工程科学学报，第38卷，第8期：1108-1114,2016年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.8:1108-1114,August 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.08.009:http://journals..ustb.edu.cn 钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 李永亮”，王福明四，李长荣)，杨占兵”，何煜天”，郑亚旭” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangfuming@metall.usth.edu.cn 摘要利用Gleeble--3500热模拟试验机、扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射技术等手段研究V对7O0MPa级高强度汽 车大梁钢组织细化的影响.在冷却速度2~7℃·s时，显微组织为针状铁素体+粒状贝氏体组织.V添加提高粒状贝氏体体 积分数，细化粒状贝氏体组织，并明显降低粒状贝氏体中M/A岛的尺寸.与无V钢相比，含V钢中大角度品界比例提高 18.2%,对提高钢的韧性有利.由于C含量过低，在实验钢中未观察到单独的VC析出，由此推测V主要固溶在基体中，以合 金化方式促进钢的贝氏体相变，使组织得到有效细化. 关键词高强钢：钒：显微组织；晶体学取向；大角度晶界 分类号TG142.1 Influence of vanadium on the microstructure refinement of high strength automobile beam steel LI Yong-liang",WANG Fu-ming,LI Chang-rong?,YANG Zhan-bing",HE Yu-tian,ZHENG Ya-xu) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangfuming@metall.usth.edu.cn ABSTRACT The effects of vanadium on the microstructure refinement of automobile beam steel with a yield strength of 700 MPa were investigated by Gleeble-3500 Thermo Simulator,scanning electron microscopy,transmission electron microscopy and electron back-scattered diffraction.The results show that a mixture structure of acicular ferrite and granular bainite can be obtained in a cooling rate range of 2 to 7C's.It is recognized that the volume fraction of granular bainite increases and the microstructure can be refined by adding vanadium.After the addition of vanadium,the size of M/A islands decreases obviously.Compared to the V-free steel,high angle grain boundaries in the V-bearing steel increases by 18.2%,indicating a potential improvement in toughness.No VC precipita- tion is observed in the tested steel due to low carbon content,so it can be deduced that V in the solid solution can promote the bainite transformation and refine the microstructure. KEY WORDS high strength steel;vanadium:microstructure:crystal orientation:high angle grain boundaries 传统汽车大梁钢为铁素体+珠光体组织，虽然具 位错的铁素体组成；粒状贝氏体(granular bainite,GB) 有较好的韧和塑性，但强度提升的空间有限，无法满足 为块型铁素体或条型铁素体基体上分布着的M/A岛 车体减重对强度和韧性的进一步要求.研究指出 组成5.AF和GB按照一定的比例组成，能有效提 针状铁素体(acicular ferrite,AF)形成温度略高于上贝 高钢的强韧性匹配，是高强钢发展的方向网.该组织 氏体，属于切变和扩散混合型相变机制，主要由高密度 现多用于X80级别管线钢方面0-"，在汽车大梁用钢 收稿日期：201603-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374018)
工程科学学报，第 38 卷，第 8 期: 1108--1114，2016 年 8 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 8: 1108--1114，August 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 08． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 李永亮1) ，王福明1) ，李长荣2) ，杨占兵1) ，何煜天1) ，郑亚旭1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: wangfuming@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 利用 Gleeble--3500 热模拟试验机、扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射技术等手段研究 V 对 700 MPa 级高强度汽 车大梁钢组织细化的影响． 在冷却速度 2 ～ 7 ℃·s － 1时，显微组织为针状铁素体 + 粒状贝氏体组织． V 添加提高粒状贝氏体体 积分数，细化粒状贝氏体组织，并明显降低粒状贝氏体中 M /A 岛的尺寸． 与无 V 钢相比，含 V 钢中大角度晶界比例提高 18. 2% ，对提高钢的韧性有利． 由于 C 含量过低，在实验钢中未观察到单独的 VC 析出，由此推测 V 主要固溶在基体中，以合 金化方式促进钢的贝氏体相变，使组织得到有效细化． 关键词 高强钢; 钒; 显微组织; 晶体学取向; 大角度晶界 分类号 TG142. 