (625 和 579 ℃对 Ti 微合金化高强钢组织 和力学性能的影响。热轧带钢的力学性能测试表明，卷取温度降低后，屈服强度降低 205 MPa，而 –20 ℃冲击功由 11.7 J 增加到 47 J。采用光学金相、电子显微术等手段分析了钢中组织和析出物，625 ℃卷取带钢为铁素体组织，579 ℃卷取 带钢组织更为细小，贝氏体特征明显；而卷取温度降低后纳米尺寸碳化物的数量显著减少，由此降低了沉淀强化效果， 造成强度大幅下降，并与组织细化一起改善材料的韧性。卷取温度是 Ti 微合金化高强钢生产中重要的工艺参数，需要 严格控制。 关键词 高强钢；微合金化；钛；卷取温度; 纳米颗粒；碳化物；材料强度；韧性 分类号 TG142.1; TF777.7 Effect of coiling temperature on the mechanical properties of Ti￾microalloyed high strength steel HUO Xiang-dong1) , MAO Xin-ping2) , DONG Feng1) 1) School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China 2) Guangzhou Zhujiang Steel Co. Ltd., Guangzhou 510730, China Corresponding author, E-mail: hxdustb@163.com ABSTRACT Keeping chemical composition and other parameters unchanged, the effects of coiling temperature (625 and 579 ℃) on the microstructure and properties of Ti-microalloyed high strength steel were investigated during compact strip production (CSP). Experimental results of mechanical properties show that compared with steel strips coiled at 625 ℃, the yield strength of steel strips coiled at 579 ℃ decreases by 205 MPa, but the impacting energy at -20 ℃ increases from 11.7 J to 47 J. Optical microscopy and electron microscopy were used to study the microstructure and precipitates in the steel. It is found that the primary microstructural constituent of steel strips coiled at 625 ℃ is ferrite grains, but the microstructure of steel strips coiled at 579 ℃ is finer and characterized with bainite grains. The volume fraction of nanometer carbides in steel strips significantly reduces with decreasing coiling temperature, which weakens the precipitation hardening effect and causes a marked reduction of strength. However, the toughness is improved due to grain refinement and volume fraction decreasing of precipitates. Coiling temperature needs to be strictly controlled, because it is a more important parameter of producing Ti-microalloyed high strength steel. KEY WORDS high strength steel; microalloying; titanium; coiling temperature; nanoparticles; carbides; strength of materials; toughness 高强度、低成本的钢材一直是材料研究者追求 的目标. 沉淀强化是高强低合金钢 (HSLA) 中最主 收稿日期：2012-10-24 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.010

