D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.04.049 第22卷第4期 北京科技大学学报 Vol.22 No,4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2000 含磷高强F钢中FeTiP相的脱溶及硬化现象 熊道礼毛卫民 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要分析含磷高强F钢中FeTP相的脱溶行为及对硬度的影响，发现含磷F钢的时效硬 化现象.实验表明，550℃时效时硬化效果比较明显.电镜和能谱分析表明大量细小的FeTiP相 脱溶是产生硬化现象的重要原因，750℃时效时，FeTiP相中Fe:Ti:P(原子比)并不严格地符合 1:1:1的比例，且在晶界及晶内均有析出.在超低碳高纯净微合金钢中，如FTP相等非碳氨 化合物导致的硬化现象值得引起重视. 关键词沉淀硬化：时效：FeTiP相：IF钢 分类号TG142 目前，固溶强化型F钢是国内外开发高强 1 实验材料与方法 F钢主要方向之一.不同强度级别的固溶高强 正钢强化元素的添加量如表1四.可以看出，随 在宝钢50kg真空感应炉上怡炼含高P和 着F钢强度的提高，P、M血和Si在钢中的添加 高Ti的F钢，其成分如表2所示.在1250℃开 量越来越高.多种强化元素的加入使得第二相 锻成长宽厚为180mm×98mm×28mm的钢坯，. 粒子析出种类增多，第二相析出行为更为复杂， 空冷后的钢坯裁为10mm×10mm×10mm小钢 因而对高强F钢的性能影响也变得越来越来 样经850℃×120min的固溶处理后，在750,650 复杂.早先的研究表明，含磷F钢在700- 和550℃分别进行10,10,10,103,10,1025 800℃长时间保温会导致FeTiP相的析出，并极 102,105,10s时效处理，测量各试样HRB硬度 大地恶化了材料的成形性.近几年来，有关含P 值，并观察金相组织.在透射电镜下对750和 高强F钢中FeTP相析出行为及其对性能的影 650℃的过时效及550℃的时效峰的萃取复型样 响有过报道，普遍认为固溶强化元素P以化 进行了观察和能谱分析. 合态析出后，失去了固溶强化作用使得F钢的 表2实验用的含磷高强F钢成分（质量分数） 屈服强度和抗拉强度下降，阻碍再结晶，不利于 Table 2 Composition of P-added IF steel used in experi- 获得高F值.尽管如此，但有关FeTP相析出行 ment ÷ 为及其对性能影响的研究还不是很全面和清 Si Mn P 楚，尚有待于进一步的探索.本文在对磷、钛含 0.0024 0.025 0.11 0.061 0.0069 量比较高的复合添加铌的F钢进行第二相脱 Al Ti Nb N 溶规律的研究. 0.0256 0.083 0.016 0.0034 表1不同强度级别高强F钢固溶强化元素添加量川 (质量分数) 2实验结果 Table 1 Addition amount of solution elements in different 在750,650和550℃温度下的时效曲线如图 strenght grade IF steel % 1.从时效曲线来看可以得到如下规律： 级别。 Mn P Si (1)在750℃时，时效峰出现较快，在保温时 340 MPa <0.20 -0.04 <0.10 间为10s时出现了过时效；(2)在650℃时，时效 390 MPa 0.20-0.40 0.08 <0.10 峰出现的越来越迟，时效效果更明显，保温时间 440 MPa 0.60-0.80 0.08 <0.50 490 MPa 在10510s内时效曲线趋于平滑，HRB基本为 -1.20 0.08 -0.70 一衡定值.10s后才出现过时效；(3)在550℃时 1999-01-11收稿熊道礼男，31岁，博士生 *国家“九五”重点攻关项目No.95-527-01-01-05) 效时，保温时间在1035s后它的硬化效果很明显
第 卷 第 期 州洲 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 饱 含磷高强 钢 中 相 的脱溶及硬化现象 熊道礼 毛卫 民 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 摘 要 分析含磷 高强 钢 中 相 的脱 溶行 为及 对 硬 度 的影 响 ， 发现含磷 钢 的时效硬 化现象 实验 表 明 ， ℃ 时效时硬化 效果 比较 明显 电镜和 能谱分析表 明大量细 小 的 相 脱溶 是产 生 硬 化现 象 的重 要 原 因 ℃ 时效时 ， 相 中 二 原 子 比 并不严格地符合 的 比例 ， 且 在 晶界及 晶 内均有析 出 在超低碳 高纯净微合金钢 中 ， 如 护 相 等 非碳氮 化合物 导致 的硬化现象值 得 引起 重视 关键 词 沉淀 硬化 时效 相 钢 分 类号 目前 ， 固溶 强 化 型 钢 是 国 内外 开 发 高强 钢 主 要 方 向之 一 不 同强 度级 别 的 固溶 高强 钢 强 化元 素 的添 加 量 如表 『 可 以看 