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含铌TRIP钢连续退火后的组织性能及强化机理

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在实验室模拟了含铌与无铌TRIP钢的连续退火工艺过程,通过金相显微技术(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、背散射电子衍射技术(EBSD)、X射线衍射(XRD)和拉伸实验等检测手段研究了TRIP钢的组织性能,分析了TRIP钢中残余奥氏体稳定性的影响因素及强化机理.结果表明:在连续退火工艺条件下,Nb的存在细化了TRIP钢的微观组织,与未添加Nb的钢相比,添加Nb可以提高TRIP钢中残余奥氏体含量和残余奥氏体碳含量.含铌TRIP钢中残余奥氏体主要以团块状或薄膜状分布于铁素体与贝氏体晶界,极少部分以细小球状分布于铁素体晶内.含铌TRIP钢热轧后的主要析出物为Fe3C和(Nb,Ti)(C,N),退火后的主要析出物为(Nb,Ti)(C,N).细小含铌析出物的析出强化导致了随着退火温度的升高,屈服强度和抗拉强度升高.
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D0I:10.13374/i.issm1001t63.2010.02.009 第32卷第2期 北京科技大学学报 Vol 32 No 2 2010年2月 Journal of Un iversity of Science and Technobgy Beijing Feb 2010 含铌TRIP钢连续退火后的组织性能及强化机理 江海涛唐荻米振莉陈雨来 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心,北京100083 摘要在实验室模拟了含铌与无铌RP钢的连续退火工艺过程,通过金相显微技术(OM)、扫描电镜(SM)、透射电镜 (TEM)、背散射电子衍射技术(EBSD)、X射线衍射(XRD)和拉伸实验等检测手段研究了RP钢的组织性能,分析了RP锅 中残余奥氏体稳定性的影响因素及强化机理.结果表明:在连续退火工艺条件下,Nb的存在细化了TRP钢的微观组织,与未 添加N的钢相比,添加Nb可以提高TRP钢中残余奥氏体含量和残余奥氏体碳含量·含铌TRP钢中残余奥氏体主要以团 块状或薄膜状分布于铁素体与贝氏体晶界,极少部分以细小球状分布于铁素体晶内.含铌RP钢热轧后的主要析出物为 FGC和(NbT)(CN),退火后的主要析出物为(NbT)(CN):细小含铌析出物的析出强化导致了随着退火温度的升高,屈 服强度和抗拉强度升高· 关键词TRP钢:铌;连续退火;残余奥氏体;析出 分类号TG142.3 M icrostructure m echan ical properties and strengthen ing m echan ism of Nb- bearing TR IP steel after continuous annea ling process JIANG Hai-tao TANG Di MI Zhen-li CHEN Yu-lai National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology University of Science and Technology Beijng Beijing 100083 China ABSTRACT The continuous annealing processing of transfomation-induced plasticity (TR IP)steel was smulated in lab The mi crostructure and mechanical properties were analyzed by opticalm icroscopy (OM).scanning electron m icmoscopy (SEM )transn ission electron m icmoscopy (TEM )electron-backscatter diffraction (EBSD).X-may diffraction (XRD)techn iques and tensile test The fac- tors influencing the stabilization of retained austenite and the strengthenng mechanis of TR IP steel were analyzed The experin ental results showed that fine grains in the m icrostnucture of NbbearingTR IP steel fomed during continuous annealing processing because of the existence of Nb The Nbbearing TR IP steel has more retained austenite and more carbon in retained austenite than the TRIP steel w ithout niobim.It is found that retained austenite in the Nb-bearing TRIP steel is bukky or thin fimy at ferrite and bainite grain boundaries and few fne globular ones exist in the ferrite matrix FeC and (Nb Ti)(C.N)are the main precipitates in the Nb-bear ing TR IP steel after hot rolling After continuous annealing (Nb Ti)(C N)is the only main precipitates Obviously the yiel strength and tensile strength ncrease with increasing annealing temperature which results from the precipitation strengthening of fine Nbbearing precipitates KEY WORDS TR IP steel niobim:continuous annealing retained austenites precipitation 为满足新一代汽车用钢板的性能要求,20世纪 (抗拉强度与断后延伸率的乘积)和优异的成型性 90年代以来,一种新型的汽车用钢一相变诱发塑 能.此外,RP钢还具有高的抗冲撞吸收能,故多 性(transfomation-induced plasticityTRP)钢开始在 被用于汽车安全零部件1). 国外汽车工业中得到应用,与普碳钢、低合金高强 在钢中添加适量的铌元素,可使组织得到细化, 度钢和双相钢板相比,RP钢具有很高的强塑积 从而使材料的强度和塑性得到进一步改善3).因 收稿日期:2009-05-12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(N。50804005) 作者简介:江海涛(1976)男,副研究员,博士,Email nwpuh色yahoo cam.cn

