Ti微合金化调控35MnB钢中第二相和强韧性的机制
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Mechanism of Ti Microalloying on Regulating the Second Phase and Strength-toughness in 35MnB Steel
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通讯作者: 胡小强,研究员,xqhu@imr.ac.cn,研究方向为稀土特殊钢研发与应用;郝露菡,副教授,lhhao@ysu.edu.cn,研究方向为金属材料增强增韧机理;
收稿日期: 2025-05-19 修回日期: 2025-09-17
| 基金资助: |
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Corresponding authors: HU Xiaoqiang, Tel:
Received: 2025-05-19 Revised: 2025-09-17
| Fund supported: |
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作者简介 About authors
黄宏鑫,男,2002年生,硕士
在35MnB履带钢中添加Ti并使用XRD、SEM、EBSD、TEM、Aspex等手段对其表征,研究了Ti对这种钢中的第二相粒子和性能的影响。结果表明,添加Ti能显著变质钢中的夹杂物和细化晶粒,使其力学性能提高。添加Ti的实验钢冲击韧性比未添加Ti的钢提高了50%以上;添加0.045% (质量分数) Ti能调控钢中的第二相颗粒,使强韧性协同提高。添加Ti使35MnB钢强化的机制是:Ti与钢中的C、N发生反应生成第二相粒子,这种第二相粒子能钉扎晶界和位错使钢中的奥氏体晶粒的高温粗化受到抑制,从而细化晶粒、增强晶界稳定性和提高位错密度,使钢的强韧性提高。
关键词:
35MnB steel, a low-alloy high-strength steel, is used for making track shoes, yet its properties fail to meet the requirements of new-generation track steels due to detrimental inclusions (BN, MnS, etc.) formed during smelting and solidification processes. To mitigate the detrimental effect of inclusions, herein, the influence of Ti microalloying on the formation and distribution of secondary phase particles and mechanical properties of 35MnB steel was systematically investigated by means of techniques such as XRD, SEM, EBSD, and TEM, as well as Aspex inclusion analysis system and universal testing machine, etc. The results demonstrate that Ti addition effectively optimizes inclusion distribution, remarkably refines grains, and enhances the mechanical properties of the alloy steel. Notably, with the addition of 0.045% (mass fraction) Ti, the Ti-micro-alloyed steel exhibits > 50% improvement in impact toughness compared to that of the Ti-free steel, therewith, an optimal regulation of secondary phase particles may be acquired for simultaneous enhancement in strength-toughness. The strengthening mechanisms may involve Ti reacting with C and N to form secondary phase particles that pin grain boundaries and dislocations, while inhibiting the high-temperature coarsening of austenite grains, thereby refining grains, stabilizing grain boundaries, increasing dislocation density, and ultimately improving the performance of the 35MnB steel.
Keywords:
本文引用格式
黄宏鑫, 廖兵, 郝露菡, 秦书洋, 胡小强, 郑雷刚, 时伟伟, 蔡常青.
HUANG Hongxin, LIAO Bing, HAO Luhan, QIN Shuyang, HU Xiaoqiang, ZHENG Leigang, SHI Weiwei, CAI Changqing.
