� 第 44卷 � 第 1期
� 2 0 0 9 年 1 月
钢 铁
Iron and Steel
� Vo l. 44, No. 1
Januar y � 2009
终轧温度对低碳Mn系贝氏体钢性能的影响
王勇围 , � 白秉哲, � 方鸿生
(清华大学材料科学与
系, 北京 100084)
摘 � 要: G leeble热模拟试验
明, 低碳 Mn 系贝氏体钢随着变形温度降低, 仿晶界铁素体和粒状贝氏体都发生了
细化,冲击韧性显著提高。加 Nb 后的 M n系贝氏体钢在相同工艺下组织得到了进一步细化。实验室试轧数据表
明,含 Nb 的 Mn 系贝氏体钢降低终轧温度后,韧性提高的幅度比不含 Nb 钢更大, 工业化前景广阔。
关键词: 贝氏体; 热变形; 强韧化; Nb微合金化
中图分类号: TG142� 4� � 文献标识码: A � � 文章编号: 0449�749X ( 2009) 01�0072�04
Influence of the Finishing Rolling Temperature on
Properties of Low Carbon Mn Bainitic Steels
WANG Yong�wei, � BAI Bing�zhe, � FANG Hong�sheng
( Dept. of Mater ials Science and Eng ineering , T singhua Univ ersity , Beijing 100084, China)
Abstract: The results o f G leeble thermal simulation test show that t he g rain boundar y allot riomorphic ferr ites o f low
carbon M n bainitic steel w as r efined and toughness improved obviously w ith decreasing o f deformation temperature.
Compared w ith non�Nb bear ing Mn bainitic steel, the m icrostr uctur e of Nb micr o�allo yed Mn bainit ic steel w as more
refined. The results o f labor ator y test show that t he toughness o f Nb micro�alloy ed Mn bainit ic steel can be im�
proved more than that of non�Nb bearing steel and it is prospect ive fo r industr ializat ion.
Key words: bainit e; thermal defo rmation; strengthening and t oughening ; Nb micro�alloy ed
基金项目: 国家高技术研究发展
( 863计划) ( 2003AA331040)
作者简介: 王勇围( 1976�) ,男,博士生; � � E�mail : w angyw 03@m ail s. t singhu a. edu. cn; � � 修订日期: 2008�07�17
� � 清华大学贝氏体钢研究及推广中心发明的低碳
Mn系高强度低合金中厚钢板作为一类重要的钢铁
材料, 广泛应用于各工业领域, 如中厚钢板、铁路道
叉、高强钢管等。不仅具有较高的强度与塑性,还具
有良好的低温韧性与焊接性能。随着现代工业的迅
速发展, 对中厚钢板的性能提出了越来越高的要
求。目前国际市场上已有高屈服强度( HY)钢、析
出硬化型高强度低合金( HSLA )钢、超低碳贝氏体
( ULCB)钢等多个系列 [ 1]。目前国内外屈服强度达
到 550 MPa 的具有代表性的高强韧性钢板有:
HY80、Welten70。Mn 系贝氏体钢以廉价的 Mn、
Cr、Si为主要合金添加元素, 在很宽的冷速范围内
都能得到仿晶界型铁素体/粒状贝氏体组织。它以
粒状贝氏体代替传统钢中的珠光体,可显著提高钢
的强度;而适量的不连续的仿晶界铁素体可作为韧
性相提高组织的塑韧性, 从而获得良好的强韧性配
合。研究表明终轧温度能对钢板的组织和强韧性产
生显著的影响, 只有充分掌握了终轧温度对低碳
Mn系贝氏体钢的影响规律, 才能有效控制钢的组
织类型,进一步提高这类钢的性能,并能指导工业化
大生产,推动生产力的发展。
1 � 试验材料及
1. 1 � 试验材料
真空熔炼低碳Mn系贝氏体钢锭27 kg,成分见
表 1, 其中 D 钢为 N b微合金化钢。分别锻成截面
为 60 mm � 60 mm 的方坯。A 钢从坯子上切取若
干尺寸为 12 mm � 16 mm � 60 mm 的平面压缩试
样, D钢切取 �8 mm � 12 mm 的圆柱试样, 供研究
微合金元素 Nb和热变形对于该类型钢的影响。
表 1 � 试验钢成分(质量分数)
Table 1� Compositions of the test steels %
钢号 C Mn Cr Si Nb
A 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 0. 75 -
B 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 1. 14 -
C 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 0. 22 -
D 0. 070~ 0. 10 2~ 3 1~ 2 0. 73 0. 064
1. 2 � 试验方法
在 Gleeble�1500D热力模拟试验机上利用平面
应变压缩加载来模拟钢板的轧制变形过程。A 钢的
变形工艺为 960 奥氏体化,然后以 1 / s的速度
降至变形温度 900 、860 、820 、780 并停留
第 1 期 王勇围等: 终轧温度对低碳 Mn 系贝氏体钢性能的影响
5 s使变形区均温,压缩变形 30% ,然后模拟 20 mm
厚的钢板在静止空气中的冷速冷至 250 , 最后加
工成
夏比 V 型冲击样, 测量冲击韧性值。D 钢
经1 050 奥氏体化后以 1 / s降温至 945 进行
第一次变形, 变形量为 0. 7, 然后分别降至 930 、
840 、800 、760 进行第二次变形, 变形量为
0. 5,再以 0. 9 / s空冷至 250 , 以上压缩变形速
率均为 1/ s。然后采用 SEM 观察不同变形工艺下
的微观组织。
在实验轧机上对 B、C、D钢方坯各分 3个终轧
温度进行轧制, 终轧温度为 800 、780 、750 ,
轧制过程中的道次分配方法为 60! 48 ! 38 ! 30 !