第11期 霍向东等：卷取温度对Ti微合金化高强钢力学性能的影响机理 .1473· 要的强化方式之一，近年来在高强钢的开发过程中 1 材料和实验方法 微合金化元素T受到青睐1-).珠江钢铁有限责 珠钢薄板坯连铸连轧生产线如图1所示.电炉 任公司在薄板坯连铸连轧生产线上成功研发了成分 炼钢、精炼后的合格钢水，经CSP连铸后凝固形成 为0.05C-1.5Mn-0.12Ti(质量分数，%)，屈服强度超 厚度为5060mm的薄板坯.与采用冷装工艺的厚 过700MPa的铁素体钢，纳米尺寸TiC具有显著的 板坯不同，薄板坯并没有经过冷却到室温再二次加 沉淀强化效果-).珠钢采用电弧炉-紧凑式带钢 热的过程，而是在温度为1423K的均热炉中保温 生产(EAF-CSP)生产流程，其工艺流程如下：原材 约20min后直接进入六机架精轧机组，热轧后的 料→电炉炼钢一钢包精炼一薄板坯连铸→均热 带钢在输出辊道上层流冷却，然后卷取成材. →热连轧→层流冷却→卷取，其中卷取是重要的 为了排除其他因素的干扰，针对研究卷取温度 工艺环节.在生产过程中发现，卷取温度对高强钢 对高强钢组织和性能的影响，在生产现场设计了专 的力学性能，尤其是屈服强度有着显著影响. 门实验.厚度均为4.5mm的两卷带钢A和B由同 一炉钢水生产，化学成分如表1所示，仅改变卷取 本文在同样的化学成分和生产工艺条件下，采 温度，其他工艺参数不变，入炉温度、出炉温度和 用不同的卷取温度生产T微合金化高强钢，结合 终轧温度分别为950、1130和900℃，连轧过程中采 力学性能测试结果，运用光学显微镜、电子显微术 用相同的道次变形量.通过改变层流冷却的水量和 等手段研究了钢中组织和析出物，分析了卷取温度 冷却方式控制卷取温度，其中A钢设定为630℃，B 影响Ti微合金化高强钢力学性能的机理. 钢设定为580℃. 钢包 中间包 除鳞机 热带轧机 CSP结品器 冷却线 卷取机 均热炉 画画丽融 图1CSP工艺流程示意图 Fig.1 Schematic diagram of CSP process 表1实验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steel 鲁 C Si Mn P Cu Ni Cr As Sn Ti N 0.055 0.26 1.055 0.005 0.002 0.25 0.188 0.537 0.0130.012 0.112 0.007 从热轧带钢上取样，进行拉伸试验，得到室温 带钢上切取薄片，磨到5080m厚度，冲成直径 下的屈服强度、抗拉强度和延伸率；并在室温和 为3mm的试样，经离子减薄后，在JEM-2100TEM -20℃条件下进行冲击实验，测试冲击功，测量韧 透射电镜200kV条件下分析钢中微观结构. 性断面面积. 2实验结果 将试样磨平、抛光，经2%硝酸酒精侵蚀后置于 2.1力学性能 LEICA DM2500M光学显微镜和JSM-7001F场发 不同卷取温度下Ti微合金化高强钢的力学性 射扫描电镜下观察.用线切割机从厚度3mm热轧 能在表2中给出. 表2实验钢的卷取温度和力学性能 Table 2 Coiling temperature and mechanical properties of experimental steel 编号 卷取温度/℃ 横向 -20℃冲击性能 设定 实际 屈服强度/MPa抗拉强度/MPa 延伸/%屈强比厚度/mm 冲击功/小 韧性断面/% A630 625 795 860 23.5 0.92 3.3 11.7 12 B580 579 590 730 25.0 0.81 3.3 41.0 92

第 11 期 霍向东等：卷取温度对 Ti 微合金化高强钢力学性能的影响机理 1473 ·· 要的强化方式之一，近年来在高强钢的开发过程中 微合金化元素 Ti 受到青睐 [1−3] . 珠江钢铁有限责 任公司在薄板坯连铸连轧生产线上成功研发了成分 为 0.05C-1.5Mn-0.12Ti (质量分数，%)，屈服强度超 过 700 MPa 的铁素体钢，纳米尺寸 TiC 具有显著的 沉淀强化效果 [4−5] . 珠钢采用电弧炉 – 紧凑式带钢 生产 (EAF-CSP) 生产流程，其工艺流程如下：原材 料 → 电炉炼钢 → 钢包精炼 → 薄板坯连铸 → 均热 → 热连轧 → 层流冷却 → 卷取，其中卷取是重要的 工艺环节. 在生产过程中发现，卷取温度对高强钢 的力学性能，尤其是屈服强度有着显著影响. 本文在同样的化学成分和生产工艺条件下，采 用不同的卷取温度生产 Ti 微合金化高强钢，结合 力学性能测试结果，运用光学显微镜、电子显微术 等手段研究了钢中组织和析出物，分析了卷取温度 影响 Ti 微合金化高强钢力学性能的机理. 1 材料和实验方法 珠钢薄板坯连铸连轧生产线如图 1 所示. 电炉 炼钢、精炼后的合格钢水，经 CSP 连铸后凝固形成 厚度为 50∼60 mm 的薄板坯. 与采用冷装工艺的厚 板坯不同，薄板坯并没有经过冷却到室温再二次加 热的过程，而是在温度为 1423 K 的均热炉中保温 约 20 min 后直接进入六机架精轧机组，热轧后的 带钢在输出辊道上层流冷却，然后卷取成材. 为了排除其他因素的干扰，针对研究卷取温度 对高强钢组织和性能的影响，在生产现场设计了专 门实验. 厚度均为 4.5 mm 的两卷带钢 A 和 B 由同 一炉钢水生产，化学成分如表 1 所示，仅改变卷取 温度，其他工艺参数不变，入炉温度、出炉温度和 终轧温度分别为 950、1130 和 900 ℃，连轧过程中采 用相同的道次变形量. 通过改变层流冷却的水量和 冷却方式控制卷取温度，其中 A钢设定为630 ℃，B 钢设定为580 ℃. 