第 32卷 第 2期 2010年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32No.2 Feb.2010 含铌 TRIP钢连续退火后的组织性能及强化机理 江海涛 唐 荻 米振莉 陈雨来 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心‚北京 100083 摘 要 在实验室模拟了含铌与无铌 TRIP钢的连续退火工艺过程‚通过金相显微技术 (OM)、扫描电镜 (SEM)、透射电镜 (TEM)、背散射电子衍射技术 (EBSD)、X射线衍射 (XRD)和拉伸实验等检测手段研究了 TRIP钢的组织性能‚分析了 TRIP钢 中残余奥氏体稳定性的影响因素及强化机理.结果表明:在连续退火工艺条件下‚Nb的存在细化了 TRIP钢的微观组织‚与未 添加 Nb的钢相比‚添加 Nb可以提高 TRIP钢中残余奥氏体含量和残余奥氏体碳含量.含铌 TRIP钢中残余奥氏体主要以团 块状或薄膜状分布于铁素体与贝氏体晶界‚极少部分以细小球状分布于铁素体晶内.含铌 TRIP钢热轧后的主要析出物为 Fe3C和 (Nb‚Ti)(C‚N)‚退火后的主要析出物为 (Nb‚Ti)(C‚N).细小含铌析出物的析出强化导致了随着退火温度的升高‚屈 服强度和抗拉强度升高. 关键词 TRIP钢;铌;连续退火;残余奥氏体;析出 分类号 TG142∙3 Microstructure‚mechanicalpropertiesandstrengtheningmechanism ofNb- bearingTRIPsteelaftercontinuousannealingprocess JIANGHai-tao‚TANGDi‚MIZhen-li‚CHENYu-lai NationalEngineeringResearchCenterforAdvancedRollingTechnology‚UniversityofScienceandTechnologyBeijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT Thecontinuousannealingprocessingoftransformation-inducedplasticity(TRIP) steelwassimulatedinlab.Themi- crostructureandmechanicalpropertieswereanalyzedbyopticalmicroscopy(OM)‚scanningelectronmicroscopy(SEM)‚transmission electronmicroscopy(TEM)‚electron-backscatterdiffraction(EBSD)‚X-raydiffraction(XRD) techniquesandtensiletest.Thefac- torsinfluencingthestabilizationofretainedausteniteandthestrengtheningmechanismofTRIPsteelwereanalyzed.Theexperimental resultsshowedthatfinegrainsinthemicrostructureofNb-bearingTRIPsteelformedduringcontinuousannealingprocessingbecauseof theexistenceofNb.TheNb-bearingTRIPsteelhasmoreretainedausteniteandmorecarboninretainedaustenitethantheTRIPsteel withoutniobium.ItisfoundthatretainedausteniteintheNb-bearingTRIPsteelisbulkyorthinfilmyatferriteandbainitegrain boundariesandfewfineglobularonesexistintheferritematrix.Fe3Cand(Nb‚Ti)(C‚N) arethemainprecipitatesintheNb-bear- ingTRIPsteelafterhotrolling.Aftercontinuousannealing‚ (Nb‚Ti) (C‚N) istheonlymainprecipitates.Obviouslytheyield strengthandtensilestrengthincreasewithincreasingannealingtemperature‚whichresultsfromtheprecipitationstrengtheningoffine Nb-bearingprecipitates. KEYWORDS TRIPsteel;niobium;continuousannealing;retainedaustenite;precipitation 收稿日期:2009--05--12 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (No.50804005) 作者简介:江海涛 (1976— )‚男‚副研究员‚博士‚E-mail:nwpujht@yahoo.com.cn 为满足新一代汽车用钢板的性能要求‚20世纪 90年代以来‚一种新型的汽车用钢———相变诱发塑 性 (transformation-inducedplasticity‚TRIP)钢开始在 国外汽车工业中得到应用.与普碳钢、低合金高强 度钢和双相钢板相比‚TRIP钢具有很高的强塑积 (抗拉强度与断后延伸率的乘积 )和优异的成型性 能.此外‚TRIP钢还具有高的抗冲撞吸收能‚故多 被用于汽车安全零部件 [1--2]. 在钢中添加适量的铌元素‚可使组织得到细化‚ 从而使材料的强度和塑性得到进一步改善 [3--5].因 DOI :10.13374/j.issn1001—053x.2010.02.009