1 Influence of vanadium on the microstructure refinement of high strength automobile beam steel LI Yong-liang1) ，WANG Fu-ming1) ，LI Chang-rong2) ，YANG Zhan-bing1) ，HE Yu-tian1) ，ZHENG Ya-xu1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: wangfuming@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The effects of vanadium on the microstructure refinement of automobile beam steel with a yield strength of 700 MPa were investigated by Gleeble － 3500 Thermo Simulator，scanning electron microscopy，transmission electron microscopy and electron back-scattered diffraction． The results show that a mixture structure of acicular ferrite and granular bainite can be obtained in a cooling rate range of 2 to 7 ℃·s － 1 ． It is recognized that the volume fraction of granular bainite increases and the microstructure can be refined by adding vanadium． After the addition of vanadium，the size of M /A islands decreases obviously． Compared to the V-free steel，high angle grain boundaries in the V-bearing steel increases by 18. 2% ，indicating a potential improvement in toughness． No VC precipitation is observed in the tested steel due to low carbon content，so it can be deduced that V in the solid solution can promote the bainite transformation and refine the microstructure． KEY WOＲDS high strength steel; vanadium; microstructure; crystal orientation; high angle grain boundaries 收稿日期: 2016--03--25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51374018) 传统汽车大梁钢为铁素体 + 珠光体组织，虽然具 有较好的韧和塑性，但强度提升的空间有限，无法满足 车体减重对强度和韧性的进一步要求［1--4］． 研究指出 针状铁素体( acicular ferrite，AF) 形成温度略高于上贝 氏体，属于切变和扩散混合型相变机制，主要由高密度 位错的铁素体组成; 粒状贝氏体( granular bainite，GB) 为块型铁素体或条型铁素体基体上分布着的 M /A 岛 组成［5--8］． AF 和 GB 按照一定的比例组成，能有效提 高钢的强韧性匹配，是高强钢发展的方向［9］． 该组织 现多用于 X80 级别管线钢方面［10--11］，在汽车大梁用钢
李永亮等：钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 1109· 中应用还少有报导：通过Nb和B复合添加，可以使大 1 实验材料及方法 梁钢过冷奥氏体在连续冷却条件下获得AF+GB的混 合组织2-切.随着高纬度、极寒地区的开发，结构钢在 实验钢化学成分检验结果如表1所示.将实验钢 极端环境中应用越来越广泛.合金元素、组织细化 加工成热模拟压缩试样，用Gleeble--3500热模拟试验 和第二相粒子析出对高强度贝氏体钢的低温韧性的影 机进行双道次压缩试验，工艺流程如图1所示.为了 响应该受到特别的关注.GB和M/A岛的增加可以提 使钢中碳化物充分溶解，将试样加热至1150℃保温 高钢的强度，但是组织粗大和M/A岛的粗化将恶化钢 5min后进行压缩；结合实际生产中大梁钢板的轧制工 的低温韧性5-a.因此，细化组织和降低M/A岛尺 艺参数，设计本次热模拟的形变参数，由于钢中加入了 寸，是改善含粒状贝氏体钢的强度和韧性的前提条件. 痕量B元素，使得在相对较低的冷速即可获得贝氏体 组织细化使钢中大角度晶界比例增多，作为有效晶粒， 和马氏体组织，因此选取形变后冷速范围为0.1~ 大角度晶界能阻碍微裂纹扩展，提高钢的韧性团.通 30℃·s.利用光学显微镜、JSM-6701F场发射扫描电 过对比粒状贝氏体组织、M/A岛尺寸及大、小角晶界 镜和TecnaiF30透射电镜对试样的显微组织形貌进行 分布状况，可以对钢的性能进行比较. 观察.将压缩后的试样垂直压缩方向切开，经机械抛 当前对V的研究除了其沉淀硬化效果外，还涉及 光制备金相试样，光学显微镜和扫描电镜金相用4% 到对相变的影响s-.V在低碳钢中的研究重点是其 硝酸乙醇溶液腐蚀，电子背散射衍射试样经抛光后，在 析出强化作用，而其对低碳微合金钢中粒状贝氏体显 常温下用5%高氯酸乙醇溶液进行电解腐蚀，透射电 微组织细化以及M/A岛细化的机理还需进一步分析. 镜试样经机械减薄后在-20℃用10%高氯酸乙醇溶 本文重点对以上问题进行研究，并对相关的机理进行 液进行“双喷”减薄.利用mageJ对金相组织中粒状 探讨. 贝氏体尺寸分布、M/A尺寸进行测量和统计 表1实验材料的化学成分（质量分数） Table 1 Composition of the experimental steels % 钢种 Si Mn Cr N B Nb T下i Ni No.1 0.09 0.33 1.58 0.12 0.0017 0.0020 0.04 0.04 0.33 0 No.2 0.09 0.33 1.57 0.12 0.0012 0.0015 0.04 0.04 0.33 0.08 1150℃保温300： 示.可以看出，在0.1~30℃·s范围内，CCT曲线形 15℃g 状相似，分为四个相变区：铁素体相变区、珠光体相变 1050℃时压缩42%，应变速率E,-3s1 区、贝氏体相变区和马氏体相变区.