微合金化可调控钢中的纳米析出强化和晶界,是优化钢材性能的重要手段[6,7]。在微合金化元素中,Ti具有独特的“晶界钉扎-析出强化-夹杂物改性”机制[8~12]。Ti能与钢中的N和S反应生成稳定的化合物,可固定游离N、S原子和抑制BN、MnS等脆性相的生成[13~15];同时,Ti、Mn、B元素的协同作用可细化Ti(C, N)析出相。其中,Mn通过调控Ti的溶解与析出动力学,促使TiC在低温下细化析出;而Ti与N的强结合作用,在形成细小TiN强化的同时,也固定了氮原子,保护了B元素在钢中淬透性的效能[16~19]。Ti微合金化可细化钢中的奥氏体晶粒提高其强度、塑性和韧性[20],与钢中的C、N等元素生成第二相粒子可提高合金钢的综合性能[21],含量为0.04%~0.10% (质量分数)的Ti可使钢的性能显著提高[22]。在钢的凝固和固相转变过程中析出的细小第二相粒子能钉扎晶界且与铁素体错配度较小,能诱导晶内针状铁素体(Intragranular acicular ferrite, IAF)的形核[23,24]。但是,过量的Ti元素生成的粗大TiN夹杂是裂纹的扩展源,因此须严格控制其含量。本文在35MnB钢中添加Ti,研究Ti含量对钢中非金属夹杂物的生成、位错密度、微观组织和力学性能的影响及其机制。
1 实验方法
用50 kg真空感应炉(VIM,VIF-50)熔炼4组高纯净添加Ti的35MnB实验钢,其化学成分列于表1,根据Ti元素的含量分别将其命名为0Ti、300Ti、450Ti和600Ti。随后。将实验钢锻造成尺寸为40 mm × 40 mm × 200 mm的棒材,开锻温度为1150 ℃、终锻温度不低于900 ℃,经两次墩粗和两次拔长后自然空冷到室温。将实验钢进行以下制度的热处理:以5 ℃/s的速率加热至950 ℃后保温2 h,然后油冷至室温;随后再将实验钢以5 ℃/s的速率加热至480 ℃保温3 h,在空气中自然冷却至室温。
表1 实验用钢的化学成分
Table 1
| Steel | C | Si | Mn | Cr | B | Al | S | N | Ti | Fe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0Ti | 0.31 | 0.25 | 1.19 | 0.30 | 0.0013 | 0.008 | 0.002 | 0.0017 | 0 | Bal. |
| 300Ti | 0.31 | 0.24 | 1.18 | 0.29 | 0.0020 | 0.006 | 0.001 | 0.0026 | 0.028 | Bal. |
| 450Ti | 0.31 | 0.24 | 1.19 | 0.29 | 0.0025 | 0.007 | 0.002 | 0.0025 | 0.045 | Bal. |
| 600Ti | 0.30 | 0.25 | 1.19 | 0.29 | 0.0019 | 0.007 | 0.001 | 0.0025 | 0.063 | Bal. |
从实验钢上切取尺寸为10 mm × 10 mm × 5 mm的金相试样,对其机械研磨和抛光后用4%硝酸酒精溶液侵蚀10~15 s。将其清洗烘干后,用蔡司金相显微镜(Axio Observer Z1)和扫描电镜(TESCAN Mira3)观察其微观组织。使用Aspex夹杂物分析系统(扫描面积为25~30 mm2)和透射电子显微镜(TEM, FEI Talos F2000x)统计和分析实验钢中非金属夹杂物的特征。用XRD衍射峰分析法和W-H(Williamson-Hall)法测定实验钢样品中的位错密度,用Bruker D2-phaser型X射线衍射仪测定实验钢样品的XRD谱,参数为:衍射角40°~120°,步长0.02°,扫描速度3 (°)/min。沿实验钢锻棒的中轴线取样,分别制备标准夏比V形缺口冲击试样和拉伸试样(图1)。根据GB/T 228.1-2021使用TSE 105D万能实验机进行拉伸实验,实验温度为20 ℃,拉伸速率为0.5 mm/min。根据GB/T229-2020使用TSP 452H冲击实验机进行冲击实验,实验温度为20 ℃。
图1
图1
加工拉伸试样和冲击试样的示意图
