Nb含量對高強鋼顯微組織和拉伸性能的影響

武鳳娟 杜 平 曲錦波

（江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院，江蘇張家港 215625）

隨著國民經濟的快速發展，鋼鐵材料的需求量不斷增加，對鋼板強度的要求越來越高［1-2］。采用鈮微合金化結合控制軋制和加速冷卻技術生產的鋼板具有優良的力學性能。隨著鋼板強度級別的提高，鈮的添加量也進一步增加。然而，隨著強度的提升，特別是屈服強度達到500 MPa以上時，拉伸試樣斷口出現分層缺陷的概率上升，并伴隨有斷后伸長率降低、冷彎開裂、Z向性能不合格等缺陷發生，嚴重影響了鋼板的使用性能［3-9］。拉伸性能是衡量高強度鋼板性能的重要指標，對材料冶金質量、內部缺陷等極為敏感［10-12］。

本文通過不同Nb含量成分設計，研究了Nb微合金化對高強鋼微觀組織和拉伸性能的影響，探索Nb在鋼中的強化機制。并對拉伸性能不合格原因進行了深入分析，確定了Nb元素添加量的最佳范圍，在利用Nb提高強度的同時，降低鋼中Nb偏析程度，從而使Nb微合金化在實際生產中得到更廣泛的應用。

1 試驗材料與方法

表1為3種不同Nb含量試驗鋼的化學成分。采用鐵水脫S預處理、180 t轉爐冶煉、LF精煉、RH精煉、連鑄成320 mm厚板坯。將連鑄坯加熱到1 200℃保溫4 h，在配備5 000 mm軋機和多功能加速冷卻系統（multi-purpose interrupt cooling，MULPIC）的工業生產線上進行熱軋試驗。粗軋開軋溫度為1 030～1 080℃，待溫厚度為170 mm；精軋開軋溫度為810～850℃，終軋溫度為760～800℃，終冷溫度為160～200℃，冷卻速度10～12℃／s；成品鋼板厚度為50 mm。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the tested steel（mass fraction）%

取試驗鋼板進行橫向全厚度（50 mm）拉伸試驗。采用Axio Imager Z1m型光學顯微鏡（OM，optical microscope）和JEM-2100F型透射電子顯微鏡（TEM，transmissionelectron microscope）對鋼板的微觀組織進行觀察。對拉伸性能不合格試樣的斷口進行分析，采用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）對斷口及分層面進行觀察，并用能譜儀（EDS，energy dispersive spectroscopy）對斷口成分進行分析。

2 試驗結果

2.1 顯微組織

圖1為3種不同Nb含量鋼板1／4厚度處的顯微組織?？梢?種成分鋼板的組織均為貝氏體＋鐵素體，隨著Nb含量的增加，組織明顯細化。圖2為3種鋼板中析出相的TEM照片及其能譜分析。當Nb的質量分數為0.022%時（圖2（a）），析出物數量較少，只有少量（Fe、Cr、Mn、Mo、V）的復合析出；當Nb的質量分數為0.043%時（圖2（b）），析出物數量明顯增加，尺寸為10～100 nm，彌散分布在晶界和晶內；當Nb的質量分數為0.081%時（圖2（c）），析出物數量進一步增加。結合圖2（d～f）能譜分析可見，析出物主要為含Nb碳化物。

圖1 3種不同Nb含量鋼板1／4厚度處的顯微組織Fig.1 Microstructures at 1／4 thickness below surface of the steel plates with three different contents of Nb

圖2 3種不同Nb含量鋼板中析出相的TEM圖像（a～c）及其能譜分析（d～f）Fig.2 TEM images（a to c）and EDS analysis（d to f）of precipitations in the three steel plates with different contents of Nb