图 1 CSP 工艺流程示意图 Fig.1 Schematic diagram of CSP process 表 1 实验钢的化学成分 (质量分数) Table 1 Chemical composition of experimental steel % C Si Mn S P Cu Ni Cr As Sn Ti N 0.055 0.26 1.055 0.005 0.002 0.25 0.188 0.537 0.013 0.012 0.112 0.007 从热轧带钢上取样，进行拉伸试验，得到室温 下的屈服强度、抗拉强度和延伸率；并在室温和 –20 ℃条件下进行冲击实验，测试冲击功，测量韧 性断面面积. 将试样磨平、抛光，经 2%硝酸酒精侵蚀后置于 LEICA DM 2500M 光学显微镜和 JSM-7001F 场发 射扫描电镜下观察. 用线切割机从厚度 3 mm 热轧 带钢上切取薄片，磨到 50∼80 µm 厚度，冲成直径 为 3 mm 的试样，经离子减薄后，在 JEM-2100 TEM 透射电镜 200 kV 条件下分析钢中微观结构. 2 实验结果 2.1 力学性能 不同卷取温度下 Ti 微合金化高强钢的力学性 能在表 2 中给出. 表 2 实验钢的卷取温度和力学性能 Table 2 Coiling temperature and mechanical properties of experimental steel 编号 卷取温度/℃ 横向 –20 ℃冲击性能 设定 实际 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸/% 屈强比 厚度/mm 冲击功/J 韧性断面/% A 630 625 795 860 23.5 0.92 3.3 11.7 12 B 580 579 590 730 25.0 0.81 3.3 41.0 92

.1474 北京科技大学学报 第35卷 可以看出，卷取温度对高强钢的力学性能有着 2.2带钢组织 显著影响.625℃卷取的带钢A屈服强度接近800 在图2和图3中分别给出了沿轧向1/2厚度处 MPa,抗拉强度860MPa,延伸率良好：而卷取温 的金相组织照片和扫描电镜照片.可以看到：在625℃ 度为579℃的热轧带钢屈服强度降低205MPa,抗 卷取，带钢组织主要由铁素体构成：温度降低后， 拉强度降低130MPa,延伸率略有提高.韧性呈现 带钢中贝氏体组织的特征明显，组织更为细小，并 相反的规律，卷取温度降低后-20℃冲击功显著提 且出现了许多微米尺寸的析出物.从图4的透射电 高，而韧性断面面积也由12%增加到92%. 镜照片中可以看到卷取温度对晶粒尺寸的影响，并 50μm 50μn 图2不同卷取温度带钢的金相组织照片.(a)625℃；(b)579℃ Fig.2 Optical micrographs of experimental steel coiled at different temperatures:(a)625 C:(b)579C (a) b 1 um um 图3不同卷取温度带钢的扫描电镜照片.(a)625℃：(b)579℃ Fig.3 SEM images of experimental steel coiled at different temperatures:(a)625 C;(b)579 C (a) 6 1μm 0.2μm 图4不同卷取温度带钢的透射电镜照片.(a)625℃：(b)579℃ Fig.4 TEM images of experimental steel coiled at different temperatures:(a)625 C;(b)579 C

· 1474 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 可以看出，卷取温度对高强钢的力学性能有着 显著影响. 625 ℃卷取的带钢 A 屈服强度接近 800 MPa，抗拉强度 860 MPa，延伸率良好；而卷取温 度为 579 ℃的热轧带钢屈服强度降低 205 MPa，抗 拉强度降低 130 MPa，延伸率略有提高. 韧性呈现 相反的规律，卷取温度降低后 –20 ℃冲击功显著提 高，而韧性断面面积也由 12%增加到 92%. 2.2 带钢组织 在图 2 和图 3 中分别给出了沿轧向 1/2 厚度处 的金相组织照片和扫描电镜照片. 可以看到：在625 ℃ 卷取，带钢组织主要由铁素体构成；温度降低后， 带钢中贝氏体组织的特征明显，组织更为细小，并 且出现了许多微米尺寸的析出物. 从图 4 的透射电 镜照片中可以看到卷取温度对晶粒尺寸的影响，并 图 2 不同卷取温度带钢的金相组织照片. (a) 625 ℃; (b) 579 ℃ Fig.2 Optical micrographs of experimental steel coiled at different temperatures: (a) 625 ℃; (b) 579 ℃ 图 3 不同卷取温度带钢的扫描电镜照片. (a) 625 ℃; (b) 579 ℃ Fig.3 SEM images of experimental steel coiled at different temperatures: (a) 625 ℃; (b) 579 ℃ 图 4 不同卷取温度带钢的透射电镜照片. (a) 625 ℃; (b) 579 ℃ Fig.4 TEM images of experimental steel coiled at different temperatures: (a) 625 ℃; (b) 579 ℃

