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铌钼复合微合金钢中碳氮化物沉淀析出研究

曹建春  
【摘要】: 铌是最典型的微合金化元素,具有细晶强化作用和沉淀强化作用,在提高钢材的强度和韧性方面都可以发挥突出作用,具有发展高性能钢材的潜力,也使得含铌微合金钢在世界上得到了广泛研究开发和生产应用。但是,目前,由于铌的碳化物和氮化物在奥氏体中固溶度的限制,铌的沉淀强化潜力还未很好的开发。钼作为铌的近邻元素,与铌有一些相似的性质。钼与铌复合加入钢中,能增强铌的沉淀强化作用;同时,钼还对针状铁素体的形成有促进作用。因而,铌钼复合微合金化,可进一步提高钢材的性能,具有独特的优势,应用前景广阔。 本文为了研究铌钼复合微合金化低碳钢中碳氮化物的沉淀析出行为及其对钢的组织和性能的影响,设计了铌钼质量百分数分别为0.021%Nb-0.24%Mo、0.081%Nb-0.14%Mo、0.17%Nb-0.12%Mo的1、2、3号三种低碳钢来进行实验研究。利用热模拟试验研究了变形和未变形的奥氏体向铁素体等温转变规律和微合金碳氮化物沉淀析出规律,在此基础上,通过实验室轧钢试验,研究了实际控制轧制和控制冷却条件下,铌钼复合析出行为及其对钢的组织、性能和强化机制的影响,并与现有的一种新型高纯净铌钛复合微合金钢进行对比。利用钼及其碳化物的热力学数据,推导得到了钼和具有立方结构的碳化铝在铁基中的固溶度公式,建立了铌铝复合析出模型,对铁素体中析出的碳氮化铌铝相的成分进行了计算。通过理论分析计算,分析讨论了碳氮化铌在奥氏体中析出及钼对其的影响,分析了铁素体中铌钼复合析出过程。本文主要结果如下: 变形对奥氏体等温相变规律研究结果表明,变形使铌钼钢奥氏体向铁素体的等温转变过程提前,主要是由于变形提高了铁素体形核率,从而缩短了相变孕育期。875℃变形20%后在700℃保温,γ→α等温相变的孕育期缩短了0.5~1个时间数量级,从而使相变过程提前了0.5~1个时间数量级。等温相变温度越低,得到的铁素体晶粒越细小,显微硬度越高。 通过定量金相分析计算,获得了三种铌钼钢在未变形和变形条件下在700℃保温的γ→α相变动力学曲线,分析了三种铌钼钢的γ→α等温转变动力学机制。研究结果表明,高铌钢未变形和变形较小的奥氏体向铁素体转变所需的孕育期比低铌钢的长。按照Avrami方程,在含0.021%Nb的铌钼钢和含0.081%Nb的铌钼钢中,未变形和变形奥氏体向铁素体的等温转变得到的铁素体体积分数和保温时间取重对数后,接近直线关系;而在含0.17%Nb的铌钼钢中,奥氏体向铁素体的γ→α等温相变过程是两段直线,相变前期的n值比相变第二阶段的n值小。这主要是由于固溶铌的溶质拖曳作用和碳氮化铌的钉扎作用延迟了高铌钢的γ→α相变。 实验室轧钢试验研究结果表明,铌钼微合金钢中铌含量增大,其强度增高;含0.081%Nb-0.14%Mo的铌钼和含0.17%Nb-0.12%Mo的铌钼钢在终轧温度875℃下压下量为50%,650℃保温卷取的工艺条件下得到的试样的屈服强度分别达到了600MPa和683MPa,且具有较好的塑性,铌的析出率均达到了90%。强化机制分析结果表明,含铌钼的低碳钢中,铌含量不同,低碳钢的强化机制不同。低铌钢主要是细晶强化作用,而高铌钢主要是细晶强化和沉淀强化作用,随铌含量的提高细晶强化作用差别不大,而沉淀强化作用明显增大。随铌含量的提高,碳氮化铌析出相增多,沉淀强化作用增强,提高了低碳钢的强度;而钢中含有质量分数为0.021%的铌就可保证将晶粒尺寸细化到5μm左右,达到一般钢材所需的细晶强化作用。 利用SEM、TEM、HTEM、EDS、XRD和物理化学相分析等手段,分析了在875℃变形35%条件下分别在750、700和650℃保温不同时间得到的试样中和在实际控制轧制和控制冷却条件下,试验钢中微合金碳氮化物析出相颗粒的尺寸、形貌、分布和成分及析出量等。研究结果表明,保温温度(卷取温度)越高,析出相的颗粒尺寸越大;保温时间越长,析出相的析出量越大,并且颗粒尺寸稍有增大。钢中铌含量越大,析出量越多,且细小析出相颗粒也越多。在650℃卷取条件下,含0.081%Nb-0.14%Mo的铌铝钢和含0.17%Nb-0.12%Mo的铌钼钢中M(C,N)析出相中分别有质量分数为58.4%和66.1%的颗粒5小于10nm,这些细小粒子的沉淀强化增量分别为180MPa和261MPa。析出相成分分析结果表明,在未溶的和粗大的碳氮化铌析出相中不含钼,而在细小的碳氮化铌析出相中含有钼,说明在低温钼能与铌一起析出,形成碳氮化铌钼。对在热轧态试验钢中析出相的定量分析结果表明,含0.081%Nb-0.14%Mo的铌钼钢和含0.17%Nb-0.12%Mo的铌钼钢的M(C,N)析出相中钼与铌的原子比分别为0.41和0.22,可见,随钢中钼铌原子比的减小,碳氮化铌钼相中钼铌原子比减小。 与铌钛微合金钢对比结果表明,钼铌复合能更好地发挥微合金元素铌的沉淀强化的作用。 建立了铌钼复合析出的模型,模型认为碳氮化铌钼可看成是由具有相同晶体结构的二元相NbC、NbN和MoC互溶形成的。利用该模型,对铁素体中铌钼复合析出相的成分进行了热力学计算,计算值与实验值基本吻合,说明本文建立的铌钼复合析出模型是可行的。 钼及立方碳化钼在铁基中固溶度的分析结果和钼对碳氮化铌在奥氏体中析出的影响的研究结果表明,在试验钢的奥氏体中,铝基本不会与铌复合析出,钼主要是通过与铌及碳和氮的相互作用,降低它们的活度,提高了碳氮化铌在奥氏体中的固溶度积,从而推迟了碳氮化铌在奥氏体中的析出。钼与铌在铁素体中复合析出的研究结果表明,在铁素体中析出的碳氮化铌钼析出相颗粒尺寸可控制在5nm以内。这是由于钼与铌复合析出,延迟了铌在铁素体中的析出;另外,由于钼的扩散系数比铌的小,钼控制了碳氮化铌钼的长大,计算得到碳氮化铌钼在铁素体中的临界晶核尺寸小于1nm,析出相变完成后的颗粒尺寸为2~4nm;第三,碳氮化铌钼的粗化速率很低,不易粗化长大。 研究得到细小的针状铁素体和多边形铁素体基体上分布有大量纳米微合金碳氮化物析出相组织的高强度钢种的原型,即钢成分为0.02~0.03%C、0.05~0.1%Nb、0.1%Mo、0.002~0.003%N,最佳轧制工艺为:终轧温度采用875℃左右,在终轧温度下压下率为50%,卷取温度为650~700℃。 总之,本文研究结果表明,钼与铌复合微合金化可实现将微合金碳氮化物稳定在几个纳米的尺度,更好地发挥微合金元素铌的沉淀强化作用。


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