当冷速低于2℃· 850℃时压缩30%，e,-20s1 s时，主要发生铁素体+珠光体转变：冷速介于2~ 7℃·s时能够得到铁素体和贝氏体混合组织：当冷速 大于7℃·s时，钢中主要发生贝氏体转变；进一步提 冷却速度：30℃·g20℃·g, 高冷速到20℃·s时，开始有马氏体相变发生.V的 15℃-，10℃57℃号15℃s 室温 2℃s,1℃·80.5℃·80.1℃·sl, 1000 ·一无V钢 时间s 900 ,含V钢 图1热模拟工艺路线 800 Fig.1 Schematic illustration of thermo mechanical simulation 700 process 600 LB 500 2 实验结果与分析 400 Ms 2.1过冷奥氏体连续冷却转变曲线 300 为了探讨V对钢相变行为的影响，用切线法测量 冷速：℃·300151075 10.5 0.1 200 10 100 1000 10000 热膨胀曲线上相变的临界开始和终了温度，利用Origin 时间/s 9绘图软件，绘制无V钢和含V钢的动态连续冷却转 A一奥氏体：F一铁素体：P一珠光体：B一贝氏体：M一马氏体 变曲线(dynamic continue cooling transformation curve, 图2无V钢和含V钢的动态CCT曲线对比 dynamic CCT curve),并结合金相分析和显微硬度分析 Fig.2 Comparison between the dynamic CCT curves of the V-free 对CCT曲线的相变区间进行了核对，结果如图2所 and V-bearing steel
李永亮等: 钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 中应用还少有报导． 通过 Nb 和 B 复合添加，可以使大 梁钢过冷奥氏体在连续冷却条件下获得 AF + GB 的混 合组织［12--13］． 随着高纬度、极寒地区的开发，结构钢在 极端环境中应用越来越广泛［14］． 合金元素、组织细化 和第二相粒子析出对高强度贝氏体钢的低温韧性的影 响应该受到特别的关注． GB 和 M /A 岛的增加可以提 高钢的强度，但是组织粗大和 M /A 岛的粗化将恶化钢 的低温韧性［15--16］． 因此，细化组织和降低 M /A 岛尺 寸，是改善含粒状贝氏体钢的强度和韧性的前提条件． 组织细化使钢中大角度晶界比例增多，作为有效晶粒， 大角度晶界能阻碍微裂纹扩展，提高钢的韧性［17］． 通 过对比粒状贝氏体组织、M /A 岛尺寸及大、小角晶界 分布状况，可以对钢的性能进行比较． 当前对 V 的研究除了其沉淀硬化效果外，还涉及 到对相变的影响［18--22］． V 在低碳钢中的研究重点是其 析出强化作用，而其对低碳微合金钢中粒状贝氏体显 微组织细化以及 M /A 岛细化的机理还需进一步分析． 本文重点对以上问题进行研究，并对相关的机理进行 探讨． 1 实验材料及方法 实验钢化学成分检验结果如表 1 所示． 将实验钢 加工成热模拟压缩试样，用 Gleeble--3500 热模拟试验 机进行双道次压缩试验，工艺流程如图 1 所示． 为了 使钢中碳化物充分溶解，将试样加热至 1150 ℃ 保温 5 min后进行压缩; 结合实际生产中大梁钢板的轧制工 艺参数，设计本次热模拟的形变参数，由于钢中加入了 痕量 B 元素，使得在相对较低的冷速即可获得贝氏体 和马氏 体 组 织，因此选取形变后冷速范围为0. 1 ～ 30 ℃·s － 1 ． 利用光学显微镜、JSM--6701F 场发射扫描电 镜和 TecnaiF30 透射电镜对试样的显微组织形貌进行 观察． 将压缩后的试样垂直压缩方向切开，经机械抛 光制备金相试样，光学显微镜和扫描电镜金相用 4% 硝酸乙醇溶液腐蚀，电子背散射衍射试样经抛光后，在 常温下用 5% 高氯酸乙醇溶液进行电解腐蚀，透射电 镜试样经机械减薄后在 － 20 ℃ 用 10% 高氯酸乙醇溶 液进行“双喷”减薄． 利用 ImageJ 对金相组织中粒状 贝氏体尺寸分布、M /A 尺寸进行测量和统计． 表 1 实验材料的化学成分( 质量分数) Table 1 Composition of the experimental steels % 钢种 C Si Mn Cr N B Nb Ti Ni V No． 1 0. 09 0. 33 1. 58 0. 12 0. 0017 0. 0020 0. 04 0. 04 0. 33 0 No． 2 0. 09 0. 33 1. 57 0. 12 0. 0012 0. 0015 0. 04 0. 04 0. 33 0. 08 图 1 热模拟工艺路线 Fig． 1 Schematic illustration of thermo mechanical simulation process 2 实验结果与分析 2. 1 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 为了探讨 V 对钢相变行为的影响，用切线法测量 热膨胀曲线上相变的临界开始和终了温度，利用Origin 9 绘图软件，绘制无 V 钢和含 V 钢的动态连续冷却转 变曲线( dynamic continue cooling transformation curve， dynamic CCT curve) ，并结合金相分析和显微硬度分析 对 CCT 曲线的相变区间进行了核对，结果如图 2 所 示． 可以看出，在 0. 1 ～ 30 ℃·s － 1范围内，CCT 曲线形 状相似，分为四个相变区: 铁素体相变区、珠光体相变 A—奥氏体; F—铁素体; P—珠光体; B—贝氏体; M—马氏体 图 2 无 V 钢和含 V 钢的动态 CCT 曲线对比 Fig． 2 Comparison between the dynamic CCT curves of the V-free and V-bearing steel 区、贝氏体相变区和马氏体相变区． 当冷速低于 2 ℃· s － 1时，主要发生铁素体 + 珠光体转变; 冷速介于2 ～ 7 ℃·s － 1时能够得到铁素体和贝氏体混合组织; 当冷速 大于 7 ℃·s － 1时，钢中主要发生贝氏体转变; 进一步提 高冷速到 20 ℃·s － 1时，开始有马氏体相变发生． V 的 · 9011 ·
·1110 工程科学学报，第38卷，第8期 添加抑制了过冷奥氏体向珠光体的转变，尤其是在较 中粒状贝氏体数量明显增多，针状铁素体尺寸也有所 低的冷速下，珠光体相变区间明显变小，使铁素体相变 降低.结合实验钢的连续冷却转变曲线可知，在冷速 区间增大.在中等冷速下，V降低了铁素体、贝氏体相 为2℃·s时，V的添加使过冷奥氏体向粒状贝氏体转 变的临界开始温度.从整体上看，V的添加使CCT曲 变的临界开始温度(GB.)降低了15℃，转变温度降 线向右移动 低，使粒状贝氏体转变的驱动力增大，促进了粒状贝氏 2.2显微组织分析 体的形核圆.由于钢中C含量较低，且T和Nb的加 图3和图4是部分光学显微镜照片.当冷速为 入消耗了一定量的C,导致V析出的热力学和动力学 0.1℃·s时，V的添加使钢中珠光体明显减少，珠光 条件不足.此外，实验钢中Mn质量分数接近1.6%， 体球团和铁素体晶粒明显变细：两种钢在2℃·s时， Mn使大部分的V仍以固溶态存在，从而对过冷奥氏 均可得到粒状贝氏体、针状铁素体和少量仿晶界铁素 体起到了稳定作用，使粒状贝氏体的转变温度降低 体的混合组织.