Fig.1
Schematic diagrams of the processing of tensile (a) and impact (b) specimens
2 结果和讨论
2.1 Ti微合金化调控钢中的微纳第二相
图2给出了不同Ti含量实验钢中夹杂物的分布和统计结果。可以看出,0Ti样品中主要的非金属夹杂物是氧化物(Al2O3)和硫化物(MnS),300~600Ti样品中的非金属夹杂物是Ti(C, N)(包含TiC和TiN)。Ti微合金钢中常见的析出相有:Ti2O3、TiN、Ti4C2S2、TiC,其中的Ti2O3在钢液中优先析出,其尺寸较大和难以控制,因此需要进行高纯净冶炼将Ti2O3、Ti4C2S2分离到钢渣中,从而保证含Ti实验钢基体中的绝大部分析出相为Ti(C, N)(包含TiC和TiN)。随着Ti含量的提高Ti(C, N)含量由62%提高到89%,因部分O、S元素与Ti反应被分离而使其含量降低,从而降低了MnS和Al2O3夹杂物的含量。0~600Ti样品中夹杂物的平均直径依次为2.72、4.15、4.18和4.60 μm。使含Ti实验钢中夹杂物尺寸增大的主要原因是:部分Ti与N元素在钢液中反应生成TiN并在降温过程中进一步长大和粗化(> 3 μm),此类TiN夹杂没有强化作用[25],只是使含Ti实验钢的平均夹杂物的直径增大。而300Ti与450Ti样品中的夹杂物平均直径接近,但是Ti(C, N)含量提高约20%。这表明,450Ti样品中析出了大量细小的、属于二次析出相的纳米级和亚微米级第二相粒子,是主要的强化相[26, 27]。有研究指出,尺寸大于4.93 μm的TiN夹杂会成为裂纹扩展源[28]。因此可以推测:300Ti样品中的纳米级析出相数量较少,对其强化作用有限;450Ti样品中有大量的纳米级、亚微米级二次析出相,其强化效果显著;600Ti样品中的大尺寸TiN颗粒聚集成为应力集中源,使其强化作用降低。
图2
图2
钢中夹杂物的分布和统计
Fig.2
Statistical analysis of inclusions distribution (a) and proportion statistics (b) of inclusions
图3给出了钢中纳米级TiC析出相的TEM照片,可见Fe3C沉淀相和呈链状分布的TiC析出相,两者都具有沉淀强化作用。Ti元素在高温下的富集效应使其与C元素反应生成的TiC在冷却过程中沿着某些特定的晶面排列而形成链状结构。同时,由于TiC与TiN的晶体结构类似和点阵常数相近,两者最终生成C、N复合夹杂Ti(C, N),如图4所示。亚微米级的Ti(C, N)能钉扎晶界、阻碍位错滑移,还能与MnS夹杂物相互作用,如图5所示。低S含量(<0.003%,质量分数)的钢中MnS夹杂多呈现球状或仿锤状,而高熔点、高硬度的Ti(C, N)颗粒作为MnS的异质形核核心(两者晶格结构相近)使MnS的形核功降低,从而形成“硬核-软壳”结构[29, 30]。此类复合夹杂能避免MnS单独析出时拉长变形,又能通过硬质核心抑制裂纹的扩展。
图3
图3
纳米级TiC析出相的TEM照片
Fig.3
TEM image of nano-sized TiC precipitates (a) TEM morphology image, (b) diffraction spot indexing, (c) diffraction pattern
图4
图5
图5
Ti(C, N)和MnS复合夹杂的TEM照片
Fig.5
TEM image of Ti(C, N)-MnS composite inclusions
2.2 微纳第二相的细晶强化作用
图6给出了35MnB钢锻态组织的OM照片,可见其由珠光体(灰色)和先共析铁素体(白色)组成。可以观察到,先共析铁素体沿着晶界析出并随着Ti含量的提高析出越显著,且其晶粒显著细化。对氧化物的研究表明,Ti(C, N)与铁素体存在Baker-Nutting位向关系,两者的错配度仅为3.5%~4.3%,即Ti(C, N)可作为异质形核点使铁素体的形核能垒降低;同时,Ti(C, N)还能钉扎奥氏体晶界,抑制高温晶粒粗化,为铁素体提供更多的形核位点[31,32]。如图6d所示,600Ti样品中的铁素体沿奥氏体晶界密集形核,即Ti元素的添加能在实验钢的冷却相变过程中促进奥氏体向铁素体转变,从而分割奥氏体晶粒使组织细化。图7给出了回火态组织的OM照片,可见回火后生成了回火马氏体(板条状)和少量颗粒状贝氏体。随着Ti含量的提高,钢的组织逐步均匀细化,0~600Ti样品的晶粒度等级依次为4.0级、6.0级、7.0级、7.5级,可见晶粒显著细化。