25! 18 mm,轧后空冷至室温,然后在钢板上沿轧向
取样进行力学性能测试。
2 � 结果与讨论
2. 1 � 热变形温度对于 A钢韧性的影响
A钢经不同温度变形后的韧性值和变形区的维
氏硬度如图 1所示, 可看出随着终轧温度的降低, 韧
性值明显增加, 同时硬度值增高。不同工艺下的组
织如图 2所示, 图 2( a)与图 2( b)对比后可知, 变形
温度降低后,铁素体的平均尺寸明显减小,数量也有
所增加。这是由于奥氏体形变后, 内部储存能提高,
铁素体形核驱动力增大, 铁素体在晶界和奥氏体内
部的缺陷处的形核率增加。形变温度越低,发生形
变的时间与发生 �! 转变的时间间隔越短, 奥氏体
形变过程中产生的晶界和晶内的位错结构、晶内的
变形带越不容易发生回复,越有利于铁素体晶粒在
晶界和晶内形核。随着形变量的增加, 形变温度的
降低,仿晶界铁素体和晶内铁素体数量增加,尺寸减
小[ 2 ]。由于裂纹在铁素体里能发生钝化或萌生二次
裂纹,因此变形后的组织中冲击裂纹走过的路径将
增长,韧性得到提高。
图 1 � A钢韧性值和硬度随变形温度的变化
Fig. 1� Change in toughness and HV5 of steel A
with deformation temperature
( a) 900 变形 30% ; � ( b) 780 变形 30%
图 2 � A钢热变形后的组织
Fig. 2 � Microstructures of steel A after hot deformation
2. 2 � 变形温度对含 Nb钢组织的影响
D钢经1 050 奥氏体化后和各温度终轧空冷
后的组织如图 3所示,由图可知,随着终轧温度的降
低,铁素体的尺寸逐渐变小,含量增多, 贝氏体团由
于受到铁素体的分割, 尺寸也逐渐变小。当终轧温
度降至 800 后,铁素体发生了明显的细化, 760
终轧后铁素体晶粒进一步细化。Nb 的碳化物通过
形变诱导方式析出,析出的量、尺寸大小和变形温度
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钢 � 铁 第 44 卷
有关,变形温度越低析出的 Nb 的碳化物颗粒直径
越小且更弥散分布[ 3] 。未变形的奥氏体中 Nb 的碳
化物析出非常慢,孕育期至少需要 300 s, 奥氏体形
变能显著促进 Nb 的碳化物析出 [ 4]。由于 Nb 的碳
化物钉扎位错, 析出物越弥散细小, 钉扎作用越明
显,而未回复的位错又为后续的铁素体相变提供了
更多的形核位置, 含 Nb 钢降低变形温度能更好地
细化铁素体晶粒, 提高材料的强韧性。
( a) 930 ; � ( b) 840 ; � ( c) 800 ; � ( d) 760
图 3 � D钢经不同温度终轧后的组织
Fig. 3� Microstructures of steel D finish rolled at different temperature
2. 3 � 含 Nb钢与不含 Nb钢的试轧
B、C、D 3种实验钢在不同终轧温度下的冲击韧
性值如图 4( a)所示, 屈服和抗拉强度如图 4( b)所
示。从图 4( a)可看出, 随着终轧温度的降低, 韧性
值均增加,在相同终轧温度下,含 Nb的 D钢韧性值
显著高于 B钢和 C 钢, 从图 4( b)可看出, 相同终轧
温度下, D钢的屈服强度最高,而抗拉强度也与高 Si
的 B钢基本一致,从图 4可知, Nb 对于低碳 Mn 系
贝氏体钢的强韧化作用显著。3种钢在 780 终轧
后的 SEM 组织如图 5所示, 可看出 B 钢和 C 钢控
轧后都含有大量的铁素体,且铁素体晶粒相对较大,
含 Nb 的 D钢铁素体含量相对较少, 但铁素体晶粒
最细小,而且均匀分布于晶界和晶内,这对提高强韧
性是非常有利的。
值得注意的是, 从图 4( a)可以看出, 当终轧温
度在 800 以下时, D 钢的韧性随着终轧温度的降
低提高的幅度最大, 说明对于含 Nb 的 Mn 系贝氏
体钢,充分降低终轧温度能更有效地提高组织的强
韧性。需要强调一点: 此类空冷高强高韧低碳 Mn
系贝氏体钢板是在免热处理,不添加贵重合金元素,
工艺简单的基础上获得的, 具有成本低、节省能源、
效率高的优势。
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第 1 期 王勇围等: 终轧温度对低碳 Mn 系贝氏体钢性能的影响
3 � 结论
( 1) 随着变形温度的降低, M n系贝氏体钢组织
发生细化,韧性有效提高。
( 2) 加Nb 后的 Mn 系贝氏体钢经热变形后, 铁
素体在晶界和晶内都大量形核, 当终轧温度降至
800 左右, 铁素体和贝氏体团明显细化。含 N b
钢随着终轧温度的降低, 韧性提高的幅度比不含N b
钢更大,性能对终轧温度更敏感。
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