对比图3(b)和图4(b)可以发现，微合 但是受放大倍数影响，光学显微镜观察不能对粒状贝 金V的添加对AF+GB组织细化效果明显，且含V钢 氏体的体积分数和细化程度做定量分析 10m e) 10um 图3不同冷速时No.1钢在光学显微镜下的显微组织.(a)0.1℃s1:(b)2℃sl:(c)7℃s1:(d)10℃·s1:()20℃s1:() 30℃s1 Fig.3 Microstructures of Steel No.I at different cooling rates observed by optical microscopy:(a）0.1℃·sl:(b)2℃sl:(c)7℃·sl;(d) 10℃sl:(e)20℃s-1:(030℃s-1 当冷速提高至10℃·s时，No.1钢以粒状贝氏体 状组织所占的百分比下降明显，说明V的添加不仅可 组织为主，针状铁素体数量开始明显减少，并有少量的 以促进岛状组织的生成，而且使其尺寸更加细小和均 板条状贝氏体出现：含V的No.2钢中显微组织开始 匀.分析认为，V溶于C含量较高的残余奥氏体中并 以板条状贝氏体为主，并伴有少量的粒状贝氏体和针 延缓其分解，使残余奥氏体在更低温下形成较多的岛 状铁素体组织.分析认为，固溶态的V可以提高钢的 状组织，0.从图2可以看出，V主要对贝氏体相变 淬透性，是导致No.2钢在该冷速下板条状贝氏体大量 的影响比较明显，因此本文重点讨论V对粒状贝氏体 出现的主要原因.进一步提高冷速至20℃·s以上 的影响，而V对针状铁素体相变影响将另外做讨论. 时，钢中开始出现马氏体组织，此时No.1钢和No.2钢 图6是实验钢在冷速2℃·s1下的透射电镜照片 的显微组织基本上均以板条状贝氏体和块状低碳马氏 从图6()可以看出，针状铁素体上分布着大量的位 体为主，但添加V的No.2钢中显微组织更加细小，贝 错，边界位错密度明显高于心部，这符合针状铁素体由 氏体板条束和马氏体块的尺寸相对细小 位错移动形核形成的理论.图6(b)为岛状组织的精 图5是2℃·s时实验钢的扫描电镜照片.可以 细结构，岛状组织主要由块状结构上分布的M/A岛组 看到岛状组织分布在铁素体基体上.经统计，No.1钢 成，块状结构本身是具有高密度位错的铁素体，而M/ 和No.2钢中岛状组织的体积分数分别为14%和 A岛则主要由小于0.5m的残余奥氏体组成，由此可 19%,含V钢中岛状组织的体积分数增加5%.从 以判定图5中的岛状组织属与被铁素体分割后的残余 图5(c)的统计结果可知，V的添加使大于8m的岛 奥氏体经二次相变形成的粒状贝氏体组织.图6(c)
工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 添加抑制了过冷奥氏体向珠光体的转变，尤其是在较 低的冷速下，珠光体相变区间明显变小，使铁素体相变 区间增大． 在中等冷速下，V 降低了铁素体、贝氏体相 变的临界开始温度． 从整体上看，V 的添加使 CCT 曲 线向右移动． 2. 2 显微组织分析 图 3 和图 4 是部分光学显微镜照片． 当冷速为 0. 1 ℃·s － 1时，V 的添加使钢中珠光体明显减少，珠光 体球团和铁素体晶粒明显变细; 两种钢在 2 ℃·s － 1时， 均可得到粒状贝氏体、针状铁素体和少量仿晶界铁素 体的混合组织． 对比图3( b) 和图4( b) 可以发现，微合 金 V 的添加对 AF + GB 组织细化效果明显，且含 V 钢 中粒状贝氏体数量明显增多，针状铁素体尺寸也有所 降低． 结合实验钢的连续冷却转变曲线可知，在冷速 为 2 ℃·s － 1时，V 的添加使过冷奥氏体向粒状贝氏体转 变的临界开始温度( GBs ) 降低了 15 ℃，转变温度降 低，使粒状贝氏体转变的驱动力增大，促进了粒状贝氏 体的形核［23］． 由于钢中 C 含量较低，且 Ti 和 Nb 的加 入消耗了一定量的 C，导致 V 析出的热力学和动力学 条件不足． 此外，实验钢中 Mn 质量分数接近 1. 6% ， Mn 使大部分的 V 仍以固溶态存在，从而对过冷奥氏 体起到了稳定作用，使粒状贝氏体的转变温度降低． 但是受放大倍数影响，光学显微镜观察不能对粒状贝 氏体的体积分数和细化程度做定量分析． 图 3 不同冷速时 No． 1 钢在光学显微镜下的显微组织． ( a) 0. 1 ℃·s － 1 ; ( b) 2 ℃·s － 1 ; ( c) 7 ℃·s － 1 ; ( d) 10 ℃·s － 1 ; ( e) 20 ℃·s － 1 ; ( f) 30 ℃·s － 1 Fig． 3 Microstructures of Steel No． 1 at different cooling rates observed by optical microscopy: ( a) 0. 1 ℃·s － 1 ; ( b) 2 ℃·s － 1 ; ( c) 7 ℃·s － 1 ; ( d) 10 ℃·s － 1 ; ( e) 20 ℃·s － 1 ; ( f) 30 ℃·s － 1 当冷速提高至 10 ℃·s － 1时，No． 1 钢以粒状贝氏体 组织为主，针状铁素体数量开始明显减少，并有少量的 板条状贝氏体出现; 含 V 的 No． 2 钢中显微组织开始 以板条状贝氏体为主，并伴有少量的粒状贝氏体和针 状铁素体组织． 分析认为，固溶态的 V 可以提高钢的 淬透性，是导致 No． 2 钢在该冷速下板条状贝氏体大量 出现的主要原因． 进一步提高冷速至 20 ℃·s － 1 以上 时，钢中开始出现马氏体组织，此时 No． 1 钢和 No． 2 钢 的显微组织基本上均以板条状贝氏体和块状低碳马氏 体为主，但添加 V 的 No． 2 钢中显微组织更加细小，贝 氏体板条束和马氏体块的尺寸相对细小． 图 5 是 2 ℃·s － 1时实验钢的扫描电镜照片． 可以 看到岛状组织分布在铁素体基体上． 经统计，No． 1 钢 和 No． 2 钢中岛状组织的体积分数分别为 14% 和 19% ，含 V 钢中岛状组织的体积分数增加 5% ． 从 图 5( c) 的统计结果可知，V 的添加使大于 8 μm 的岛 状组织所占的百分比下降明显，说明 V 的添加不仅可 以促进岛状组织的生成，而且使其尺寸更加细小和均 匀． 分析认为，V 溶于 C 含量较高的残余奥氏体中并 延缓其分解，使残余奥氏体在更低温下形成较多的岛 状组织［19，24］． 从图 2 可以看出，V 主要对贝氏体相变 的影响比较明显，因此本文重点讨论 V 对粒状贝氏体 的影响，而 V 对针状铁素体相变影响将另外做讨论． 图6 是实验钢在冷速2 ℃·s － 1下的透射电镜照片． 从图 6( a) 可以看出，针状铁素体上分布着大量的位 错，边界位错密度明显高于心部，这符合针状铁素体由 位错移动形核形成的理论． 图 6( b) 为岛状组织的精 细结构，岛状组织主要由块状结构上分布的 M /A 岛组 成，块状结构本身是具有高密度位错的铁素体，而 M / A 岛则主要由小于 0. 5 μm 的残余奥氏体组成，由此可 以判定图 5 中的岛状组织属与被铁素体分割后的残余 奥氏体经二次相变形成的粒状贝氏体组织． 图 6( c) · 0111 ·
