D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.02.00M 北京钢铁学院学报 J.Beijing Univ.of Iron Steel Technol. Vol.9No.21987 Tb-V钢中相间沉淀的强韧化作用 高锦华 崔文暄 (金相教研室) 摘 9 要 本文以三种6-V钢为实验材料，研究了相间沉淀对钢的屈服强度、跪性转 化温度的定量彭响，以及相间沉淀的强化机理。 关键词：相间沉淀，排间距，强化，脆性转化温度 the Strengthening and Toughening Effect of Interphase Precipirationin Nb-V Steels Gao Jinhua ·Cui Wenxuan Abstract The quantitative influence of interphase precipitation on the Y.S. and ITT of steel are investigated in three Nb-V steels.The strengthen- ing mechanism of interphase precipitation is studied also. 》 Key words:interphase precipitation,row spacing,strengthening, 4 impact transition temperature 引 言 在热轧微合金钢中，微量元素Nb、V、Ti的碳（氯）化物沉淀相一般可分成三类： (1)奥氏体中析出的（包括应变诱导析出的）沉淀相；·(2)相间沉淀相，(3)过 饱和铁素体中析出的沉淀相。许多实验结果表明1~5)，奥氏体中析出的沉淀相对钢的屈 服强度没有什么影响，而相间沉淀和过饱和铁素体中析出的沉淀相对屈服强度有重要影 1986一05一19收稿 25
北 京 钢 铁 学 院 学 报’ 一 钢中相间沉淀的强韧化作用 高锦华 崔文暄 金相教研室 摘 要 本文以三种 卜 钢为实验材料 ， 研究了相间沉淀对钢的屈服强度 ， 脆性转 化温度的定量影响 ， 以及相 间沉淀 的强化机理 关键词 相间沉淀 ， 排间距 ， 强化 ， 脆性转化温度 一 二 一 ” 班 ” 义 ” 上 浦 一 ， ， ， 引 言 在热轧微合金钢 中 ， 微量元素 、 、 的碳 氮 化物沉淀 相一 般可分成 三类 奥氏体 中析 出的 包 括应 变诱导 析 出的 沉 淀 相 · 相 间沉 淀 相 过 饱和铁素体 中析 出的沉淀相 。 许 多实验结果表 明〔 ‘ 一 ，， 奥氏体 中析出的沉淀相对钢 的屈 服强度没 有什么 影响 ， 而相 间沉 淀 和 过饱 和铁素 体 中析 出的沉 淀 相对屈 服 强 度有 重要 影 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．02．004
响。 在相间沉淀对屈服强度的影响方面，根据Honeycombe等人的研究结果c6~8),钢的 屈服强度与1ogd/à(d一相间沉淀的排间距)大致成线性关系。但是，他们没有考虑基体 对屈服强度的贡献。Edmonds9)考虑了铁素体基体的晶粒尺寸对屈服强度的影响，但 他没有考虑晶格阻力和固溶强化的贡歃。总的看来，相间沉淀对屈服强度的定量影响究 竟有多大仍不清楚。 在相间沉淀对钢的韧性的贡献方面，至今还没有值得推荐的数据。一般认为，沉淀 相会增大钢的低温脆性，但也有人发现沉淀相可以改善钢的低温脆性10~13)。 本文的目的是研究相间沉淀对钢的强韧性的定量影响，以及相间沉淀的强化机理。 1试验材料和试验方法 本试验用钢的化学成分如表1所示。先把Nb-V钢的钢锭锻成φ15mm和13×13mm 的坯料，进行950℃正火处理，在1150~1200℃加热，在600℃、650℃和700℃进行等温 处理，然后水淬。为了获得不同晶粒尺寸的铁素体基体，对C-M钢采用不同的热轧工 艺，其加热温度为920~1100℃，总形变量为0~67%，终轧温度高于800℃。 