.202 北京科技大学学报 第32卷 此,国内外学者通过添加微合金元素铌来研究开发 经线切割取样,在MTS810拉伸试验机上进行力学 热轧或冷轧TRP钢,并研究铌对TRP钢组织性能 性能测试,并采用配置EBSD、XRD系统的LEO 的影响[-).但是,针对铌在TRP钢中的作用机理 1450扫描电镜和EM2010透射电镜进行微观组织 和对RP钢中残余奥氏体的影响机制等研究还不 观察和分析.测定和计算残余奥氏体含量和残余奥 够深入,本文进行含铌与无铌TRP钢的连续退火 氏体的碳含量时,采用D5000X射线衍射仪得到衍 工艺模拟,分析铌在控制TRP钢中残余奥氏体和 射图谱,选择奥氏体的{200以、{220}、{311}衍射线 组织构成的作用,探讨工艺参数对合金元素铌回溶 和铁素体的{211衍射线进行计算分析.RP钢热 与析出的影响规律,旨在为TRP钢的工业生产提 轧和退火试样经切割、清洗和称重后进行电解.电 供理论依据 解液、电流密度的选择根据目标第2相的种类不同 而有所不同.电解温度控制在0~5℃,保证电解质 1实验材料及方法 量为25:电解过程中采用电磁搅拌以保证电解 在50kg真空感应炉内冶炼实验用TRP钢两 的均匀性,电解完毕后进行清洗、干燥并精确称重, 炉,实际成分(质量分数,%)为0.19C-0.43$i 可获得第2相种类、尺寸分布和比例等信息, 1.55Mn-0.069Nb-0.020Ti和0.18C-0.45Si 2实验结果与分析 1.56Mn-0.018 TiTRPP钢经热轧、冷轧成1.2mm 钢板,切割成50mm×200mm大小的试样,随后在 图1为临界区温度为800℃、等温温度为 Gleeble3800试验机上进行连续退火模拟,根据 400℃和保温时间为300s的条件下,退火后无铌 Themo Calc软件计算,含铌TRP钢的Aq、Acg温 与含铌TRP钢的微观组织对比,从图中可以看出 度分别为770和880℃,无铌TRP钢的AG、Ag温 两者均由铁素体、贝氏体和残余奥氏体构成,很明 度分别为772和890℃,Nb对实验钢的相变温度 显,含铌钢的铁素体晶粒更加细小,大多为3~5 Aq、A©的影响较小.进行模拟连续退火时,对于 m;无铌TRP钢铁素体晶粒尺寸主要在5m左 含铌与无铌钢均选取相同的退火工艺参数,TRP钢 右,还存在部分尺寸为5一8m的大块状多边形 在临界区温度780~850℃加热120s后,以30℃·s1 铁素体,这主要是Nb的存在细化了TRP钢的热 的冷却速率冷却到贝氏体温度区间保温,等温温度 轧组织,因冷轧与连续退火过程的遗传性,从而细 为400℃,保温时间为120~500s热处理后,试样 化了最终组织, a 20m 20 um 图1连续退火后实验TRP钢的微观组织.(a)无Nb钢;(b)含Nb钢 Fig 1 M icmstnictures of the tested TR IP steels after continuous annealings (a)without Nb:(b)with Nb 采用SEM和EBSD观察分析含铌TRP钢残余 其尺寸也较大,实际上,在贝氏体区等温(如400 奥氏体的形态与分布,如图2所示,残余奥氏体在 ℃)条件下,铁素体晶粒内的碳原子通过扩散不断 钢中的存在位置主要有两种:大部分奥氏体位于铁 向残余奥氏体富集,且大的残余奥氏体(CC结构) 素体晶界上,直径在2m以下,呈团块状或薄膜状; 需要大的铁素体(BCC结构)来满足碳原子的供应, 还有很小一部分残余奥氏体位于大的铁素体晶粒内 其结果就形成了奥氏体晶粒大小与其铁素体尺寸成 部.残余奥氏体在无铌钢中具有相似的分布规律. 正比的微区分布规律.笔者曾经研究发现),TRP 在尺寸较大的铁素体边界,残余奥氏体呈稀疏分布, 钢中残余奥氏体的稳定性顺序如下:铁素体中细小

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 此‚国内外学者通过添加微合金元素铌来研究开发 热轧或冷轧 TRIP钢‚并研究铌对 TRIP钢组织性能 的影响 [6--11].但是‚针对铌在 TRIP钢中的作用机理 和对 TRIP钢中残余奥氏体的影响机制等研究还不 够深入.本文进行含铌与无铌 TRIP钢的连续退火 工艺模拟‚分析铌在控制 TRIP钢中残余奥氏体和 组织构成的作用‚探讨工艺参数对合金元素铌回溶 与析出的影响规律‚旨在为 TRIP钢的工业生产提 供理论依据. 1 实验材料及方法 在 50kg真空感应炉内冶炼实验用 TRIP钢两 炉‚实 际 成 分 (质 量 分 数‚% )为 0∙19C--0∙43Si-- 1∙55Mn--0∙069Nb--0∙020Ti和 0∙18C--0∙45Si-- 1∙56Mn--0∙018Ti.TRIP钢经热轧、冷轧成 1∙2mm 钢板‚切割成 50mm×200mm大小的试样‚随后在 Gleeble3800试验机上进行连续退火模拟.根据 Thermo-Calc软件计算‚含铌 TRIP钢的 Ac1、Ac3 温 度分别为 770和 880℃‚无铌 TRIP钢的 Ac1、Ac3温 度分别为 772和 890℃‚Nb对实验钢的相变温度 Ac1、Ac3的影响较小.进行模拟连续退火时‚对于 含铌与无铌钢均选取相同的退火工艺参数‚TRIP钢 在临界区温度780~850℃加热120s后‚以30℃·s —1 的冷却速率冷却到贝氏体温度区间保温‚等温温度 为 400℃‚保温时间为 120~500s.热处理后‚试样 经线切割取样‚在 MTS810拉伸试验机上进行力学 性能测试‚并采用配置 EBSD、XRD系统的 LEO 1450扫描电镜和 JEM2010透射电镜进行微观组织 观察和分析.测定和计算残余奥氏体含量和残余奥 氏体的碳含量时‚采用 D5000X射线衍射仪得到衍 射图谱‚选择奥氏体的{200}、{220}、{311}衍射线 和铁素体的{211}衍射线进行计算分析.TRIP钢热 轧和退火试样经切割、清洗和称重后进行电解.电 解液、电流密度的选择根据目标第 2相的种类不同 而有所不同.电解温度控制在 0~5℃‚保证电解质 量为 2~5g.电解过程中采用电磁搅拌以保证电解 的均匀性.电解完毕后进行清洗、干燥并精确称重‚ 可获得第 2相种类、尺寸分布和比例等信息. 2 实验结果与分析 图 1为 临 界 区 温 度 为 800℃、等 温 温 度 为 400℃和保温时间为 300s的条件下‚退火后无铌 与含铌 TRIP钢的微观组织对比.从图中可以看出 两者均由铁素体、贝氏体和残余奥氏体构成.很明 显‚含铌钢的铁素体晶粒更加细小‚大多为 3~5 μm;无铌 TRIP钢铁素体晶粒尺寸主要在 5μm左 右‚还存在部分尺寸为 5~8μm的大块状多边形 铁素体.这主要是 Nb的存在细化了 TRIP钢的热 轧组织‚因冷轧与连续退火过程的遗传性‚从而细 化了最终组织. 图 1 连续退火后实验 TRIP钢的微观组织.(a) 无 Nb钢;(b) 含 Nb钢 Fig.1 MicrostructuresofthetestedTRIPsteelsaftercontinuousannealing:(a) withoutNb;(b) withNb 采用 SEM和 EBSD观察分析含铌 TRIP钢残余 奥氏体的形态与分布‚如图 2所示.残余奥氏体在 钢中的存在位置主要有两种:大部分奥氏体位于铁 素体晶界上‚直径在 2μm以下‚呈团块状或薄膜状; 还有很小一部分残余奥氏体位于大的铁素体晶粒内 部.残余奥氏体在无铌钢中具有相似的分布规律. 在尺寸较大的铁素体边界‚残余奥氏体呈稀疏分布‚ 其尺寸也较大.实际上‚在贝氏体区等温 (如 400 ℃ )条件下‚铁素体晶粒内的碳原子通过扩散不断 向残余奥氏体富集‚且大的残余奥氏体 (FCC结构 ) 需要大的铁素体 (BCC结构 )来满足碳原子的供应‚ 其结果就形成了奥氏体晶粒大小与其铁素体尺寸成 正比的微区分布规律.笔者曾经研究发现 [12]‚TRIP 钢中残余奥氏体的稳定性顺序如下:铁素体中细小 ·202·