李永亮等：钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 *1111 a I0μ山m 图4不同冷速时N.2钢在光学显微镜下的显微组织.(a)0.1℃s:(b)2℃sl:(c)7℃s:(d)10℃sl:(e)20℃·sl:(0) 30℃sl Fig.4 Microstructures of Steel No.2 at different cooling rates observed by optical microscopy:(a)0.ICs:(b)Cs:(e)7Cs;(d) 10℃s-l:()20℃s1:(030℃s1 (b) 60 (c) 无V钢 50 细含V钢 0 20 10 nm 10 粒状贝氏体“团簇”的尺寸/μm 图52℃·s1时实验钢Na.1(a)和No.2(b)的扫描电镜照片以及岛状组织尺寸统计分布(c) Fig.5 Microstructures of Steel No.I (a)and Steel No.2 (b)observed by SEM at 2 C's-!and statistical size distribution of islands in granular bainite (c) 和()为实验钢中M/A岛的透射电镜照片.V的添加 此可知在实验钢中V以固溶态对贝氏体相变产生促 使M/A岛尺寸降低.柴锋等a认为粒状贝氏体中大 进作用. 于1m的M/A岛使钢的低温冲击韧性恶化，而V的 2.3背散射电子衍射观察 添加在提高粒状贝氏体体积分数同时细化了M/A岛， 实验钢在冷速为2℃·s时的晶体取向成相图和 对提高钢的强度和韧性均有一定作用.透射电镜并未 大、小角晶界分布如图7和图8所示，黑色实线代表大 观察到单独的VC析出，说明V的沉淀析出量较少，由 于15°的大角度晶界.可以看出，粒状贝氏体之间为大
李永亮等: 钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 图 4 不同冷速时 No． 2 钢在光学显微镜下的显微组织． ( a) 0. 1 ℃·s － 1 ; ( b) 2 ℃·s － 1 ; ( c) 7 ℃·s － 1 ; ( d) 10 ℃·s － 1 ; ( e) 20 ℃·s － 1 ; ( f) 30 ℃·s － 1 Fig． 4 Microstructures of Steel No． 2 at different cooling rates observed by optical microscopy: ( a) 0. 1 ℃·s － 1 ; ( b) 2 ℃·s － 1 ; ( c) 7 ℃·s － 1 ; ( d) 10 ℃·s － 1 ; ( e) 20 ℃·s － 1 ; ( f) 30 ℃·s － 1 图 5 2 ℃·s － 1时实验钢 No． 1 ( a) 和 No． 2 ( b) 的扫描电镜照片以及岛状组织尺寸统计分布( c) Fig． 5 Microstructures of Steel No． 1 ( a) and Steel No． 2 ( b) observed by SEM at 2 ℃·s － 1 and statistical size distribution of islands in granular bainite ( c) 和( d) 为实验钢中 M /A 岛的透射电镜照片． V 的添加 使 M /A 岛尺寸降低． 柴锋等［16］认为粒状贝氏体中大 于 1 μm 的 M /A 岛使钢的低温冲击韧性恶化，而 V 的 添加在提高粒状贝氏体体积分数同时细化了 M /A 岛， 对提高钢的强度和韧性均有一定作用． 透射电镜并未 观察到单独的 VC 析出，说明 V 的沉淀析出量较少，由 此可知在实验钢中 V 以固溶态对贝氏体相变产生促 进作用． 2. 3 背散射电子衍射观察 实验钢在冷速为 2 ℃·s － 1时的晶体取向成相图和 大、小角晶界分布如图 7 和图 8 所示，黑色实线代表大 于 15°的大角度晶界． 可以看出，粒状贝氏体之间为大 · 1111 ·
·1112 工程科学学报，第38卷，第8期 (a) (b) (d) Zone'Axis220 200nm 图62℃·s1时实验钢的透射电镜照片.(a)针状铁素体：(b)粒状贝氏体：(c)No.1钢中M/A岛：(d)No.2钢中M/A岛 Fig.6 Microstructures of samples at 2 C's"observed by TEM:(a)acicular ferrite:(b)granular bainite:(c)M/A island in Steel No.1:(d) M/A island in Steel No.2 b) 001 101 图72℃·s1时实验钢的电子背散射衍射观察结果.(a)No.1钢：(b)No.2钢：(c)反极图 Fig.7 Microstructural details of samples at 2 C.s"!obtained by EBSD:(a)Steel No.1:(b)Steel No.2;(c)inverse pole figure 角度晶界.在该冷速下，含V钢的粒状贝氏体组织得 使粒状贝氏体增多，这是导致大角晶界密度提高的原 到了明显的细化，大角度晶界体积分数增大. 因之一：此外，显微组织的细化，使钢的有效晶粒增多 经统计，No.1钢大角度晶界密度为16.7%，添加 也是大角度晶界增多的原因.经显微硬度测试，含V V以后大角度晶界增加到32%.缪成亮等固认为，粒 钢硬度提高15HV,根据GB/T1172一1999《黑色金属 状贝氏体“团簇”起着大角晶界的作用，由于V的添加 硬度及强度换算值》换算，含V钢的强度提高45MPa
工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 图 6 2 ℃·s － 1时实验钢的透射电镜照片． ( a) 针状铁素体; ( b) 粒状贝氏体; ( c) No． 1 钢中 M /A 岛; ( d) No． 2 钢中 M /A 岛 Fig． 6 Microstructures of samples at 2 ℃·s － 1 observed by TEM: ( a) acicular ferrite; ( b) granular bainite; ( c) M /A island in Steel No． 1; ( d) M /A island in Steel No． 2 图 7 2 ℃·s － 1时实验钢的电子背散射衍射观察结果． ( a) No． 1 钢; ( b) No． 2 钢; ( c) 反极图 Fig． 7 Microstructural details of samples at 2 ℃·s － 1 obtained by EBSD: ( a) Steel No． 1; ( b) Steel No． 2; ( c) inverse pole figure 角度晶界． 在该冷速下，含 V 钢的粒状贝氏体组织得 到了明显的细化，大角度晶界体积分数增大． 经统计，No． 1 钢大角度晶界密度为 16. 7% ，添加 V 以后大角度晶界增加到 32% ． 缪成亮等［25］认为，粒 状贝氏体“团簇”起着大角晶界的作用，由于 V 的添加 使粒状贝氏体增多，这是导致大角晶界密度提高的原 因之一; 此外，显微组织的细化，使钢的有效晶粒增多 也是大角度晶界增多的原因． 经显微硬度测试，含 V 钢硬度提高 15 HV，根据 GB / T 1172—1999《黑色金属 硬度及强度换算值》换算，含 V 钢的强度提高 45 MPa， · 2111 ·
