·1326· 工程科学学报，第37卷，第10期 中析出大量弥散细小的V(C,N)第二相，产生强烈的 片20幅.采用E0L-2100F型高分辨透射电镜观察实 析出强化作用.正火工艺将对V(C,N)析出相数量及 验钢析出相数量、形貌与尺寸（萃取复型碳膜样品）. 尺寸产生较大影响，使得材料的强化效果发生变化 通过物理化学相分析方法电解实验钢获得第二相残 对于V钢而言，正火过程中，绝大多数的V回溶进基 渣，对第二相残渣进行定性分析和定量分析，得到M 体；而V-N钢由于N含量较高，V(C,N)热力学稳定 (C,N)和M,C析出相中V在合金中的质量分数.对 性增强，可能会有部分未回溶的V(C,N)析出相.这 第二相残渣进行X射线衍射及小角度散射测定实验 部分未回溶的V(C,N)一方面能够在正火保温过程中 钢析出相的类型与粒度分布. 钉扎奥氏体晶界，同时在正火冷却过程中，又能为晶内 2 铁素体形核提供核心.但是，对这一规律目前还缺乏 实验结果 系统研究.本文通过相分析、透射电镜等手段研究V 2.1显微组织与力学性能 微合金化钢板在正火过程中第二相行为，并进行相应 表1给出热轧态与正火态V-N钢室温拉伸性能 的理论计算，讨论该行为对材料性能产生的影响 与-20℃条件下冲击功值.通过对比，可以看出热轧 1 实验材料和方法 态V-N钢抗拉强度(R)比正火态V-N钢高出71 MPa,屈服强度(Ra2)高出44MPa:但是，热轧态V-N 1.1实验材料 钢的塑性值（断后延伸率A,断面收缩率Z)及韧性冲 本实验的合金设计思路是在Q345(C-Mn钢)的 击功值(A,)明显要低于正火态V-N钢的塑性值和韧 成分基础上，采用V-N微合金化来实现材料强度升 性冲击功值 级.实验钢采用50kg真空治炼炉治炼，化学成分为 表1热轧态与正火态V-N钢力学性能 Fe-0.14C-0.45Si-1.50Mn-0.079V-0.020N(质量分 Table 1 Mechanical properties of the hot-tolled and normalized V-N 数，%)以及常见的杂质元素.将铸坯锻造成50mm steel (厚)×120mm(宽)方坯用于轧制，再将锻坯加热到 1150℃保温3h,利用实验轧机5道次轧制成12mm 编号 R!Ro21 Al Z1Ak,(-20℃)1 热处理 MPaMPa % % 板.终轧温度为920℃，空冷到室温.再将1及2热轧 热轧 65951625.768 32 试样加热到900℃保温1h,分别进行淬火（水冷)和正 N1900℃正火58847232 72 80 火（空冷）处理，以研究正火过程V(C,N)第二相行为. 将热轧试样编号为R1,淬火试样编号为Q1,正火试样 图2为热轧态及正火态V一N钢的显微组织.从 编号为N1.具体工艺如图1所示. 图中可以看出，热轧态与正火态V-V钢的组织均为铁 素体+珠光体.热轧态V一N钢中铁素体和珠光体在 轧制时被拉长，且沿轧制方向平行排列，成层状分布， 0℃保温1h 形同条带.正火后，可以看出正火态实验钢的铁素体 晶粒及珠光体团得到明显细化，且尺寸及分布均匀 通过定量统计分析可知，热轧态实验钢平均晶粒尺寸 水淬 空冷 为12.15m;正火态实验钢平均晶粒尺寸为8.21μm 正是由于正火处理带来晶粒的细化及组织的均匀化， 使得实验钢塑性和韧性得到改善. 热轧R1 净火Q1 正火N1 2.2第二相析出表征 时间 2.2.1析出相的物理化学相分析 图1正火过程V(C,N)第二相行为研究工艺曲线 V存在本实验钢中的状态有三种：以固溶状态存 Fig.1 Normalizing process for studying V(C,N)precipitation be- 在于铁基体中，以析出V的形式存在于M(C,N)中和 havior 以析出V的形式存在于M,C中.因此，正火工艺对 1.2实验方法 V-N微合金化钢第二相行为的影响具体表现为V(C, 对热轧态和正火态实验钢进行拉伸和冲击性能的 N)数量、尺寸及形态的变化.通过物理化学相分析及 测试.采用德国Leica公司的MEF4M型号的显微镜 透射电镜手段，可以得出正火对第二相的影响规律 观察实验钢的金相显微组织.对采集的金相显微组织 表2为V-N钢中三种形式V的定量分析结果.可以 照片利用image-pro-plus软件对显微组织中铁素体的 看出，热轧态实验钢析出相M(C,N)中V在合金中的 尺寸进行定量统计，统计样本为放大500倍的金相照 质量分数最大为0.045%，约占到V总质量的57%.工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 中析出大量弥散细小的 V( C，N) 第二相，产生强烈的 析出强化作用． 正火工艺将对 V( C，N) 析出相数量及 尺寸产生较大影响，使得材料的强化效果发生变化． 