第2期 江海涛等:含铌TRP钢连续退火后的组织性能及强化机理 .203 球状残余奥氏体>晶间薄膜状残余奥氏体晶间团 块状残余奥氏体 5m 102m 图2含铌TRP钢中残余奥氏体的分布规律.(a)SM照片;(b)EBSD照片 Fig 2 Distribution of retained austenite in the Nbbearing TR IP steel (a)SEM mopholgy (b)EBSD mopholgy 利用X射线衍射测定含铌与无铌TRP钢中的 的富集,进而增加了残余奥氏体中的碳含量,并有利 残余奥氏体含量和碳含量,结果如图3所示,经数 于残余奥氏体的稳定, 据分析可知,经过相同退火工艺处理后,含铌RP 对于无铌钢,在贝氏体温度400℃等温、保温 钢中平均残余奥氏体含量(体积分数)为7.9%,残 350s的热处理条件下,发现残余奥氏体含量最高, 余奥氏体平均碳含量(质量分数)为1.59%,而无铌 达9.%,随后降低,很明显,贝氏体保温初期,残余 TRP钢中平均残余奥氏体含量为6.3%,残余奥氏 奥氏体含量随着贝氏体相变的进行而增加,然而, 体平均碳含量为1.45%.很显然,含铌TRP钢残余 进一步延长保温时间,发现残余奥氏体含量反而降 奥氏体含量和残余奥氏体含碳量都高于无铌RP 低,主要原因可能是渗碳体析出,从而降低残余奥氏 钢,这是因为含铌钢在热轧和退火后产生了大量的 体中的碳含量,无铌钢在这种条件下析出的渗碳体 (NbTi)(CN)析出物,起到细化晶粒、提高C的 的形貌及其衍射花样如图4(b)所示.而对于含铌 扩散速率的作用[).含铌RP钢中碳氨化铌析出 钢,随着贝氏体等温时间的延长,直到500s时均未 物的形貌及其衍射花样如图4(a)所示.此外,在适 发现渗碳体的析出, 当的连续退火工艺下,Nb延迟了贝氏体转变,抑制 铌的碳氨化物在奥氏体中的形变诱导析出以及 了渗碳体在贝氏体中的析出,有利于碳在奥氏体中 在铁素体中的脱溶析出都可以起到一定的沉淀强化 作用),针对含铌钢,选取不同的临界区温度 110. (780~850℃)加热120s后,再在贝氏体区温度 3 (211)。 200。 400℃保温300、实验结果表明,随着临界区连续退 (111)x(200 220,311(220 火温度的提高,屈服强度和抗拉强度逐渐上升,而延 40 60 80 100 120 伸率在780~830℃上升,超过830℃后下降.分析 20 可知,连续退火温度在780℃时其综合力学性能较 1 (110)a 差,830℃时其强塑积最高,如图5所示 5 表1和表2为含铌TRP钢热轧及退火态钢板 (211m a20.20c20.31,20. 电解析出的分析结果.从表中可以发现,含铌TRP 钢中热轧板的主要析出物为FeC和(NbTi)(C 30 0 60 80 100 120 20 N),退火板的主要析出物为(NbT)(CN)很明 图3连续退火后实验TRP钢的X射线衍射能谱图.(a)无Nb 显,热轧组织中存在大量的渗碳体,其含量大概是退 钢;(b)含Nb钢 火板中的10倍,经过连续退火基本消除了渗碳体 Fig 3 XRD pattems of the tested TRIP steels after continuous an- 的存在,并且在临界区加热时间不变的情况下,随 nealing (a)without Nb (b)with Nb 着温度的升高,(NbT)(CN)析出量稍微增加

第 2期 江海涛等: 含铌 TRIP钢连续退火后的组织性能及强化机理 球状残余奥氏体 >晶间薄膜状残余奥氏体 >晶间团 块状残余奥氏体. 图 2 含铌 TRIP钢中残余奥氏体的分布规律.(a) SEM照片;(b) EBSD照片 Fig.2 DistributionofretainedausteniteintheNb-bearingTRIPsteel:(a) SEMmorphology;(b) EBSDmorphology 利用 X射线衍射测定含铌与无铌 TRIP钢中的 残余奥氏体含量和碳含量‚结果如图 3所示.经数 据分析可知‚经过相同退火工艺处理后‚含铌 TRIP 钢中平均残余奥氏体含量 (体积分数 )为 7∙9%‚残 余奥氏体平均碳含量 (质量分数 )为 1∙59%‚而无铌 TRIP钢中平均残余奥氏体含量为 6∙3%‚残余奥氏 体平均碳含量为1∙45%.很显然‚含铌 TRIP钢残余 奥氏体含量和残余奥氏体含碳量都高于无铌 TRIP 钢‚这是因为含铌钢在热轧和退火后产生了大量的 (Nb‚Ti)(C‚N)析出物‚起到细化晶粒、提高 C的 扩散速率的作用 [9].含铌 TRIP钢中碳氮化铌析出 物的形貌及其衍射花样如图 4(a)所示.此外‚在适 当的连续退火工艺下‚Nb延迟了贝氏体转变‚抑制 了渗碳体在贝氏体中的析出‚有利于碳在奥氏体中 图 3 连续退火后实验 TRIP钢的 X射线衍射能谱图.(a) 无 Nb 钢;(b) 含 Nb钢 Fig.3 XRDpatternsofthetestedTRIPsteelsaftercontinuousan- nealing:(a) withoutNb;(b) withNb 的富集‚进而增加了残余奥氏体中的碳含量‚并有利 于残余奥氏体的稳定. 对于无铌钢‚在贝氏体温度 400℃等温、保温 350s的热处理条件下‚发现残余奥氏体含量最高‚ 达 9∙6%‚随后降低.很明显‚贝氏体保温初期‚残余 奥氏体含量随着贝氏体相变的进行而增加.然而‚ 进一步延长保温时间‚发现残余奥氏体含量反而降 低‚主要原因可能是渗碳体析出‚从而降低残余奥氏 体中的碳含量.无铌钢在这种条件下析出的渗碳体 的形貌及其衍射花样如图 4(b)所示.而对于含铌 钢‚随着贝氏体等温时间的延长‚直到 500s时均未 发现渗碳体的析出. 铌的碳氮化物在奥氏体中的形变诱导析出以及 在铁素体中的脱溶析出都可以起到一定的沉淀强化 作用 [13].针对含铌钢‚选取不同的临界区温度 (780~850℃ )加热 120s后‚再在贝氏体区温度 400℃保温300s.实验结果表明‚随着临界区连续退 火温度的提高‚屈服强度和抗拉强度逐渐上升‚而延 伸率在 780~830℃上升‚超过 830℃后下降.分析 可知‚连续退火温度在 780℃时其综合力学性能较 差‚830℃时其强塑积最高‚如图 5所示. 表 1和表 2为含铌 TRIP钢热轧及退火态钢板 电解析出的分析结果.从表中可以发现‚含铌 TRIP 钢中热轧板的主要析出物为 Fe3C和 (Nb‚Ti) (C‚ N)‚退火板的主要析出物为 (Nb‚Ti) (C‚N).很明 显‚热轧组织中存在大量的渗碳体‚其含量大概是退 火板中的 10倍.经过连续退火基本消除了渗碳体 的存在.并且在临界区加热时间不变的情况下‚随 着温度的升高‚(Nb‚Ti)(C‚N)析出量稍微增加. ·203·