表1试验用钢的化学成份，wt% Table1 Chemical compositions of experimental steels,wt% Stee] C· Si Mn P Nb Al W Nb-V1(X65) 0,12 0.135 1.43 0.007 0.002 0.03 0.09 <0.03 0.0093 Nb-V2 0.12 0.31 1,39 0.005, <0.005 0.0440.21 0.02 0.012 Nb-V3 0.20 0.32 1,33 0.003 <0.005 0.040 0.30 0.006 0.0084 C-Mn 0,091 0,33 1,35 0.008 0.01 <0.03 0,007 Nb-V钢和C-Mn钢经上述规程处理后，.加工成中6mm的拉伸试样和标准夏氏V缺 口冲击试样，并在不同部位截取金相试样。 用投点法和截线法测量珠光体体积百分数和铁素体晶粒直径。测量的相对误差≤ 0.05。 利用透射电镜和图像分析仪测量b-V钢中相间沉淀相的排间距和质点大小。 Nb-V钢100%解理断裂的断口上镀镍制成金属薄膜，在透射电镜下观察相间沉淀 相与断口解理面之间的位置关系。 2试验结果与分析 2.1C-Mn钢和Nb-V钢中的显微组织 C-Mn钢和NbV钢的组织均为等轴铁素体+珠光体。各试样中铁素体晶粒直径和 珠光体体积百分数的测量结果列于表2中。表中还列出了钢的屈服强度和50%FATT的 测试结果。 26
响 。 在 相 间沉 淀 对屈 服强 度的影响 方面 ， 根据 。 。 等人的研究 结果〔 一 〕 ， 钢 的 屈 服强度与 一相 间沉淀 的排 间距 大致成线 性关 系 。 但是 ， 他 们没 有考虑基体 对屈 服 强 度的贡献 彭” ’考虑 了铁素体基体的 晶粒尺寸 对屈服强度的 影 响 ， 但 他 没 有考虑 晶格阻力 和 固溶强 化 的贡献 。 总 的 看来 ， 相 间沉淀对屈 服强 度的定量 影响究 竟 有 多大仍 不清楚 。 在相 间沉 淀对钢 的 韧性 的贡献方面 ， 至 今还 没 有值 得推荐 一 的数据 。 一 般认 为 ， 沉淀 相 会增大钢 的低温 脆 性 ， 但也 有人发现沉 淀 相可 以改善钢 的低温 脆性〔 ” 一 ” 〕 。 本文 的 目的是研究 相 间沉淀 对钢 的强 韧性的定量影响 ， 以及相 间沉淀 的强 化机理 。 试验材料和试验方法 本试 验用钢 的化学成分 如表 所示 。 先把 一 钢 的钢 锭锻成小 和 的坯料 ， 进行 ， 正 火处理 ， 在 加 热 ， 在 ℃ 、 和 进行 等温 处理 ， 然后 水淬 。 为 了获得不 同晶粒尺寸 的铁素体基体 ， 对 一 钢采用 不 同的热轧 工 艺 ， 其加 热温 度 为 ℃ ， 总 形 变量 为 ， 终轧 温度高于 。 表 试验用钢 的 化学成 份 ， ， ， ’ 一 一 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 钢 和 一 钢 经 上述 规 程处理后 ， 加工 成小 的拉伸试样和标 准夏氏 缺 口 冲击试 样 ， 并在不 同部位截取 金相 试样 。 用 ‘ 投点法 和截线法测量珠 光体体 积百 分 数和铁素体 晶粒直径 。 测量的 相 对 误 差成 。 。 利 用 透射 电镜和 图像分析仪测量 一 钢 中相 间沉 淀 相的排 间距 和质点大小 。 一 钢 解理 断裂 的断 口上镀 镍制 成金 属薄膜 ， 在透射 电镜下观察相 间 沉 淀 相与 断 口 解理面之 间的位置关 系 。 试验结 果 与分析 一 钢 和 一 钢 中的显微组织 一 钢 和 一 钢 的组织 均为等轴铁素体 珠 光体 。 各试 样 中铁素体 晶粒直 径 ’ 和 珠 光体体积百分 数 的测量 结果列于表 中 。 表 中还 列 出了钢 的屈 服强 度和 的 测 试 结果
表2定量金相与机械性能测试结果 Table 2 The results of quantitative metellograghy and mechanical properties measurement Steel Spec.No %Pear,5 d,μm △op,MPa 50%FATT,℃ Nb-V1 11 13 10.8 456 2 12 19 11,3 402 -11 13 19 11,8 397 -14 1 Nb-V2 21 19 29.0 559 110 23 21 31.5 430 92 Nb-V3 31 25 29.5 636 175 32.5 608 148 33 26 33.5 573 142 C-Ma 41 6 9.3 353 19 15 12,5 33 0 物 17 11.1 358 9 44 15 11.0 333 -7 45 15 12.9 33 46 15 17.3 323 8 47 15 26.3 294 28 8 14 42.0 45 在Nb-V钢中，珠光体内的铁素体中一般没有沉淀相，但在个别珠光体的铁素体中 也观察到少量沉淀相，见照片1。