图6
图6
4组实验钢锻造态组织的OM图
Fig.6
OM images of as-forged microstructure (a) 0Ti, (b) 300Ti, (c) 450Ti, (d) 600Ti
图7
图7
4组实验钢回火态组织的OM图
Fig.7
OM images of tempered microstructure (a) 0Ti, (b) 300Ti, (c) 450Ti, (d) 600Ti
图8给出了实验钢回火后的IPF图,图9给出了晶粒尺寸的分布。可以看出,0~600Ti样品的平均晶粒尺寸依次为7.5、4.3、4.1和5.6 μm。图10给出了平均取向差的分布和占比,可见0~600Ti样品的占比依次为0.63°、0.65°、0.80°、0.70°;图11为晶界分布和大角度晶界的占比,可见0~600Ti样品的占比依次为68%、77%、78%、70%。在IPF图(图8)中可见,原奥氏体组织内发生板条状马氏体组织的转变,且随着Ti含量的提高原奥氏体晶粒逐渐减小。300Ti和450Ti样品的取向随机性提高,但是600Ti样品中出现明显的局部取向集群(图8d),且在晶粒尺寸分布图中该区域大尺寸晶粒聚集(图9d),使其平均晶粒尺寸增大。结合夹杂物分析可见,600Ti样品过高的Ti含量使大尺寸TiN夹杂聚集,导致钉扎作用失效和造成局部奥氏体长大,且在相变遗传性引起的马氏体转变过程中出现粗大的板条束。平均取向差是反应组织中大角度晶界和位错密度的重要参数。大角度晶界阻碍位错运动,进而产生强化作用。450Ti样品的平均取向差最高,即其大角度晶界占比最高,强化效果最为显著。同时,600Ti样品中出现局部的小角度晶界集群,表明第二相粒子的钉扎作用失效和晶粒尺寸增大。EBSD结果表明,Ti元素的加入能显著细化奥氏体晶粒、减小晶粒尺寸、提高大角度晶界的占比。但是,过高的Ti含量(600Ti样品)使强化效果下降,而450Ti样品的性能最优。
图8
图8
4组实验钢回火态组织的EBSD-IPF图
Fig.8
EBSD-IPF maps of tempered microstructure (a) 0Ti, (b) 300Ti, (c) 450Ti, (d) 600Ti
图9
图9
4组实验钢的晶粒尺寸和占比统计
Fig.9
Grain size maps and distribution (a) 0Ti, (b) 300Ti, (c) 450Ti, (d) 600Ti, (e) proportion
图10
图10
4组实验钢的平均取向差和占比统计
Fig.10
Kernel average misorientation maps and distribution (a) 0Ti, (b) 300Ti, (c) 450Ti, (d) 600Ti, (e) proportion
图11
图11
4组实验钢的晶界分布和大角度晶界的占比
Fig.11
Grain boundary distribution maps and high-angle grain boundary fraction (a) 0Ti, (b) 300Ti, (c) 450Ti, (d) 600Ti, (e) proportion
2.3 Ti微合金化协同调控强韧性