·204. 北京科技大学学报 第32卷 (b) 四 (010) -200 .0m0o0 o020 ·u00 Fe,C L0.5 um 0.5μm 图4连续退火后含铌TRP钢中的(NbTi)(CN)析出(a)和无铌TRP钢中的FsC析出(b) Fig 4 (Nb Ti(C N)precipitation in the tested Nb-bearing TR IP steel (a)and FesC precipitation in the tested TR IP steelwithoutNb (b)after contnuous annealing 800 表3为含铌TRP钢试样电解后钢中第2相粒 子的尺寸分布以及质量分数的统计数据.从表中可 33 700 知,平均第2相粒子尺寸随着退火温度的升高逐渐 减小,小尺寸第2相粒子的质量分数逐渐增多,且其 31 600 增幅较大,大尺寸第2相粒子的数量有所降低,最终 导致了平均第2相粒子尺寸的减小.TRP钢连续 5004 退火过程中,第2相在界面能的驱动作用下,一般会 。屈服强度 ?一抗拉强度 3 发生Ostwak熟化长大,即小颗粒逐渐减小,而大颗 ·。一延伸率 粒逐渐长大).但实验结果表明,由于含铌析出物 400 25 70 790 810 830 850 在加热过程中发生回溶且在随后的冷却过程中发生 临界区热处理温度℃ 析出,从而导致了细小的第2相粒子增多,粗大的第 图5临界区热处理温度对含铌TRP钢力学性能的影响 2相粒子逐渐减少.因此,含铌析出物的回溶与析 the mechanical pmperties of the Nb-bearing TRP 出对TRP钢强度的影响比Ostwald熟化机理起的 steel 作用更大.这也表明,退火温度对RP钢的强度 表1NhT碳氮化物在含铌TRP钢中的析出 Table 1 Precipitation of Nb Ti cabon itride in the Nbbearing TR IP steel M(CN)相中各元素的质量分数% M(CN)相的 热处理工艺 Nb Ti N 组成结构式 热轧态 0.0602 0.0121 0.0100 0.0009 (Nbo.719 Ti.281 Co.929 No.071 800℃,120s 0.0631 0.0144 0.0102 0.0018 (Nbo.693 To.307)Co.s69 No.131 830℃,120s 0.0660 0.0148 0.0105 0.0020 (Nbo.697 Ti.303 Co.860 No.140) 850℃,120s 0.0674 0.0152 0.0111 0.0021 (Nho.68sTi.304)(C0.sN0.16)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 4 连续退火后含铌 TRIP钢中的 (Nb‚Ti) (C‚N)析出 (a)和无铌 TRIP钢中的 Fe3C析出 (b) Fig.4 (Nb‚Ti) (C‚N) precipitationinthetestedNb—bearingTRIPsteel(a) andFe3CprecipitationinthetestedTRIPsteelwithoutNb(b) after continuousannealing 图 5 临界区热处理温度对含铌 TRIP钢力学性能的影响 Fig.5 Effectofheattreatmenttemperatureintheintercriticaltem- peraturerangeonthemechanicalpropertiesoftheNb—bearingTRIP steel 表 3为含铌 TRIP钢试样电解后钢中第 2相粒 子的尺寸分布以及质量分数的统计数据.从表中可 知‚平均第 2相粒子尺寸随着退火温度的升高逐渐 减小‚小尺寸第 2相粒子的质量分数逐渐增多‚且其 增幅较大‚大尺寸第 2相粒子的数量有所降低‚最终 导致了平均第 2相粒子尺寸的减小.TRIP钢连续 退火过程中‚第 2相在界面能的驱动作用下‚一般会 发生 Ostwald熟化长大‚即小颗粒逐渐减小‚而大颗 粒逐渐长大 [13].但实验结果表明‚由于含铌析出物 在加热过程中发生回溶且在随后的冷却过程中发生 析出‚从而导致了细小的第 2相粒子增多‚粗大的第 2相粒子逐渐减少.因此‚含铌析出物的回溶与析 出对 TRIP钢强度的影响比 Ostwald熟化机理起的 作用更大.这也表明‚退火温度对 TRIP钢的强度 表 1 Nb、Ti碳氮化物在含铌 TRIP钢中的析出 Table1 PrecipitationofNb‚TicarbonitrideintheNb-bearingTRIPsteel 热处理工艺 M(C‚N)相中各元素的质量分数/% Nb Ti C N M(C‚N)相的 组成结构式 热轧态 0∙0602 0∙0121 0∙0100 0∙0009 (Nb0∙719Ti0∙281) (C0∙929N0∙071) 800℃‚120s 0∙0631 0∙0144 0∙0102 0∙0018 (Nb0∙693Ti0∙307) (C0∙869N0∙131) 830℃‚120s 0∙0660 0∙0148 0∙0105 0∙0020 (Nb0∙697Ti0∙303) (C0∙860N0∙140) 850℃‚120s 0∙0674 0∙0152 0∙0111 0∙0021 (Nb0∙696Ti0∙304) (C0∙884N0∙116) ·204·

第2期 江海涛等:含铌TRP钢连续退火后的组织性能及强化机理 .205 表2含铌TRP钢中的FgC析出 Table 2 FesC precipitation in the Nbbearing TR IP steel M3C相中各元素的质量分数% M3C相的 热处理工艺 Fe Mn C 组成结构式 热轧态 1.0687 0.0551 0.0806 (Fm.950Mno.050)3C 800℃,120s 0.1271 0.0012 0.0092 (Fm.990Mm.01o)3C 830℃,1205 0.1279 0.0007 0.0092 (Fm.9g:Mn6.006)3C 850℃,120s 0.1278 0.0007 0.0092 Fe0.99M no.006)3C 表3含铌TRP钢中第2相的尺寸分布以及质量分数 Table 3 Size distrbution and mass fraction of second phase in the Nbbearng TRIP steel 不同的热处理工艺 第2相 热轧态 800℃,120s 830℃,120s 850℃,120s 尺寸/ 平均粒 m 分布频率/质量分 平均粒分布频率/质量分 平均粒分布频率/质量分 平均粒分布频率/质量分 径m(%.m-1)数% 径m(%ml)数% 径m(%.m1)数% 径m(%.m-l)数% 1-5 0.94 3.7 1.35 5.4 1.65 6.6 1.94 7.7 5-10 1.02 5.2 1.49 7.5 