第11期 霍向东等：卷取温度对Ti微合金化高强钢力学性能的影响机理 ·1475· 且卷取温度降低后，晶粒内部有更多的位错出现. 的带钢中这类析出物很少，如图5所示.这说明卷 2.3钢中析出物 取温度降低后，碳原子不再以纳米碳化物的形式存 此前的工作表明，Ti微合金化高强钢中存在大 在.在图2和图3中，579℃卷取的带钢中存在许 量纳米尺寸的TC析出物6-可，可以起到明显的沉 多微米尺寸的粒子，在图6中可以清晰看到这类析 淀强化作用.在625℃卷取的热轧带钢的铁素体基 出物的形貌，能谱分析表明除了Fe峰外还有较高 体中分布着大量纳米尺寸的析出物，而579℃卷取 的C峰. (b) 100nm 100nm 图5不同卷取温度带钢中纳米析出物的形貌和分布.(a)625℃；(b)579℃ Fig.5 Morphology and distribution of nanoparticles in experimental steel coiled at different temperatures:(a)625 C;(b)579 C 示为 [Tilric=[Tiltotal -(3.42[N]TiN+3[S]Tics+[Ti). 式中，[T1表示固溶在钢中Ti的质量分数，这是 影响钢中“有效T”的关键因素. TC在奥氏体中的固溶度积公式阁： 1g{%T[%C},=2.75-7000 . (1) 根据高强钢的化学成分可知连轧前TC不具备析 出的热力学条件.TC的析出可能会发生在如下阶 0.5μm 段：连轧或相变前的奥氏体中；Y→α相变的相界 面上相间析出：过饱和的铁素体中弥散析出.从图 图6在579℃卷取的带钢中微米尺寸的析出物 7中析出物的尺寸判断，在热连轧过程中发生了形 Fig.6 Microparticles in experimental steel coiled at 579 C 变诱导析出.由于奥氏体中形成的析出物在Y→α 相变后失去与铁素体的共格关系，只有在相变过程 3分析和讨论 中或相变后形成的析出物才具有沉淀强化效果回， 3.1TiC的析出机制 并且析出物尺寸较大、数量较少，沉淀强化效果可 元素T的性质活泼，在钢中能形成多种化合 以忽略. 物，根据化学自由能不同，钛的化合物在钢中析出 各学者对纳米尺寸碳化物的相间析出或弥散析 顺序依次为T2O3→TiN→Ti4C2S2一TiC.钢液中 出存在不同意见【0-1山.日本学者对Ti微合金化 形成的Ti2O3尺寸较大，基本被分离到渣中：采用 高强钢的研究认为，大量析出物是在卷取阶段的 洁净钢生产的高强钢中硫含量很低，Ti4C2S2含量 Y→α相变过程中相间析出形成的四；台湾大学 有限，作用可被忽略：TN的析出温度较高，在均 杨哲人课题组对等温相变过程中纳米TMoC的相 热之前和均热过程中已基本析出.由于TiC能够起 间析出进行了研究，发现等温温度影响着纳米碳化 到沉淀强化作用，TC中的“有效T”含量可以表 物的析出行为，较高温度发生相间析出，较低温度

第 11 期 霍向东等：卷取温度对 Ti 微合金化高强钢力学性能的影响机理 1475 ·· 且卷取温度降低后，晶粒内部有更多的位错出现. 2.3 钢中析出物 此前的工作表明，Ti 微合金化高强钢中存在大 量纳米尺寸的 TiC 析出物 [6−7]，可以起到明显的沉 淀强化作用. 在 625 ℃卷取的热轧带钢的铁素体基 体中分布着大量纳米尺寸的析出物，而 579 ℃卷取 的带钢中这类析出物很少，如图 5 所示. 这说明卷 取温度降低后，碳原子不再以纳米碳化物的形式存 在. 在图 2 和图 3 中，579 ℃卷取的带钢中存在许 多微米尺寸的粒子，在图 6 中可以清晰看到这类析 出物的形貌，能谱分析表明除了 Fe 峰外还有较高 的 C 峰. 图 5 不同卷取温度带钢中纳米析出物的形貌和分布. (a) 625 ℃; (b) 579 ℃ Fig.5 Morphology and distribution of nanoparticles in experimental steel coiled at different temperatures: (a) 625 ℃; (b) 579 ℃ 图 6 在 579 ℃卷取的带钢中微米尺寸的析出物 Fig.6 Microparticles in experimental steel coiled at 579 ℃ 3 分析和讨论 3.1 TiC 的析出机制 元素 Ti 的性质活泼，在钢中能形成多种化合 物，根据化学自由能不同，钛的化合物在钢中析出 顺序依次为 Ti2O3 →TiN→Ti4C2S2 →TiC. 钢液中 形成的 Ti2O3 尺寸较大，基本被分离到渣中；采用 洁净钢生产的高强钢中硫含量很低，Ti4C2S2 含量 有限，作用可被忽略；TiN 的析出温度较高，在均 热之前和均热过程中已基本析出. 由于 TiC 能够起 到沉淀强化作用，TiC 中的 “有效 Ti” 含量可以表 示为 [Ti]TiC = [Ti]total − ¡ 3.42[N]TiN+3[S]Ti4C2S2 +[Ti]sol¢ . 式中，[Ti]sol 表示固溶在钢中 Ti 的质量分数，这是 影响钢中 “有效 Ti” 的关键因素. TiC 在奥氏体中的固溶度积公式 [8]： lg {[%Ti][%C]}γ = 2.75 − 7000 T . (1) 根据高强钢的化学成分可知连轧前 TiC 不具备析 出的热力学条件. TiC 的析出可能会发生在如下阶 段：连轧或相变前的奥氏体中；γ → α 相变的相界 面上相间析出；过饱和的铁素体中弥散析出. 