在Nb-V钢的等轴铁素体中存在大量的相间沉淀，其 典型形貌如照片2所示。 根据定量测量的结果，Nb-V钢各试样中相间沉淀相质点大小的分布基本相似。相 间沉淀相排间距和平均质点直径均随籼间沉淀州的形成温度降低而减小，见图1。 照片1珠光体中的快紫体任在少量沉淀1，金属薄膜，70300X Photo 1 Few precipit tes in pe.rlitic ferrite,thin foil,70000X 27
表 定量金相与机械性能测 试结果 多 ， 拓 ， 林 △ ， 书 ， ℃ 一 。 。 。 峨 一 一 一 上︸二， 乙」，八八 二上曰， 曰︺八﹃︺夕 一 。 。 山‘勺， ‘工 ‘， 孟 一 。 。 一 名 一 或 。 。 一 。 一 一 。 。 。 一 在 一 钢 中 ， 珠 光体 内的铁素体 中一 般没有沉 淀 相 ， 但在个别 珠光 体的铁素体 中 也观察到少量沉 淀相 ， 见照 片 。 在 一 钢 的等轴铁素体 中存在大量 的相 间沉 淀 ， 其 典型 形貌如照 片 所示 。 根据定量测量 的结果 ， 一 钢 各试 样 中相 间沉 淀 相质 点大小 的分布基本相 似 。 相 间沉淀 相排 间距 和平均质 点直径 均随 相 间沉淀 相 的 形成温 度降 低而 减小 ， 见 图 。 照片 一 珠光 了朴 的铁素 体存在 少 量沉淀 ， 金属薄膜 ， 。 。 。 弓 ， 孟 ，
(a)萃取复型，23000× ()金属薄膜，明场像，4200CX (c)(b)的暗场像，42000X 照片2相间沉淀相的典型形貌 Photo 2 Typical appearance of interphase precipitates, 200F 0d120l Isotherm at 700C 180 Isotherm at700℃ 0 55 110 160 140 100 Buyoeds at650℃ at650°C 120 90 100 at 600C 80 80 at 600C 70 60 40 60- 0.1 0.2 0.3 0.1 0.20.3 Vanadium content,% Vanadium content,% 1H间沉淀H质点直径和排间距 Fig.1 Interphase precipit.tes p-rticle diimeter :nd row spacing 2.2相间沉淀对屈服强度的影响 相间沉淀对屈服强度的贡献等于在铁素体晶粒直径、固溶强化相同的情况下，Nh- V钢和C-Mn钢的屈服强度之差。根据表2所列数据进行计算，可得C-Mn钢中os与品 粒直径d之间的关系，即HalI-Petch关系。将Nb-V钢的铁素体品粒直径代入Hall- Petch关系，即可求得与Nb-V钢铁素体品粒直径相同的C-n钢的屈服啦度。耳考虑固 溶强化元素In、S的固溶强化作用，就可以计算得到Nb-V钢中相间沉淀对屁服强度 的贡献量△σ。，结果如图2所示。山图可见，各钢种中相闻沉淀相的形成温度相同 时，随着钢中钒含量增加，△σ增大；在同-钢种中，等温温度降低时，△o,增大。比 较图1和图2知，当相间沉淀的弥散参数（排间距和质点大小）减小时，州间沉淀 28
眯 讯 拼价一 嫉淤井 簇鑫落象 兹翼 髯 毖一漆拉缤 聋毓公 书 沙 毅。 萃取复型 ， 金属薄膜 ， 明场 像 ， 的暗场像 ， ‘ 照片 相 间沉淀相 的典型形貌 了 找 飞 ， 、 、 、 … 卜 ，乙，工上 白六孟 曰八曰，︸ 三‘闷‘ 压国助。山的匀琴 土山 ‘山 ︸ 夕 止，︺曰行︵‘ 曰八︸ ‘ 阴一工叼祠芝。。昆日侧曰白。 。 、 尽 ， 创 相 间沉淀相质点直径和排间距 · 二 ， ，一 一 相 间沉淀对屈服 强度的 影响 相 间沉 淀对屈 服 强 度 的贡献 等于在铁素体 晶粒直 径 、 固溶 强 化相 同的 情况 下 ， 钢 和 一 钢 的屈 服强 度之 差 。 根据表 所列 数据进行 计算 ， 可 得 一 钢 中 。 与 洁 粒直径 之 间的关 系 ， 即 工 一 关 系 。 