2.2 拉伸性能

3種不同Nb含量鋼板的拉伸性能如表2所示。當Nb的質量分數從0.022%增加到0.043%時，鋼板強度提高，斷后伸長率均在20%以上，且鋼板不同位置的性能差異較小。圖3（a）為2號鋼板的全厚度拉伸曲線，在拉伸過程中鋼板首先發生彈性變形，隨著應力的進一步增加，試樣開始屈服，應力達到上屈服點，隨即應力突然下降，達到下屈服點，并在應力基本恒定的情況下繼續發生屈服伸長，拉伸曲線出現應力平臺區；隨著應力的進一步增大，試樣發生大量塑性變形，達到最大應力后，發生頸縮，最終斷裂。如圖4（a）所示，2號鋼板拉伸試樣斷口未出現分層現象。

表2 3種不同Nb含量鋼板的拉伸性能Table 2 Tensile properties of the three steel plates with different contents of Nb

當Nb的質量分數進一步增加到0.081%時，鋼板屈服強度顯著提高，且不同位置屈服強度差異較??；鋼板1／4厚度處抗拉強度明顯提高，1／2厚度處抗拉強度略有降低，全厚度鋼板的抗拉強度為691 MPa；鋼板1／4厚度處斷后伸長率為18%，1／2厚度處僅5%。這表明3號鋼板性能均勻性較差，鋼板1／4厚度處具有較好的強度和塑性，1／2厚度處抗拉強度較低、塑性較差。圖3（b）為3號鋼板的全厚度拉伸曲線，鋼板在大量塑性變形階段且未達到極限載荷之前發生斷裂。在拉伸過程中出現了沿拉伸方向擴展的裂紋，隨著裂紋的進一步擴展，鋼板沿厚度方向發生斷裂并分成兩層，分層后隨即發生斷裂。如圖4（b）所示，分層面平行于鋼板表面并靠近板厚中心，貫穿整個斷口。此外，隨著Nb含量的增加，鋼板1／4厚度處的屈強比不斷增加。

圖3 試驗鋼板的全厚度拉伸曲線Fig.3 Full thickness tensile curves of the tested steel plates

圖4 試驗鋼板拉伸斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic appearance of tensile fractures of the tested steel plates

2.3 斷口形貌及成分分析

對全厚度拉伸試樣斷口的微觀形貌和析出物進行分析。圖5（a）為1號鋼板斷口附近的微觀組織，組織均勻細密，無偏析帶；圖5（b）為2號鋼板斷口附近的微觀組織，組織中存在偏析帶，偏析帶上有少量粗化的NbC析出物，呈不規則多邊形，尺寸小于1 μm；圖5（c）為3號鋼板裂紋尖端處分層斷口形貌，裂紋附近存在嚴重的偏析，且偏析帶方向與裂紋走向一致，偏析帶上有粗大的NbC析出物。

圖5 試驗鋼板拉伸斷口的微觀形貌Fig.5 Micrographs of tensile fractures of the tested steel plates

3號鋼板偏析帶上NbC析出物的形貌和成分分析如圖6所示?？梢娢龀鑫锍什灰巹t多邊形，尺寸1～4 μm，大量析出物聚集在一起，連成一串，長約40 μm。EDS面掃圖表明析出物主要為Nb的碳化物。

圖6 3號鋼板偏析帶上析出物形貌（a）及其EDS面掃圖（b～c）Fig.6 Morphology（a）and EDS maps（b～c）of precipitates in the segregated region of the steel plate No.3

3號鋼板拉伸斷口分層面的SEM形貌如圖7（a）所示?？梢姺謱用孑^平整，無韌窩，有河流花樣，為脆性準解理斷裂。進一步放大斷面觀察發現，分層面上有粗大的NbC析出物，長1～3 μm，大量析出物聚集在一起，成串分布，如圖7（b～c）所示。析出物表面平整，無撕裂棱，在拉伸過程中，大塊狀析出物與基體交界處極易成為裂紋源。圖8能譜分析結果表明，斷口分層面上析出物為Nb-Ti復合碳化物，與斷口微觀組織的分析結果一致。

圖7 3號鋼板拉伸斷口分層面的SEM形貌Fig.7 SEM micrographs of delaminated surface of tensile fracture of the steel plate No.3