李永亮等：钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 *1113· 0.5 [8]Madariaga I,Gutierrez I,Garcia de Andres C,et al.Acicular fer- ,无V钢 rite formation in a medium carbon steel with a two stage continuous 0.4 ·含V钢 cooling.Scripta Mater,1999,41(41):229 9]Avishan B,Yazdani S,Nedjad S H.Toughness variations in 03 nanostructured bainitic steels.Mater Sci Eng A,2012,548:106 [10]Xia D X.Wang X L,Li XC,et al.Properties and microstructure of third generation X90 pipeline steel.Acta Metall Sin,2013,49 (3):271 (夏佃秀，王学林，李秀程，等.X90级别第三代管线钢的力 学性能与组织特征.金属学报，2013,49(3)：271) 10 20 30405060 [11]He X L,Shang C J.Yang S W,et al.Highperformance Low-car- 品体学取向差 bon Bainitic Steels.Beijing:Metallurgical Industry Press,2008 图82℃"：1下V元素对实验钢品体学取向分布的影响 (贺信莱，尚成嘉，杨善武，等.高性能低碳贝氏体钢.北 Fig.8 Effect of V on the misorientation angle distributions at a cool- 京：治金工业出版社，2008) ing rate of2℃sl [12]Zhang Z H,Xue XX.Bainite transformation of low-earbon and boron-containing steel under continuous cooling.J fron Steel Res 强化效果明显 ,2014,21(3):359 03] Terzic A,Caleagnotto M,Guk S,et al.Influence of boron on 3结论 transformation behavior during continuous cooling of low alloyed steels.Mater Sci Eng A,2013,584:32 在冷速2~7℃s的范围内，实验钢可以得到以 [14]Wang TS,Yang J,Shang C J,et al.Microstructures and impact 针状铁素体+粒状贝氏体为主的显微组织.V的添加 toughness of low-alloy high-earbon steel austempered at low tem- 促进粒状贝氏体转变，细化粒状贝氏体组织，并能有效 perature.Scripta Mater,2009,61(4):434 降低M/A岛尺寸.当冷速为2℃·s时，含V钢的粒 15] Feng C,Fang H S,Bai B Z,et al.Phase transformation and 状贝氏体体积分数提高5%，维氏硬度比无V钢高出 strength-oughness of a FcBA/Bc diphase steel containing 0.02% 15HV,预测抗拉强度提高45MPa,说明V的添加可有 Nb.Acta Metall Sin,2010,46(4)473 (冯春，方鸿生，白秉哲，等.0.02%Nb空冷仿品界型铁素 效提高钢的强度.同时，V的添加使钢的大角晶界比 体/粒状贝氏体复相钢的相变及强韧性.金属学报，2010， 例也提高18.2%，大角度晶界比例的增加与粒状贝氏 46(4):473) 体团的增加和组织的细化有关.添加0.08%的V对钢 [16]Chai F.Yang C F,Zhang Y Q,et al.Effect of granular bainite 硬度和强度的影响，主要来自固溶态V对粒状贝氏体 on impact toughness of CGHAZ of ultra-ow carbon copper-bear- 相变的促进作用和显微组织的细化 ing age-hardening steel.J fron Steel Res,2005,17(1):42 (柴锋，杨才福，张永权，等.粒状贝氏体对超低碳含铜时效 参考文献 钢粗品热影响区冲击韧性的影响.钢铁研究学报，2005,17 [1]Zhao ZZ,Liu J,Zhao A M,et al.Analysis of microstructure (1):42) characteristics and precipitation behavior of automobile beam steels [17]Wei C H,Zhang J,Yang S L,et al.Microstructures and me- produced by compact strip production.ron Steel Res Int,2010. chanical properties for laser tailor welded blanks of DP590 and 17(3):56 low carbon steels.Rare Met Mater Eng,2013,42(Suppl 2):68 2]Zhao ZZ,Kang Y L,Yu H.Microstructure and mechanical prop- D8] Zhang S H,Hattori N,Emnomoto M,et al.Ferrite nucleation at erties of automobile beam steels produced by EAF-CSP process.J ceramic/austenite interfaces.IS/J Int,1996,36(10):1301 Unir Sci Technol Beijing,2006,13(6)508 [19]Li W T,Li Z C,Bai B Z.Effect of V on strength and toughness B]Yu H,Kang Y L,Zhao ZZ,et al.Study of microstructure and of low alloyed air-cooled MnSiCr bainite/martensite multiphase cementite in automobile beam steels produced by compact strip steels.At Energy Sci Technol,2010,44 (Suppl 1):359 production with flexible technologies.Mater Sci Eng A,2005,408 (李文韬，李正操，白秉哲.V对低合金MnSiCr空冷贝氏体/ (1-2):47 马氏体复相钢强韧性的影响.