1.71 8.6 2.04 10.2 10-18 0.86 6.9 1.67 13.6 1.07 8.6 1.10 8.8 18-36 0.46 8.2 0.50 9.0 0.50 9.0 0.47 8.5 36-60 115.6 0.25 6.0 102.3 0.25 5.9 101.5 0.28 6.7 98.2 0.23 5.6 60-96 0.28 10.2 0.22 7.9 0.25 8.0 0.23 7.8 96-140 0.50 22.0 0.37 16.5 0.38 18.1 0.39 17.2 140-200 0.37 23.0 0.34 21.3 0.34 21.4 0.33 21.2 200-300 0.15 14.8 0.13 12.9 0.13 13.0 0.12 13.0 贡献有很大的影响,尽管随着临界区温度的升高,铁 FeC和(NbTi)(CN),退火板的主要析出物为 素体会随之长大,奥氏体也会发生粗化,随后会遗传 (NbTi)(CN),由于TRP钢的细小含铌析出物的 至退火板中,但由于RP钢的细小含铌析出物的 析出强化贡献,导致了随着退火温度的升高,屈服强 析出强化贡献,最终导致了随着退火温度的升高,屈 度和抗拉强度升高, 服强度和抗拉强度升高 参考文献 3结论 [1]Jiang H T Tang D.MiZL Latest progress in devebpment and application of advanced high strength steels for au tmmobiles J Imn (1)在连续退火工艺条件下,Nb的存在细化了 SteelRes2007,19(8):1 TRP钢的微观组织,由于Nb延迟了贝氏体转变, (江海涛,唐获,米振莉·汽车用先进高强度钢的开发及应用 抑制了渗碳体在贝氏体中的析出,有利于碳在奥氏 进展.钢铁研究学报,2007,19(8):1) 体中的富集,与未添加Nb的钢相比,添加Nb的 [2]Kang Y L Quality Contmlling and Fom ing Pmoperty ofModem Au- TRP钢可以提高残余奥氏体含量和残余奥氏体含 mobile Stcel Plates Beijng Metallungical Industry Press 2009 (康永林.现代汽车板工艺及成形理论与技术.北京:冶金工 碳量, 业出版社,2009) (2)残余奥氏体在钢中的存在位置主要有两 [3]Cao JC Liu Q Y.Yong Q L etal Effect of niobim on m icm- 种:大部分奥氏体分布于铁素体贝氏体晶界,呈团块 stmucture and strengthening mechanisn of HSLA steel Iron Steel 状或薄膜状;极小部分残余奥氏体位于铁素体晶粒 200641(8):60 内部,残余奥氏体的分布形态和位置与铁素体基体 (曹建春,刘清友,雍岐龙,等。铌对高强度低合金钢的组织 和强化机制的影响.钢铁,200641(8):60) 紧密相关,RP钢中含铌和不含铌对残余奥氏体 [4]Yuan SQ.Yang SW,WuH B etal Stmin-induced precipitati 的分布形态和位置影响不大, on in a multim icmalloyed steel J Univ Sci Technol Beijing (3)含铌TRP钢中热轧板的主要析出物为 200325(5):414)

第 2期 江海涛等: 含铌 TRIP钢连续退火后的组织性能及强化机理 表 2 含铌 TRIP钢中的 Fe3C析出 Table2 Fe3CprecipitationintheNb-bearingTRIPsteel 热处理工艺 M3C相中各元素的质量分数/% Fe Mn C M3C相的 组成结构式 热轧态 1∙0687 0∙0551 0∙0806 (Fe0∙950Mn0∙050)3C 800℃‚120s 0∙1271 0∙0012 0∙0092 (Fe0∙990Mn0∙010)3C 830℃‚120s 0∙1279 0∙0007 0∙0092 (Fe0∙994Mn0∙006)3C 850℃‚120s 0∙1278 0∙0007 0∙0092 (Fe0∙994Mn0∙006)3C 表 3 含铌 TRIP钢中第 2相的尺寸分布以及质量分数 Table3 SizedistributionandmassfractionofsecondphaseintheNb-bearingTRIPsteel 第 2相 尺寸/ nm 不同的热处理工艺 热轧态 800℃‚120s 830℃‚120s 850℃‚120s 平均粒 径/nm 分布频率/ (%·nm—1) 质量分 数/% 平均粒 径/nm 分布频率/ (%·nm—1) 质量分 数/% 平均粒 径/nm 分布频率/ (%·nm—1) 质量分 数/% 平均粒 径/nm 分布频率/ (%·nm—1) 质量分 数/% 1~5 115∙6 0∙94 3∙7 102∙3 1∙35 5∙4 101∙5 1∙65 6∙6 98∙2 1∙94 7∙7 5~10 1∙02 5∙2 1∙49 7∙5 1∙71 8∙6 2∙04 10∙2 10~18 0∙86 6∙9 1∙67 13∙6 1∙07 8∙6 1∙10 8∙8 18~36 0∙46 8∙2 0∙50 9∙0 0∙50 9∙0 0∙47 8∙5 36~60 0∙25 6∙0 0∙25 5∙9 0∙28 6∙7 0∙23 5∙6 60~96 0∙28 10∙2 0∙22 7∙9 0∙25 8∙0 0∙23 7∙8 96~140 0∙50 22∙0 0∙37 16∙5 0∙38 18∙1 0∙39 17∙2 140~200 0∙37 23∙0 0∙34 21∙3 0∙34 21∙4 0∙33 21∙2 200~300 0∙15 14∙8 0∙13 12∙9 0∙13 13∙0 0∙12 13∙0 贡献有很大的影响‚尽管随着临界区温度的升高‚铁 素体会随之长大‚奥氏体也会发生粗化‚随后会遗传 至退火板中‚但由于 TRIP钢的细小含铌析出物的 析出强化贡献‚最终导致了随着退火温度的升高‚屈 服强度和抗拉强度升高. 3 结论 (1) 在连续退火工艺条件下‚Nb的存在细化了 TRIP钢的微观组织.由于 Nb延迟了贝氏体转变‚ 抑制了渗碳体在贝氏体中的析出‚有利于碳在奥氏 体中的富集‚与未添加 Nb的钢相比‚添加 Nb的 TRIP钢可以提高残余奥氏体含量和残余奥氏体含 碳量. (2) 残余奥氏体在钢中的存在位置主要有两 种:大部分奥氏体分布于铁素体贝氏体晶界‚呈团块 状或薄膜状;极小部分残余奥氏体位于铁素体晶粒 内部.残余奥氏体的分布形态和位置与铁素体基体 紧密相关.TRIP钢中含铌和不含铌对残余奥氏体 的分布形态和位置影响不大. (3) 含铌 TRIP钢中热轧板的主要析出物为 Fe3C和 (Nb‚Ti) (C‚N)‚退火板的主要析出物为 (Nb‚Ti)(C‚N).由于 TRIP钢的细小含铌析出物的 析出强化贡献‚导致了随着退火温度的升高‚屈服强 度和抗拉强度升高. 