从图 7 中析出物的尺寸判断，在热连轧过程中发生了形 变诱导析出. 由于奥氏体中形成的析出物在 γ → α 相变后失去与铁素体的共格关系，只有在相变过程 中或相变后形成的析出物才具有沉淀强化效果 [9]， 并且析出物尺寸较大、数量较少，沉淀强化效果可 以忽略. 各学者对纳米尺寸碳化物的相间析出或弥散析 出存在不同意见 [10−11] . 日本学者对 Ti 微合金化 高强钢的研究认为，大量析出物是在卷取阶段的 γ → α 相变过程中相间析出形成的 [1]；台湾大学 杨哲人课题组对等温相变过程中纳米 TiMoC 的相 间析出进行了研究，发现等温温度影响着纳米碳化 物的析出行为，较高温度发生相间析出，较低温度

.1476 北京科技大学学报 第35卷 下碳化物在铁素体中弥散分布2-13.图5中的纳 研发了抗拉强度为780MPa级别的Ti微合金化钢， 米析出物表现为随机分布，但并不能排除相间析出 纳米尺度碳化物的沉淀强化效果达到300MPa1. 的可能性.这与入射电子束方向有关，只有入射方 因此625℃卷取的带钢屈服强度接近800MPa,纳 向平行或接近平行于相间析出面时才能观察到成排 米尺寸碳化物具有可观的强化效果：而579℃卷取 平行分布特征. 的带钢中纳米析出物的体积分数很低，尽管同铁素 体组织相比贝氏体组织的强度更高，但由于沉淀强 化效果有限，带钢强度仍显著降低。 表2中的数据表明，卷取温度由625℃降低 到579℃，冲击韧性明显改善.在所有的强化方式 中，细化晶粒是同时提高强度和改善韧性的唯一有 效途径.当钢材通过某一强化机制使屈服强度升高 1MPa时，相应使钢材的冲击转折温度升高m℃， 则m成为该强化机制的脆化矢量，其中细晶强化 为0.66℃MPa-1,沉淀强化为0.26℃MPa1.与 625℃卷取的带钢相比，579℃卷取的带钢组织更 0.2μm 为细小，而析出物的体积分数显著降低，细晶强化 图7高强钢中数十纳米的TC析出物 增强和沉淀强化减弱都造成韧脆转折温度降低，钢 Fig.7 Several tens nanometer titanium carbides in high 材韧性得到改善.冲击功、韧性断面等韧性指标也 strength steel 有相同的规律.因此，卷取温度降低，-20℃冲击功 卷取温度是影响T微合金化钢中碳化物析出 提高，韧性断面增加，冲击韧性得到明显改善 的重要工艺参数，在终轧温度固定的条件下，卷取 可见卷取温度是生产Ti微合金化热轧高强钢 温度通过层流冷却来控制.珠钢CSP生产线层流冷 重要的工艺参数，对纳米尺寸碳化物的析出产生显 却段分为喷淋区、微调区和精调区，控温的误差在 著影响，也会改变相变后的组织状态，从而影响带 士5℃范围内.层流冷却段的长度为9m×4.8m,最 钢的力学性能.为了优化带钢的强度和韧性等性能 后一架轧机F6到喷淋区的入口距离为7.07m,到 指标，需要对高强钢的卷取温度进行深入研究 卷取机的距离73.825m.由于层流冷却段较短，卷 4 结论 取温度大幅降低带来冷却速度的明显升高.冷速升 高的结果：其一是改变带钢的组织状态，出现了更 (1)卷取温度由625℃降低到579℃，屈服强 多贝氏体组织的形貌特征：其二是抑制了微合金化 度降低205MPa,抗拉强度降低130MPa,延伸率 元素Ti的扩散，使更多T1固溶在钢中，从而降低 略有提高，-20℃冲击功显著提高，而韧性断面面 了纳米尺寸碳化物的含量.钢中碳原子或者以渗碳 积也由12%增加到92%. 体的形式析出或者形成M-A组元，因此579℃卷 (2)625℃卷取的带钢组织主要由铁素体构成， 取的热轧带钢中出现了许多碳含量较高的微米尺寸 基体中分布着大量纳米尺寸析出物：579℃卷取的 的第二相粒子 带钢组织更为细小，贝氏体组织的特征明显，纳米 3.2卷取温度对力学性能的影响 尺寸析出物体积分数显著减小. 沉淀强化的本质在于钢中第二相析出物对位 (3)卷取温度是影响Ti微合金化钢中碳化物析 错运动的阻碍作用，Ashby-Orowan模型被广泛用 出的重要工艺参数，卷取温度由625℃降低到579℃， 来计算钢中析出物的沉淀强化效果4 在细化组织的同时抑制了纳米尺寸碳化物析出，造 成了带钢的强度大幅降低，而韧性明显改善 op=5.9v/元.ln[/2.5×10-4] 式中：op表示沉淀强化效果，MPa:f是析出物的 参考文献 体积分数：元是以m为单位的粒子平均直径.此 [1]Funakawa Y,Shiozaki T,Tomita K,et al.Development 前工作依据该公式的计算表明，Ti微合金化高强钢 of high strength hot-rolled sheet steel consisting of fer- 中纳米碳化物起到显著的沉淀强化作用.日本JFE rite and nanometer-sized carbides.IS/J Int.2004.44(11): 公司以0.04C-1.5Mn(质量分数，%)低碳钢为基础， 1945