原子能科学技术，2010,44 4]Guan M F,Yu H.Fatigue crack growth behaviors in hot-rolled (增刊1)：359) low carbon steels:a comparison between ferrite-pearlite and fer- [20 Pandit A,Murugaiyan A,Podder A S,et al.Strain induced pre- rite-bainite microstructures.Mater Sci Eng A,2013,559:875 cipitation of complex carbonitrides in Nb-V and Ti-V microal- [5]Fang HS,Yang J B,Yang ZG,et al.The mechanism of bainite loyed steels.Scripta Mater,2005,53(11)1309 transformation in steels.Scripta Mater,2002,47(3):157 1]Shanmugam S,Tanniru M,Misra R D K,et al.Microalloyed V- [6]Yang Z G,Fang H S.An overview on bainite formation in steels Nb-Ti and V steels:Part 2.Precipitation behaviour during pro- Curr Opin Solid State Mater Sci,2005,9(6):277 cessing of structural beams.Mater Sci Technol,2005,21 (2): 7]Fang HS,Feng C,Zheng Y K,et al.Creation of air-cooled Mn 165 series bainitic steels.J Iron Steel Research Int,2008,15(6):1 [22]Cheng H J,Wang F M,Pan Z B,et al.Continuous cooling
李永亮等: 钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响 图 8 2 ℃·s － 1下 V 元素对实验钢晶体学取向分布的影响 Fig． 8 Effect of V on the misorientation angle distributions at a cooling rate of 2 ℃·s － 1 强化效果明显． 3 结论 在冷速 2 ～ 7 ℃·s － 1的范围内，实验钢可以得到以 针状铁素体 + 粒状贝氏体为主的显微组织． V 的添加 促进粒状贝氏体转变，细化粒状贝氏体组织，并能有效 降低 M /A 岛尺寸． 当冷速为 2 ℃·s － 1时，含 V 钢的粒 状贝氏体体积分数提高 5% ，维氏硬度比无 V 钢高出 15 HV，预测抗拉强度提高 45 MPa，说明 V 的添加可有 效提高钢的强度． 同时，V 的添加使钢的大角晶界比 例也提高 18. 2% ，大角度晶界比例的增加与粒状贝氏 体团的增加和组织的细化有关． 添加0. 08% 的 V 对钢 硬度和强度的影响，主要来自固溶态 V 对粒状贝氏体 相变的促进作用和显微组织的细化． 参 考 文 献 ［1］ Zhao Z Z，Liu J，Zhao A M，et al． Analysis of microstructure characteristics and precipitation behavior of automobile beam steels produced by compact strip production． J Iron Steel Ｒes Int，2010， 17( 3) : 56 ［2］ Zhao Z Z，Kang Y L，Yu H． Microstructure and mechanical properties of automobile beam steels produced by EAF-CSP process． J Univ Sci Technol Beijing，2006，13( 6) : 508 ［3］ Yu H，Kang Y L，Zhao Z Z，et al． Study of microstructure and cementite in automobile beam steels produced by compact strip production with flexible technologies． Mater Sci Eng A，2005，408 ( 1 － 2) : 47 ［4］ Guan M F，Yu H． Fatigue crack growth behaviors in hot-rolled low carbon steels: a comparison between ferrite-pearlite and ferrite-bainite microstructures． Mater Sci Eng A，2013，559: 875 ［5］ Fang H S，Yang J B，Yang Z G，et al． The mechanism of bainite transformation in steels． Scripta Mater，2002，47( 3) : 157 ［6］ Yang Z G，Fang H S． An overview on bainite formation in steels． Curr Opin Solid State Mater Sci，2005，9( 6) : 277 ［7］ Fang H S，Feng C，Zheng Y K，et al． Creation of air-cooled Mn series bainitic steels． J Iron Steel Ｒesearch Int，2008，15( 6) : 1 ［8］ Madariaga I，Gutierrez I，García de Andrés C，et al． Acicular ferrite formation in a medium carbon steel with a two stage continuous cooling． Scripta Mater，1999，41( 41) : 229 ［9］ Avishan B，Yazdani S，Nedjad S H． Toughness variations in nanostructured bainitic steels． Mater Sci Eng A，2012，548: 106 ［10］ Xia D X，Wang X L，Li X C，et al． Properties and microstructure of third generation X90 pipeline steel． Acta Metall Sin，2013，49 ( 3) : 271 ( 夏佃秀，王学林，李秀程，等． X90 级别第三代管线钢的力 学性能与组织特征． 