圖8 3號鋼板拉伸斷口分層面上析出物形貌（a）及其能譜分析（b～c）Fig.8 Morphology（a）and EDS analysis（b to c）of precipitates in delaminated surface of tensile fracture of the steel plate No.3

3 討論

當Nb的質量分數為0.022%時，鋼板組織較粗大，析出物數量較少，強度較低。當Nb的質量分數增加到0.043%時，組織細化，析出物數量增加，鋼板強度提高且塑性良好。Nb與C有較強的結合力，易形成碳化物，加熱時能阻礙原始奧氏體晶粒長大，在軋制過程中能抑制再結晶及再結晶后晶粒長大，從而使相變生成的貝氏體＋鐵素體組織得到細化；Nb含量越高，組織越細小，有效晶界數量越多，微裂紋穿越晶界時受晶界阻礙越大，因此強度越高。當Nb的質量分數增加到0.043%時，易形成彌散細小的析出相，阻礙位錯運動，提高材料強度。因此Nb元素具有細晶強化和析出強化的作用，通過Nb微合金化實現細晶強化和析出強化是達到高強韌性的有效途徑。

隨著Nb含量的增加，鋼板屈服強度的提高幅度大于抗拉強度，因此，細晶強化和析出強化對屈服強度的影響更為顯著。隨著屈服強度的提高，屈強比也相應增大。屈強比是衡量鋼的加工硬化性能的一個重要參數，高屈強比鋼發生屈服后很快就發生斷裂，而低屈強比鋼發生屈服后會出現較大的應變強化，達到更高的抗拉強度才會斷裂［13］。橋梁鋼、高建鋼、管線鋼等對屈強比的要求較高，因此利用Nb微合金化提高強度時應考慮其對屈強比的影響。

當Nb的質量分數增加到0.081%時，鐵素體和貝氏體組織進一步細化，析出物中Nb含量進一步增加；鋼板板厚中心出現嚴重偏析，偏析帶上有Nb的碳化物析出，雖然析出物單個尺寸較小，但大量析出物聚集在一起成串分布，相當于在板厚中心形成了尺寸較大的片層狀夾雜，嚴重破壞了鋼基體沿厚度方向的整體性，使鋼板塑性較差。拉伸試驗時，由于析出物與基體不同的塑性變形性能，在外力作用下，析出物周圍產生應力集中，尤其是片層狀析出物與基體界面，極易形成裂紋。同時由于中心偏析的存在，裂紋沿偏析帶擴展，導致拉伸斷口出現分層，最終導致鋼板塑性下降、斷后伸長率偏低。

鋼板中心偏析帶的出現，主要是連鑄坯的中心偏析經軋制后遺傳到鋼板中心的結果。澆鑄時連鑄板坯從外到內逐步凝固，溶質元素在樹枝晶間富集偏聚，碳和合金元素、非金屬夾雜物等缺陷都聚集于此，從而形成連鑄坯的中心偏析。鑄坯軋制過程中，心部變形較小，軋制后鋼板心部仍存在偏析組織和粗大析出物，最終導致鋼板拉伸性能不合格。因此，利用Nb元素提高鋼板強度的同時，還應充分考慮Nb含量對板坯質量的影響，在滿足強度要求的前提下適當降低鋼中Nb含量、提高鋼水純凈度、抑制微合金化合物偏聚集長大。

4 結論

（1）Nb微合金化通過細晶強化和析出強化提高鋼板強度。當Nb的質量分數為0.043%時，NbC析出相細小，尺寸為10～100 nm，彌散分布在晶界和晶內。鋼板為均勻細小的鐵素體＋貝氏體組織，具有較高的強度和良好的塑性。

（2）Nb為易偏析元素，當其質量分數增加到0.081%時，鋼板存在中心偏析，偏析帶上有粗大的NbC析出物，在拉伸過程中析出物周圍產生應力集中，易形成裂紋，發生脆斷，最終導致鋼板拉伸性能不合格。因此在滿足強度要求的前提下應適當降低鋼中Nb含量。