· 1476 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 下碳化物在铁素体中弥散分布 [12−13] . 图 5 中的纳 米析出物表现为随机分布，但并不能排除相间析出 的可能性. 这与入射电子束方向有关，只有入射方 向平行或接近平行于相间析出面时才能观察到成排 平行分布特征. 图 7 高强钢中数十纳米的 TiC 析出物 Fig.7 Several tens nanometer titanium carbides in high strength steel 卷取温度是影响 Ti 微合金化钢中碳化物析出 的重要工艺参数，在终轧温度固定的条件下，卷取 温度通过层流冷却来控制. 珠钢 CSP 生产线层流冷 却段分为喷淋区、微调区和精调区，控温的误差在 ±5 ℃范围内. 层流冷却段的长度为 9 m×4.8 m，最 后一架轧机 F6 到喷淋区的入口距离为 7.07 m，到 卷取机的距离 73.825 m. 由于层流冷却段较短，卷 取温度大幅降低带来冷却速度的明显升高. 冷速升 高的结果：其一是改变带钢的组织状态，出现了更 多贝氏体组织的形貌特征；其二是抑制了微合金化 元素 Ti 的扩散，使更多 Ti 固溶在钢中，从而降低 了纳米尺寸碳化物的含量. 钢中碳原子或者以渗碳 体的形式析出或者形成 M-A 组元，因此 579 ℃卷 取的热轧带钢中出现了许多碳含量较高的微米尺寸 的第二相粒子. 3.2 卷取温度对力学性能的影响 沉淀强化的本质在于钢中第二相析出物对位 错运动的阻碍作用，Ashby-Orowan 模型被广泛用 来计算钢中析出物的沉淀强化效果 [14] . σp = 5.9 √ f /x¯ · ln £ x/¯ 2.5 × 10−4 ¤ . 式中：σp 表示沉淀强化效果，MPa；f 是析出物的 体积分数；x¯ 是以 µm 为单位的粒子平均直径. 此 前工作依据该公式的计算表明，Ti 微合金化高强钢 中纳米碳化物起到显著的沉淀强化作用. 日本 JFE 公司以 0.04C-1.5Mn (质量分数，%) 低碳钢为基础， 研发了抗拉强度为 780 MPa 级别的 Ti 微合金化钢， 纳米尺度碳化物的沉淀强化效果达到 300 MPa[15] . 因此 625 ℃卷取的带钢屈服强度接近 800 MPa，纳 米尺寸碳化物具有可观的强化效果；而 579 ℃卷取 的带钢中纳米析出物的体积分数很低，尽管同铁素 体组织相比贝氏体组织的强度更高，但由于沉淀强 化效果有限，带钢强度仍显著降低. 表 2 中的数据表明，卷取温度由 625 ℃降低 到 579 ℃，冲击韧性明显改善. 在所有的强化方式 中，细化晶粒是同时提高强度和改善韧性的唯一有 效途径. 当钢材通过某一强化机制使屈服强度升高 1 MPa 时，相应使钢材的冲击转折温度升高 m ℃， 则 m 成为该强化机制的脆化矢量，其中细晶强化 为 –0.66 ℃ ·MPa–1，沉淀强化为 0.26 ℃ ·MPa–1 . 与 625 ℃卷取的带钢相比，579 ℃卷取的带钢组织更 为细小，而析出物的体积分数显著降低，细晶强化 增强和沉淀强化减弱都造成韧脆转折温度降低，钢 材韧性得到改善. 冲击功、韧性断面等韧性指标也 有相同的规律. 因此，卷取温度降低，–20 ℃冲击功 提高，韧性断面增加，冲击韧性得到明显改善. 可见卷取温度是生产 Ti 微合金化热轧高强钢 重要的工艺参数，对纳米尺寸碳化物的析出产生显 著影响，也会改变相变后的组织状态，从而影响带 钢的力学性能. 为了优化带钢的强度和韧性等性能 指标，需要对高强钢的卷取温度进行深入研究. 4 结论 (1) 卷取温度由 625 ℃降低到 579 ℃，屈服强 度降低 205 MPa，抗拉强度降低 130 MPa，延伸率 略有提高，–20 ℃冲击功显著提高，而韧性断面面 积也由 12%增加到 92%. (2) 625 ℃卷取的带钢组织主要由铁素体构成， 基体中分布着大量纳米尺寸析出物；579 ℃卷取的 带钢组织更为细小，贝氏体组织的特征明显，纳米 尺寸析出物体积分数显著减小. (3) 卷取温度是影响 Ti 微合金化钢中碳化物析 出的重要工艺参数，卷取温度由 625℃降低到579℃， 在细化组织的同时抑制了纳米尺寸碳化物析出，造 成了带钢的强度大幅降低，而韧性明显改善. 参 考 文 献 [1] Funakawa Y, Shiozaki T, Tomita K, et al. Development of high strength hot-rolled sheet steel consisting of fer￾rite and nanometer-sized carbides. ISIJ Int, 2004, 44(11): 1945

第11期 霍向东等：卷取温度对Ti微合金化高强钢力学性能的影响机理 ·1477· [2]Yi H L,Du L X,Wang G D,et al.Development of a [8]Taylor K A.Solubility products for titanium-,vanadium-, hot-rolled low carbon steel with high yield strength.ISIJ and niobium-carbide in ferrite.Scripta Metall Mater mt,2006,46(5:754 1995,32(1):7 [3]Lou YZ,Liu D L,Mao X P,et al.Titanium carbonitrides [9]Kestenbach H J,Gallego J.On dispersion hardening of in Ti-microalloyed steels produced by CSP process.Iron microalloyed hot strip steels by carbonitride precipitation Steel,.2010,45(2):70 in austenite.Scripta Mater,2001,44(5):791 (娄艳芝，柳得橹，毛新平，等.CSP工艺钛微合金钢中的 [10]Charleux M,Poole W J,Militzer M,et al.Precipita- 碳氮化钛析出相.