鐵素體-珠光體型鋼板內(nèi)部質(zhì)量及其影響因素研究.pdf

1、鋼鐵工業(yè)中發(fā)展最迅速、最富有活力的鋼種是低合金高強度鋼，特別是屈服強度在500MPa以下的鐵素體/珠光體型鋼，該類型鋼具備優(yōu)良的強韌性能，是目前應(yīng)用最廣泛的鋼種之一。目前生產(chǎn)鐵素體/珠光體型鋼的主要途徑是在C-Mn鋼或C-Mn-Si鋼基礎(chǔ)上添加微量合金元素鈮、釩、鈦等，通過TMCP(ThermoMechanical Control Process)工藝控制微合金碳氮化合物的析出和過冷奧氏體的相變行為，以達到優(yōu)化組織、提高強韌性的目的。國

2、內(nèi)外研究者長期致力于提升鐵素體/珠光體型鋼板內(nèi)部質(zhì)量的研究，所謂鋼板內(nèi)部質(zhì)量的好壞，實際上是指鋼板內(nèi)部組織的均勻性和完整性。就一定厚度的鋼板而言，無論工藝如何改變，都將出現(xiàn)厚度方向從表層到心部的組織不一致，諸如:晶粒尺寸差異、鐵素體形態(tài)差異及析出相分布和尺寸差異等。另外，如果鋼板的成分設(shè)計不合理或工藝控制不當(dāng)，就可能導(dǎo)致鋼板內(nèi)部出現(xiàn)非鐵素體/珠光體組織及其它類型缺陷。
　　通過調(diào)研國內(nèi)幾家大型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)及工程機械和煤機制造企業(yè)，

3、并查閱文獻，發(fā)現(xiàn)部分批次的鐵素體/珠光體型鋼板存在內(nèi)部質(zhì)量缺陷，尤以分層缺陷最為突出。國內(nèi)外學(xué)者、鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)和用戶均已發(fā)現(xiàn)鋼板中的分層缺陷及其對力學(xué)性能的不良影響。但是，目前對分層缺陷的成因仍無統(tǒng)一認(rèn)識，特別是有關(guān)連鑄坯中心偏析是如何影響熱軋鋼板分層缺陷這一重要問題尚無深入闡述。對照研究有分層缺陷和無分層缺陷的鋼板，發(fā)現(xiàn)有分層缺陷鋼板的Mn元素含量普遍偏高，另外，部分企業(yè)生產(chǎn)的鋼板仍然存在其它微合金元素使用過量的情況。
　　針對

4、以上兩類問題，本文優(yōu)化了合金成分設(shè)計、TMCP工藝和連鑄工藝;采用透射電子顯微鏡(TEM)、掃描俄歇微探針(SAM)、金屬原位分析儀及力學(xué)性能檢測等手段，分析了實驗室試軋和工業(yè)化生產(chǎn)的鋼板微觀組織和力學(xué)性能。研究了連鑄坯中心偏析與熱軋鋼板分層缺陷的繼承性關(guān)系，并從熱力學(xué)和動力學(xué)方面揭示了鋼板中異常偏析帶的形成機理。在此基礎(chǔ)上得出各因素（包括:合金成分、連鑄工藝、TMCP工藝及后期熱處理）對鋼板內(nèi)部質(zhì)量的影響規(guī)律。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:

5、
　　1.通過研究C、Mn、Si、Nb、V、Ti等合金元素在鋼中的作用，得出了合金成分減量后的鐵素體/珠光體型鋼板成分設(shè)計。本試驗鋼以C、Mn、Si作為基本元素，添加適量的Nb、V、Ti微合金元素，以及微量的B元素并盡量降低P、S等有害元素含量，與目前國內(nèi)市場商用鋼種的合金成分對比得出，本試驗鋼的合金元素加入量明顯低于同級別商用鋼種。用Gleeble熱/力模擬方法測定了試驗鋼的再結(jié)晶曲線和CCT曲線等，優(yōu)化了TMCP工藝參數(shù)，試驗