金属学报，2013，49( 3) : 271) ［11］ He X L，Shang C J，Yang S W，et al． High-performance Low-carbon Bainitic Steels． Beijing: Metallurgical Industry Press，2008 ( 贺信莱，尚成嘉，杨善武，等． 高性能低碳贝氏体钢． 北 京: 冶金工业出版社，2008) ［12］ Zhang Z H，Xue X X． Bainite transformation of low-carbon and boron-containing steel under continuous cooling． J Iron Steel Ｒes Int，2014，21( 3) : 359 ［13］ Terzic A，Calcagnotto M，Guk S，et al． Influence of boron on transformation behavior during continuous cooling of low alloyed steels． Mater Sci Eng A，2013，584: 32 ［14］ Wang T S，Yang J，Shang C J，et al． Microstructures and impact toughness of low-alloy high-carbon steel austempered at low temperature． Scripta Mater，2009，61( 4) : 434 ［15］ Feng C，Fang H S，Bai B Z，et al． Phase transformation and strength-toughness of a FGBA /BG diphase steel containing 0. 02% Nb． Acta Metall Sin，2010，46( 4) : 473 ( 冯春，方鸿生，白秉哲，等． 0. 02% Nb 空冷仿晶界型铁素 体/粒状贝氏体复相钢的相变及强韧性． 金属学报，2010， 46( 4) : 473) ［16］ Chai F，Yang C F，Zhang Y Q，et al． Effect of granular bainite on impact toughness of CGHAZ of ultra-low carbon copper-bearing age-hardening steel． J Iron Steel Ｒes，2005，17( 1) : 42 ( 柴锋，杨才福，张永权，等． 粒状贝氏体对超低碳含铜时效 钢粗晶热影响区冲击韧性的影响． 钢铁研究学报，2005，17 ( 1) : 42) ［17］ Wei C H，Zhang J，Yang S L，et al． Microstructures and mechanical properties for laser tailor welded blanks of DP590 and low carbon steels． Ｒare Met Mater Eng，2013，42( Suppl 2) : 68 ［18］ Zhang S H，Hattori N，Emnomoto M，et al． Ferrite nucleation at ceramic /austenite interfaces． ISIJ Int，1996，36( 10) : 1301 ［19］ Li W T，Li Z C，Bai B Z． Effect of V on strength and toughness of low alloyed air-cooled MnSiCr bainite /martensite multiphase steels． At Energy Sci Technol，2010，44( Suppl 1) : 359 ( 李文韬，李正操，白秉哲． V 对低合金 MnSiCr 空冷贝氏体/ 马氏体复相钢强韧性的影响． 原子能科学技术，2010，44 ( 增刊 1) : 359) ［20］ Pandit A，Murugaiyan A，Podder A S，et al． Strain induced precipitation of complex carbonitrides in Nb-V and Ti-V microalloyed steels． Scripta Mater，2005，53( 11) : 1309 ［21］ Shanmugam S，Tanniru M，Misra Ｒ D K，et al． Microalloyed VNb-Ti and V steels: Part 2． Precipitation behaviour during processing of structural beams． Mater Sci Technol，2005，21 ( 2) : 165 ［22］ Cheng H J，Wang F M，Pan Z B，et al． Continuous cooling · 3111 ·
·1114 工程科学学报，第38卷，第8期 transformation of Nb-V microalloyed medium carbon non- high carbon steel during continuous cooling.Acta Metall Sin, quenched and tempered steels.Trans Mater Heat Treat,2009, 2010,46(12):1501 30(5):44 (李翼，杨忠民.V对高碳钢连续冷却转变时组织转变的影 (程慧静，王福明，潘钊彬，等.NhV复合微合金化中碳非 响.金属学报，2010,46(12)：1501) 调质钢的连续冷却转变.材料热处理学报，2009,30(5)： 25] Miu C L,Shang C J,Subramanian M.Effect of ausforming and 44) cooling rate on the distribution of high angle boundaries in low 23]Wang F M.Li J H.Analysis on morphology of granular bainite. carbon bainitic structure.J Unie Sci Technol Beijing,2012,34 Trans Met Heat Treat,1991,12(3):23 (3):289 (王福明，李景慧.粒状贝氏体的形貌分析.金属热处理学 (缪成亮，尚成嘉，Subramanian M.奥氏体变形及冷却速率 报，1991,12(3)：23) 对低碳贝氏体组织中大角晶界分布的影响.北京科技大学 24]Li Y,Yang Z M.The effects of V on phase transformation of 报，2012,34(3)：289)
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