钢铁，2010,45(2)：70) tion behavior and its effect on strengthening of an HSLA- [4]Mao X P,Huo X D,Sun X J,et al.Study on the Ti Nb/Ti steel.Metall Mater Trans A,2001,32(7):1635 micro-alloyed ultra-high strength steel produced by thin [11]Kestenbach H J,Campos SS,Gallego J,et al.Discussion slab casting and direct rolling.J fron Steel Res Int,2009, of "precipitation behavior and its effect on strengthening 16(Suppl1):354 of an HSLA-Nb/Ti steel".Metall Mater Trans A,2003, [5]Mao X P,Huo X D,Sun X J,et al.Strengthening mech- 34(4):1013 anisms of a new 700MPa hot rolled Ti-microalloyed steel produced by compact strip production.J Mater Process [12]Chen C Y,Yen H W,Kao F H,et al.Precipitation hard- ening of high-strength low-alloy steels by nanometer-sized Technol,2010,210(12):1660 carbides.Mater Sci Eng A,2009,499(1):162 [6]Huo X D,Mao X P,Lii S X,et al.Nanocarbides in Ti- microalloyed high strength steel produced by CSP process. [13 Wang T P,Kao F H,Wang S H,et al.Isothermal J Univ Sci Technol Beijing,2011,33(8):941 treatment influence on nanometer-size carbide precipita- (霍向东，毛新平，吕盛夏，等.CSP生产Ti微合金化高强 tion of titanium-bearing low carbon steel.Mater Lett, 钢中纳米碳化物.北京科技大学学报，2011,33(8)：941) 2011,65(2):396 [7]Lou Y Z,Li C Z,Liu D L,et al.TEM observation of [14]Gladman T,Dulieu D,Mcivor I D.Structure-property re- TiC precipitates nucleated on Ti2CS and determination lationships in high-strength microalloyed steels//Pro- of orientation relationships.J Univ Sci Technol Beijing, ceedings of Symposium on Microalloying 75.New York, 2010,32(4):438) 1976:32 (娄艳芝，李春志，柳得橹，等.TiC在Ti2CS上形核生长的 [15 Seto K,Funakawa Y,Kaneko S.Hot rolled high strength 电镜观察及其取向关系的测定.北京科技大学学报，2010， steels for suspension and chassis parts "NANOHITEN" 32(4):438) and“BHT®Steel".JFE Tech Rep,2007(10:19