对于 V 钢而言，正火过程中，绝大多数的 V 回溶进基 体; 而 V--N 钢由于 N 含量较高，V( C，N) 热力学稳定 性增强，可能会有部分未回溶的 V( C，N) 析出相． 这 部分未回溶的 V( C，N) 一方面能够在正火保温过程中 钉扎奥氏体晶界，同时在正火冷却过程中，又能为晶内 铁素体形核提供核心． 但是，对这一规律目前还缺乏 系统研究． 本文通过相分析、透射电镜等手段研究 V 微合金化钢板在正火过程中第二相行为，并进行相应 的理论计算，讨论该行为对材料性能产生的影响． 1 实验材料和方法 1. 1 实验材料 本实验的合金设计思路是在 Q345 ( C--Mn 钢) 的 成分基础上，采用 V--N 微合金化来实现材料强度升 级． 实验钢采用 50 kg 真空冶炼炉冶炼，化学成分为 Fe--0. 14C--0. 45Si--1. 50Mn--0. 079V--0. 020N ( 质量分 数，% ) 以及常见的杂质元素． 将铸坯锻造成 50 mm ( 厚) × 120 mm( 宽) 方坯用于轧制，再将锻坯加热到 1150 ℃保温 3 h，利用实验轧机 5 道次轧制成 12 mm 板． 终轧温度为 920 ℃，空冷到室温． 再将 1# 及 2# 热轧 试样加热到 900 ℃保温 1 h，分别进行淬火( 水冷) 和正 火( 空冷) 处理，以研究正火过程 V( C，N) 第二相行为． 将热轧试样编号为 Ｒ1，淬火试样编号为 Q1，正火试样 编号为 N1． 具体工艺如图 1 所示． 图 1 正火过程 V( C，N) 第二相行为研究工艺曲线 Fig． 1 Normalizing process for studying V( C，N) precipitation be￾havior 1. 2 实验方法 对热轧态和正火态实验钢进行拉伸和冲击性能的 测试． 采用德国 Leica 公司的 MEF 4M 型号的显微镜 观察实验钢的金相显微组织． 对采集的金相显微组织 照片利用 image-pro-plus 软件对显微组织中铁素体的 尺寸进行定量统计，统计样本为放大 500 倍的金相照 片 20 幅． 采用 JEOL--2100F 型高分辨透射电镜观察实 验钢析出相数量、形貌与尺寸( 萃取复型碳膜样品) ． 通过物理化学相分析方法电解实验钢获得第二相残 渣，对第二相残渣进行定性分析和定量分析，得到 M ( C，N) 和 M3C 析出相中 V 在合金中的质量分数． 对 第二相残渣进行 X 射线衍射及小角度散射测定实验 钢析出相的类型与粒度分布． 2 实验结果 2. 1 显微组织与力学性能 表 1 给出热轧态与正火态 V--N 钢室温拉伸性能 与 － 20 ℃条件下冲击功值． 通过对比，可以看出热轧 态 V--N 钢抗拉强度( Ｒm ) 比正火态 V--N 钢高出 71 MPa，屈服强度( Ｒp0. 2 ) 高出 44 MPa; 但是，热轧态 V--N 钢的塑性值( 断后延伸率 A，断面收缩率 Z) 及韧性冲 击功值( Akv ) 明显要低于正火态 V--N 钢的塑性值和韧 性冲击功值． 表 1 热轧态与正火态 V--N 钢力学性能 Table 1 Mechanical properties of the hot-rolled and normalized V--N steel 编号 热处理 Ｒm / MPa Ｒp0. 2 / MPa A / % Z / % Akv ( － 20 ℃ ) / J Ｒ1 热轧 659 516 25. 7 68 32 N1 900 ℃正火 588 472 32 72 80 图 2 为热轧态及正火态 V--N 钢的显微组织． 从 图中可以看出，热轧态与正火态 V--N 钢的组织均为铁 素体 + 珠光体． 热轧态 V--N 钢中铁素体和珠光体在 轧制时被拉长，且沿轧制方向平行排列，成层状分布， 形同条带． 正火后，可以看出正火态实验钢的铁素体 晶粒及珠光体团得到明显细化，且尺寸及分布均匀． 通过定量统计分析可知，热轧态实验钢平均晶粒尺寸 为 12. 15 μm; 正火态实验钢平均晶粒尺寸为 8. 21 μm． 正是由于正火处理带来晶粒的细化及组织的均匀化， 使得实验钢塑性和韧性得到改善． 2. 2 第二相析出表征 2. 2. 1 析出相的物理化学相分析 V 存在本实验钢中的状态有三种: 以固溶状态存 在于铁基体中，以析出 V 的形式存在于 M( C，N) 中和 以析出 V 的形式存在于 M3 C 中． 因此，正火工艺对 V--N微合金化钢第二相行为的影响具体表现为 V( C， N) 数量、尺寸及形态的变化． 通过物理化学相分析及 透射电镜手段，可以得出正火对第二相的影响规律． 表 2 为 V--N 钢中三种形式 V 的定量分析结果． 可以 看出，热轧态实验钢析出相 M( C，N) 中 V 在合金中的 质量分数最大为 0. 045% ，约占到 V 总质量的 57% ． ·1326·