6、鋼的奧氏體化溫度為1200℃，粗軋階段初期前4道次設(shè)定壓下量8.5mm以下以增大再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)，末道次采取較大壓下量以細(xì)化奧氏體晶粒，終軋溫度控制在1020℃;精軋階段開軋溫度控制在900℃以下，避開900℃～1000℃部分再結(jié)晶溫度區(qū)間，終軋溫度控制在830～850℃;冷卻速度根據(jù)鋼板厚度控制在5～10℃/s，終冷溫度控制在670～690℃，控冷后直接空冷至室溫。設(shè)計鋼板的工業(yè)化試驗表明:新工藝流程順暢，合金成本低于目前同級別的

7、商用鋼種，可以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
　　2.通過熱力學(xué)與動力學(xué)計算，結(jié)合TEM觀察和EDS能譜分析研究了鋼板中微合金碳氮化物在TMCP工藝過程中的固溶和析出規(guī)律，從細(xì)晶強化、固溶強化和析出強化等方面分析了鋼板的強韌化機理。結(jié)果表明，微合金碳氮化物主要有TiN、VC和Nb(C,N)，TiN的固溶和析出溫度較高，形態(tài)經(jīng)歷了由球形向方形的長大過程，常與VC和Nb(C，N)復(fù)合析出，可以有效阻止奧氏體化過程及粗軋再結(jié)晶后的晶粒長大;VC呈圓片

8、狀，主要是在γ→α轉(zhuǎn)變后的冷卻過程中于鐵素體晶粒內(nèi)部共格隨機析出的，引起鋼板的析出強化;Nb(C，N)呈圓片狀，尺寸約10nm，主要在晶界和位錯附近形核，并在γ→α轉(zhuǎn)變過程中析出，可以有效釘扎位錯運動，強烈阻止形變奧氏體再結(jié)晶，具有一定的晶粒細(xì)化效果。按照位錯繞過析出相的Orowan機制，計算得到析出強化產(chǎn)生的強度增量為143.9MPa，細(xì)晶強化產(chǎn)生的強度增量為261.9MPa，固溶強化產(chǎn)生的強度增量為92MPa，設(shè)計鋼板的計算強度值為

9、497.8MPa。由于細(xì)晶強化產(chǎn)生的強化效果超過總強度的40％，因此設(shè)計鋼板具有良好的塑韌性能。
　　3.用金屬原位分析儀等研究了連鑄坯不同位置的化學(xué)成分分布，采取理論計算和統(tǒng)計分析的方法探討了鋼水過熱度、二冷水強度、拉速、電磁攪拌及輕壓下工藝與連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量和厚度方向組織之間的關(guān)系。結(jié)果表明，部分批次連鑄坯中心處存在明顯的C、Mn、S和P元素偏析，Gleeble熱/力模擬試驗表明，連鑄坯熱變形后在原中心偏析區(qū)出現(xiàn)了帶狀分布的貝氏

10、體組織。TEM觀察發(fā)現(xiàn)由連鑄坯表層至中心處硫化物夾雜量逐漸增加，且在中心出現(xiàn)聚集分布，這些都與連鑄坯中心處Mn偏析有關(guān)。控制合理的連鑄工藝參數(shù)，將鋼水過熱度控制在30℃以內(nèi)，適當(dāng)增強二冷水強度、合理選擇連鑄坯拉速、控制電磁攪拌頻率、選擇適當(dāng)位置進行適度輕壓下等措施可以有效改善連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。
　　4.用SEM和SAM等觀察了工業(yè)化生產(chǎn)的鋼板表層、1/4厚度和中心厚度處的微觀組織，分別在對應(yīng)厚度處截取薄試樣測量局部區(qū)域的力學(xué)性能，并

11、從熱力學(xué)和動力學(xué)方面揭示異常偏析帶的形成機理。結(jié)果表明，有分層缺陷鋼板的中心處存在粒狀貝氏體異常偏析帶和一定程度的混晶，同時存在較多的硫化物夾雜，以上三個因素導(dǎo)致鋼板出現(xiàn)分層缺陷。研究得出鋼板異常偏析帶區(qū)存在明顯的C-Mn元素偏聚，鋼板中的Mn偏聚繼承自連鑄坯的Mn偏析，異常偏析帶區(qū)貝氏體的形成與連鑄坯中心Mn偏析有直接關(guān)系。連鑄坯中心處C-Mn偏聚形成的Fe-Mn-C原子團有效束縛了原子運動，增加了奧氏體相變時的晶格重構(gòu)阻力，為貝氏體