参 考 文 献 [1] JiangHT‚TangD‚MiZL.Latestprogressindevelopmentand applicationofadvancedhighstrengthsteelsforautomobiles.JIron SteelRes‚2007‚19(8):1 (江海涛‚唐荻‚米振莉.汽车用先进高强度钢的开发及应用 进展.钢铁研究学报‚2007‚19(8):1) [2] KangYL.QualityControllingandFormingPropertyofModernAu- tomobileSteelPlates.Beijing:MetallurgicalIndustryPress‚2009 (康永林.现代汽车板工艺及成形理论与技术.北京:冶金工 业出版社‚2009) [3] CaoJC‚LiuQY‚YongQL‚etal.Effectofniobiumonmicro- structureandstrengtheningmechanismofHSLAsteel.IronSteel‚ 2006‚41(8):60 (曹建春‚刘清友‚雍岐龙‚等.铌对高强度低合金钢的组织 和强化机制的影响.钢铁‚2006‚41(8):60) [4] YuanSQ‚YangSW‚WuHB‚etal.Strain-inducedprecipitati- oninamulti-microalloyedsteel.JUnivSciTechnolBeijing‚ 2003‚25(5):414) ·205·

·206 北京科技大学学报 第32卷 苑少强,杨善武,武会宾,等.多元微合金钢中的应变透导 [9]Perekma E V.Tmnokhna IB.Hodgson P D.Transfomation be- 复合析出.北京科技大学学报,200325(5):414) haviour n themomechanically processed CMn Si TRIP steels [5]Zhou L Y.Li Y Z Fang Y.et al Effect of Nb on transfoma- with and without Nb Mater Sci Eng A 1999 273/275:448 tion micmostmucture and pmoperties of CSiMnCr dual phase [10]Tiokhina IB Perekma E V,Hodgson PD.M icmostmichire and steel Imon Steel 2008 43(7):76 mechanical pmperties ofCSiMn(Nb)TR IP steels after simul- (周乐育,刘雅政,方圆,等,Nb对C一SMnC双相钢相变 ted themanechanical processng Mater Sci Technol 2001.17 规律,组织和性能的影响.钢铁,200843(7):76 (2):135 [6]Tang Z Y.LiL Zhang X.et al Effect of Nb content on m icmo- [11]Tiokhina IB.Hodgson PD.Perekma E V.Tranm ission elec- stnuictures and properties of TR IP steels JMater Metall 2006 5 tmn m icmoscopy characteriation of the bake hadening behavor of (2):125 transfomation-induced plasticity and dual phase steels Metall (唐正友,李龙,张新,等,Nb含量对RP钢组织和性能的 MaterTrans A2007.38(10):2442 影响.材料与治金学报,2006,5(2):125) [12]Jiang H T.WuH B Tang D.etal Ifluence of isothemalbai [7]Tiokhina IB Hodgson PD.Perelama E V.Effect of defoma- nitic processing on the mechanical properties and m icmstnucture tion schedule on the m icrostnuctre and mechanical pmoperties of a chamacterization ofTR IP steel J Univ Sci Technol Beijing 2008 the mamnechanically processed CMn Si transfomation-induced 15(5):574 plsticity steel MeuallMaterTmans A 2003 34(8):1599 [13]Yong Q L Secondary Phase in Steel Beijng Metallrgical In- [8)Sugmoto K I Murmatsu T Hashinoto S I etal Fomability of dustry Press 2006;39 Nb bearing ultra high"strength TR IP-aided sheet steels J Ma ter (雍岐龙,钢铁材料中的第二相,北京:冶金工业出版社, Pmcess Technol 2006.177(13).390 2006,39) (上接第200页) 出版社,2003.2) [8]Morito S Yoshida H.Maki T.et al Effect of bbck size on the [11]JiG.Handbook of Designation and Trade Name of Worldw ide strength of lath martensite in low catbon steels Mater Sci Eng A Standan Steels Beijing China Standan Press 2003,65 200625(438-440):237 (纪贵.世界标准钢号手册.北京:中国标准出版社,200365) [9]W ang C F W ang M Q.ShiJ et al M icmostmuctural characteriza- [12]Ding W.Ln X P.Liu W K.et al Micmostuchure and wear m- tion and its effect on strength of low cadbon martensitic steel Iron sistance of bw carbon martensite fne grain steel HeatTmatMet Siel2007,42(11):57 2007.32(1).59 (王春芳,王毛球,时捷,等.低碳马氏体钢的微观组织及其对 (丁玮,林晓娉,刘文开,等.