第 11 期 霍向东等：卷取温度对 Ti 微合金化高强钢力学性能的影响机理 1477 ·· [2] Yi H L, Du L X, Wang G D, et al. Development of a hot-rolled low carbon steel with high yield strength. ISIJ Int, 2006, 46(5): 754 [3] Lou Y Z, Liu D L, Mao X P, et al. Titanium carbonitrides in Ti-microalloyed steels produced by CSP process. Iron Steel, 2010, 45(2): 70 (娄艳芝, 柳得橹, 毛新平, 等. CSP 工艺钛微合金钢中的 碳氮化钛析出相. 钢铁，2010，45(2)：70) [4] Mao X P, Huo X D, Sun X J, et al. Study on the Ti micro-alloyed ultra-high strength steel produced by thin slab casting and direct rolling. J Iron Steel Res Int, 2009, 16(Suppl 1): 354 [5] Mao X P, Huo X D, Sun X J, et al. Strengthening mech￾anisms of a new 700MPa hot rolled Ti-microalloyed steel produced by compact strip production. J Mater Process Technol, 2010, 210(12): 1660 [6] Huo X D, Mao X P, L¨u S X, et al. Nanocarbides in Ti￾microalloyed high strength steel produced by CSP process. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33(8): 941 (霍向东, 毛新平, 吕盛夏, 等.CSP 生产 Ti 微合金化高强 钢中纳米碳化物. 北京科技大学学报，2011,33(8)：941) [7] Lou Y Z, Li C Z, Liu D L, et al. TEM observation of TiC precipitates nucleated on Ti2CS and determination of orientation relationships. J Univ Sci Technol Beijing, 2010, 32(4):438) (娄艳芝，李春志，柳得橹, 等. TiC 在 Ti2CS 上形核生长的 电镜观察及其取向关系的测定. 北京科技大学学报，2010, 32(4): 438) [8] Taylor K A. Solubility products for titanium-, vanadium-, and niobium-carbide in ferrite. Scripta Metall Mater, 1995, 32(1): 7 [9] Kestenbach H J, Gallego J. On dispersion hardening of microalloyed hot strip steels by carbonitride precipitation in austenite. Scripta Mater, 2001, 44(5): 791 [10] Charleux M, Poole W J, Militzer M, et al. Precipita￾tion behavior and its effect on strengthening of an HSLA￾Nb/Ti steel. Metall Mater Trans A, 2001, 32(7): 1635 [11] Kestenbach H J, Campos S S, Gallego J, et al. Discussion of “precipitation behavior and its effect on strengthening of an HSLA-Nb/Ti steel”. Metall Mater Trans A, 2003, 34(4): 1013 [12] Chen C Y, Yen H W, Kao F H, et al. Precipitation hard￾ening of high-strength low-alloy steels by nanometer-sized carbides. Mater Sci Eng A, 2009, 499(1): 162 [13] Wang T P, Kao F H, Wang S H , et al. Isothermal treatment influence on nanometer-size carbide precipita￾tion of titanium-bearing low carbon steel. Mater Lett, 2011, 65(2): 396 [14] Gladman T, Dulieu D, Mcivor I D. Structure-property re￾lationships in high-strength microalloyed steels // Pro￾ceedings of Symposium on Microalloying 75. New York, 1976: 32 [15] Seto K, Funakawa Y, Kaneko S. Hot rolled high strength steels for suspension and chassis parts “NANOHITEN” and “BHT°R Steel”. JFE Tech Rep, 2007(10): 19