图12给出了回火处理后实验钢的力学性能。可以看出,含Ti实验钢的冲击韧性显著提高,比0Ti样品提高了52%~71% (0Ti的抗拉强度为993 MPa,屈服强度为881 MPa,冲击功为99.5 J)。但是,只有450Ti样品的强度和冲击韧性协同提高(抗拉强度为1004 MPa,屈服强度为907 MPa,冲击功为154 J),这个结果,与析出相的数量和尺寸密切相关。结合上述夹杂物和组织的分析,Ti微合金化析出Ti(C, N)钉扎晶界抑制了晶粒的长大,分布在基体中的纳米级析出相产生沉淀强化[33, 34];同时,细小的析出相在冷却时的相变过程中作为铁素体非均质形核的核心大幅度提高了形核点位的密度,从而分割了奥氏体晶粒而使钢的组织细化[35~37];同时,Ti(C, N)的生成也固定了游离的C元素,使实验钢的性能提高[38]。因此,300Ti样品中析出相的数量有限和夹杂物的平均尺寸增大使实验钢的强度有所降低,但是析出相对晶界的钉扎抑制了奥氏体晶粒高温粗化,从而细化了晶粒而使实验钢的冲击韧性显著提高;450Ti样品中析出了大量的纳米级、亚微米级第二相粒子,产生沉淀强化的作用,同时钉扎效应进一步增强而使晶粒更加细化,使强韧性协同提高;600Ti样品的Ti(C, N)含量进一步提高,强烈的钉扎作用使冲击韧性进一步提高。但是,600Ti样品中出现的局部大尺寸TiN颗粒的聚集,使这些区域不能钉扎晶界和位错,位错也难以绕过这些大尺寸颗粒增殖,因此在屈服过程中不能形成足够的位错抵抗变形,使实验钢的强度稍微降低。
图12
图12
4组不同Ti含量实验钢的力学性能
Fig.12
Strength (a) and impact toughness (b) of four groups of experimental steels with different Ti contents
2.4 Ti微合金化调控析出相增殖位错行为
计算了位错密度。式中D为平均晶粒尺寸;M为位错排列参数,取值为2; b 为Burgers矢量,取值为0.0286 nm;ρ为位错密度;K = 2sinθ/λ,θ为衍射角,λ为Cu Kα射线的波长;C为晶面相关参数[41];ΔK = 2cosθ(Δθ)/λ,Δθ为衍射峰的半高宽;O函数表示K2C的高阶项。图13给出了XRD谱和计算结果。可以看出,位错密度随着Ti含量提高而提高,450Ti样品中位错密度达到峰值,600Ti样品中位错密度又稍有降低。0Ti样品中的位错密度较低,即在不添加Ti元素的样品中位错的运动难以受到限制而容易在应力作用下移动,使位错的分布较为随机且稀疏。300Ti样品中的位错密度有一定程度的提高,但是Ti含量较低使生成的Ti(C, N)析出相数量有限,不能阻碍位错运动,因此位错密度的变化较小。450Ti样品中的位错密度达到了最大值,基体中大量的微纳尺度Ti(C, N)析出相对位错强烈钉扎。移动到这些Ti(C, N)析出相附近的位错线受到较大阻碍,需要受到更大的外力或者绕过粒子、切割粒子才能继续运动。这导致位错发生弯曲或增殖,从而使位错密度提高。
图13
根据Orowan方程[42]
论证位错与第二相粒子相互作用。随着Ti含量的提高,Ti(C, N)析出相间距L减小,屈服应力τ增大。在屈服过程中,基体为了协调变形,位错需要不断地产生和运动,而Ti(C, N)析出相钉扎晶界阻碍了位错运动。这使得位错增殖加剧而使位错密度提高,即变形抗力提高。式中,τ为屈服应力;G为剪切模量; b 为Burgers矢量;L为第二相粒子间距。但是,过高的Ti含量(600Ti)使析出相粗化或聚集,导致钉扎位错的效果减弱。大尺寸析出相周围的位错容易塞积,位错难以绕过或切割粒子进行增殖,此时粒子聚集而使局部区域中的位错运动较为自由,导致整体的位错密度降低[43]。对实验结果的分析表明:添加适量的Ti元素能提高位错密度,即微纳尺度的析出相能有效地钉扎位错;但是,Ti含量过高会使析出相尺寸过大,导致钉扎失效和位错密度降低。
3 结论
(1) Ti微合金化能调控35MnB钢中的夹杂物。Ti元素的加入能显著降低35MnB钢中夹杂物(MnS、Al2O3)的含量且能与MnS生成复合夹杂物而改变其塑性变形行为。
(2) Ti微合金化能优化钢的微观组织结构。Ti微合金化生成的微纳Ti(C, N)析出相能钉扎晶界、细化晶粒并阻碍位错运动而提高位错密度,从而优化钢的微观组织结构。
(3) Ti微合金化能协同提高35MnB钢的力学性能,特别是显著提高其冲击韧性、综合力学性能从而实现最佳的强韧性匹配。微纳Ti(C, N)析出相的沉淀强化和细晶强化,使钢的强韧性协同提高。
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