将 一 钢 的铁素体 品 粒 直 径 代 人 关 系 ， 即可 求 得 与 一 钢 铁素 体 晶粒 直径 相 同的 一 钢 的屈 服强度 。 再考虑 固 溶 强 化 元素 入 、 的 固溶强 化 作用 ， 就 可以计算 得到 一 钢 ， ，相 间沉 淀 对屈 服 强 度 的贡献量 △ ， 结果 如 图 所示 。 由图可见 ， 各钢 种 中相 间沉 淀 相 的 形 成 温 度 相 同 时 ， 随 着钢 一 户钒 含量 增加 ， △ 增大 在同一钢 种 中 ， 等温 温 度降 低 时 ， △ ， 增 大 。 比 较 图 和 图 可知 ， 当相 间沉 淀 妇的弥散参 数 排 间距 和质点大小 减 小时 ， 相 间沉 淀
的强化作用增大。经过回归分析，得到相间沉淀的排间距L(A)、质点直径x(A)与其 对屈服强度的贡献△c,(MPa)之间的关系 △0p=-17.6+1.65×105(L-x)-1 (1) 式中的相关系数r=0.989。考虑到试验误差，略去式中的第一项。△σ表示成 △op=1.65×105(L-x)-1 (2) 昌40 Isotherm at 600'C ,d ov 300 at650℃ --- 200 墓 at700℃ ,100 OL .0,1 0.2 0.3 Vanadium content,% 照片3相间沉淀相与位错线的交互作用，金屈薄 图？相间沉淀引起的屈服强度增量与相间沉淀相形 膜，100000X 成温度之间的关系 Photo.3 Interaction of interphase precipitates Fig.2 The relationship between yield strength with dislocations,thin foil,100000X increment caused by interphase precipitation and the interphase precipitates forming temperature 23相间沉淀的强化机理 沉淀强化有两种机理：切过机理和绕过机理。定性地看，（2)式与绕过机理的强化 代 表达式相近。绕过机理的强化表达式可用Orowan-Ashby公式表示14)。 电镜观察发现Nb-V钢的铁素体基体中的位错线往往被钉扎在相间沉淀相排之间， 如照片3所示。可见，相间沉淀的排间距可作为Drowan~-Ashby:关系式中的质点间距， Orowan-Ashby关系式为 2a (L-x)in-x 2b 式中，△τ一屈服时沉淀引起的分切应力增量；4一剪切弹性模量；；b—一位错的 柏氏矢量；L一相间沉淀排间距；x一一沉淀相质点直径。将u=80300MPa,b÷ 2.5A,x〧100A代人，并注意到△g。=2△Tp,则可得△a表达式 4g,=1.91×105(L-x)-1 (3) 年中，△σ、L、x的意义和量纲与(2)式一致。(3)式与(2)式基本吻合。因 29
钓强化作用 增大 。 ’ 经过回归分 析 ， 得至 平目间沉淀的排 间距 、 对屈 服强 度的贡献△ 之 间的关 系 △ 一 一 一 式中的相关 系数 。 考虑到试验误 差 ， ‘ 略去式 中的第一项 。 △ ， 心 ‘ 及 一 ‘ 质点直径 与其 △ 表 示成 忿 留 盛 昌 们卜叫利司‘。口巨匕。 、。。口 。 、 ， 图 相间沉淀引起的屈服强度增 量与相 间沉淀相形 成温度之间 的关系 ‘ ， 一 ， 照片 相间沉淀相与位错线的交互作用 ， 金属薄 膜 ， 日 贾 ，， ， 又 ， ‘ 相 间沉淀的 强化机理 沉 淀强化有两种机理 切 过机理和绕 过机理 。 定性地 看 ， 式与绕 过机理 的强化 表达 式 相近 。 绕 过机理 的强 化表达 式可 用 一 公 式表示 〔 〕 。 电镜观察发 现 一 钢 的铁素体基体 中的位错线往往被钉扎在相 间沉 淀相排之 间 ， 如照片 所示 。 可 见 ， 相 间沉淀 的排 间距可 作为 一 关 系式 中的质 点间距 ， 一 关 系 式为 △丫 一 汕 汀 一 ， 式 中 ， △ 一 － 屈 服 时沉 淀 引起的分切 应力增量 卜－ 剪切弹性模量 － 位错 的 柏 氏矢 量 － 相 间沉淀排 间距 － 沉淀 相 质 点 直 径 。 将 林 ， 。 ， ‘ 代 人 ， 并注意 到△ ， △， ， 则可 得△ 表达式 ‘ △ ， 一 又 一 竿 中 ， △。 、 、 的意 义 和量纲与 式一 致 。 式与 式基 本 吻 合 。 因