低碳马氏体细晶粒钢的显微组织 强度的影响.钢铁,2007,42(11):57) 及耐磨性能,金属热处理,2007,32(1):59) 10]Lin H G.Lin G.Wu JW.Handbook of Designation and Trade [13]CuiZQ PhysicalMetallurgy and HeatTrament Beijing Chi Name of Wordw ide Steels Pocket Edition Beijing China Ma- na Mach ine Press 1988,286 chne Press 2003.2 (雀忠圻·金属学与热处理北京:机械工业出版社,1988 (林慧国,林钢,吴静雯.袖珍世界钢号手册,北京:机械工业 286)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 (苑少强‚杨善武‚武会宾‚等.多元微合金钢中的应变诱导 复合析出.北京科技大学学报‚2003‚25(5):414) [5] ZhouLY‚LiuYZ‚FangY‚etal.EffectofNbontransforma- tion‚microstructureand propertiesofC-Si-Mn-Crdualphase steel.IronSteel‚2008‚43(7):76 (周乐育‚刘雅政‚方圆‚等.Nb对 C--Si--Mn--Cr双相钢相变 规律、组织和性能的影响.钢铁‚2008‚43(7):76 [6] TangZY‚LiL‚ZhangX‚etal.EffectofNbcontentonmicro- structuresandpropertiesofTRIPsteels.JMaterMetall‚2006‚5 (2):125 (唐正友‚李龙‚张新‚等.Nb含量对 TRIP钢组织和性能的 影响.材料与冶金学报‚2006‚5(2):125) [7] TimokhinaIB‚HodgsonPD‚PerelomaEV.Effectofdeforma- tionscheduleonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofa thermomechanically processed C-Mn-Si transformation-induced plasticitysteel.MetallMaterTransA‚2003‚34(8):1599 [8] SugimotoKI‚MuramatsuT‚HashimotoSI‚etal.Formabilityof Nbbearingultrahigh-strengthTRIP-aidedsheetsteels.JMater ProcessTechnol‚2006‚177(1-3)‚390 [9] PerelomaEV‚TimokhinaIB‚HodgsonPD.Transformationbe- haviourinthermo-mechanicallyprocessedC-Mn-SiTRIP steels withandwithoutNb.MaterSciEngA‚1999‚273/275:448 [10] TimokhinaIB‚PerelomaEV‚HodgsonPD.Microstructureand mechanicalpropertiesofC-Si-Mn(-Nb) TRIPsteelsaftersimula- tedthermomechanicalprocessing.MaterSciTechnol‚2001‚17 (2):135 [11] TimokhinaIB‚HodgsonPD‚PerelomaEV.Transmissionelec- tronmicroscopycharacterizationofthebake-hardeningbehaviorof transformation-inducedplasticityanddual-phasesteels.Metall MaterTransA‚2007‚38(10):2442 [12] JiangHT‚WuHB‚TangD‚etal.Influenceofisothermalbai- niticprocessingonthemechanicalpropertiesandmicrostructure characterizationofTRIPsteel.JUnivSciTechnolBeijing‚2008‚ 15(5):574 [13] YongQL.SecondaryPhaseinSteel.Beijing:MetallurgicalIn- dustryPress‚2006:39 (雍岐龙.钢铁材料中的第二相.北京:冶金工业出版社‚ 2006:39) (上接第 200页 ) [8] MoritoS‚YoshidaH‚MakiT‚etal.Effectofblocksizeonthe strengthoflathmartensiteinlowcarbonsteels.MaterSciEngA‚ 2006‚25(438-440):237 [9] WangCFWangMQ‚ShiJ‚etal.Microstructuralcharacteriza- tionanditseffectonstrengthoflowcarbonmartensiticsteel.Iron Steel‚2007‚42(11):57 (王春芳‚王毛球‚时捷‚等.低碳马氏体钢的微观组织及其对 强度的影响.钢铁‚2007‚42(11):57) [10] LinHG‚LinG‚WuJW.HandbookofDesignationandTrade NameofWorldwideSteelsPocketEdition.Beijing:ChinaMa- chinePress‚2003:2 (林慧国‚林钢‚吴静雯.袖珍世界钢号手册.北京:机械工业 出版社‚2003:2) [11] JiG.HandbookofDesignationandTradeNameofWorldwide StandardSteels.Beijing:ChinaStandardPress‚2003:65 (纪贵.世界标准钢号手册.北京:中国标准出版社‚2003:65) [12] DingW‚LinXP‚LiuW K‚etal.Microstructureandwearre- sistanceoflowcarbonmartensitefinegrainsteel.HeatTreatMet‚ 2007‚32(1):59 (丁玮‚林晓娉‚刘文开‚等.低碳马氏体细晶粒钢的显微组织 及耐磨性能.金属热处理‚2007‚32(1):59) [13] CuiZQ.PhysicalMetallurgyandHeatTreatment.Beijing:Chi- naMachinePress‚1988:286 (崔忠圻.金属学与热处理.北京:机械工业出版社‚1988: 286) ·206·

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