出 ， 随 着 正 钢 强 度 的提 高 ， 、 和 在 钢 中的添加 量 越来越 高 多种强 化 元素 的加 入使 得 第 二 相 粒 子 析 出种类增 多 ， 第 二 相 析 出行 为更 为复杂 ， 因而对 高强 钢 的性 能影 响 也 变 得越 来越来 复杂 早 先 的研 究表 明 ‘ 司 ， 含 磷 钢 在 一 ℃ 长 时 间保温会 导 致 相 的析 出 ， 并极 大 地恶 化 了材 料 的成 形 性 近 几 年来 ， 有 关含 高强 正 钢 中 相 析 出行 为及 其 对性 能 的影 响 有过 报 道 〔 月 ， 普遍 认 为 固溶 强 化 元 素 以化 合 态析 出后 ， 失去 了 固溶强 化作用 使得 钢 的 屈 服 强度和 抗拉 强 度下 降 ， 阻碍 再 结 晶 ， 不 利于 获 得 高 矛值 尽管 如 此 ， 但 有 关 沪 相 析 出行 为及 其 对 性 能 影 响 的研 究还 不 是 很 全 面 和 清 楚 ， 尚有待于 进 一 步 的探 索 本 文 在 对 磷 、 钦含 量 比较高 的复合 添加妮 的 钢 进 行 第 二 相 脱 溶 规律 的研 究 表 不同强度级别高强 钢 固溶强化元素添加量 质量分数 灯 口 月 比 ， 沈 级别 八丹 刁 一 一 一 收稿 熊道 礼 男 ， 岁 ， 博 士 生 国家 “ 九 五 ” 重 点攻关 项 目困 。 一 一 · · 实验材料与方法 在 宝 钢 吨 真 空 感应 炉 上 冶 炼含 高 和 高 的 钢 ， 其成分如表 所示 在 ℃ 开 锻成 长 宽厚 为 的钢 坯 ， 空 冷 后 的钢 坯 裁 为 们以 们。 小钢 样经 的 固溶 处 理 后 ， 在 ， 和 分 别 进 行 ， ， ， ， ， ，， ， ， ， ， ， ’ ， ， 时效处 理 测 量 各试样 硬度 值 ， 并观 察金相 组 织 在透 射 电镜 下 对 和 ℃ 的过 时效及 ℃ 的时效 峰的萃取 复型样 进行 了观 察和 能谱 分 析 表 实验用的含磷高强 钢成分 质且分数 一 肛 实验结果 在 和 ℃ 温度 下 的 时 效 曲线 如 图 从 时效 曲线来看可 以得到 如下 规律 在 ℃ 时 ， 时效峰 出现较快 ， 在 保温 时 间为 守 时 出现 了过 时效 在 ℃ 时 ， 时效 峰出现 的越来越迟 ， 时效效果更 明显 ， 保温 时间 在 护 一 少 ， 内时效曲线趋于 平 滑 ， 基本 为 一 衡 定值 ， 后 才 出现过 时 效 在 ℃ 时 效 时 ， 保温 时间在 少 ， 后 它 的硬化效果很 明显 ， 刁 ‘ 刁 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．04．049
Vol.22 No.4 熊道礼等：含磷高强IF钢中FeT五P相的脱溶及硬化现象 351· IOs后还没有出现过时效，此时HRB的值是固 溶处理后的2倍多，平均达到97.6（如图1）.对 100 ·一口一550℃热处理 890℃的固溶样在550℃进行时效处理时，也得 到了同样的结果，如图2所示，且10s保温时的 80 HRB值也已达到101. 根据GB1172一74可将洛氏硬度值(RB)换 60 算成抗拉强度.在550℃保温10s时效，估计其 抗拉强度有可能达到700-800MPa左右.即使 40电 0 1010 10 1010 在7S0℃时效，HRB值也比固溶时增加了11左 图2在890℃固溶时550℃下时效曲线 右.由此看来，磷钛含量高的复合添加钛铌的F Fg2 Aging curvilinear of350℃solntizing at890℃ 钢存在明显的时效硬化现象 图3所给出了固溶、时效和过时效的金相 100 750℃热处理 组织.可以看到，其晶粒大小变化不大，均为等 % 650℃热处理 g 轴晶，因而晶粒尺寸不会对硬化产生明显影响. 550℃热处理 80 在透射电镜下对750和650℃的过时效以 70 及550℃，10s时效时的碳萃取复型样的分析表 60 明：650℃以下Fe:TiP(原子比)为32.6：26.7：40.7， 350 接近1：1：1[图4b)小550℃，10s下沿晶界折出的 40t FeIP的原子比也接近1：l:l[图4《c.而750℃时 0 10 10310 10 10 FeTiP相中Fe:TiP(原子比)为1.8：76.4：21.8[图4 t/s (a小，此时FeTP相的原子比并不符合l:l:】的比 图1850℃园溶时不同温度下的时效曲线 例 Figl Aging carvilinean of different temperatures solathz- 从图4中可以观察到大量细小的FeTP相， gt850℃ (d) 图3因溶态、时效及过时效时的金相组织 (间)850℃固溶组织，b)50℃，10s时效组织，()及（间分别为650和750℃过时效组织 Flg.3 Mircostructure of solution,aging and over aging 它不仅在晶界处析出[图4《©小，而且在品内也有 出并迅速扩散长大，同时高温时固溶体对析出 析出[图4b】.在透射电镜下对6S0℃过时效的 相的过饱和度相对较小，因而容易出现过时效 碳萃取复型样上能观察到50m左右的颗粒，这 现象，且时效峰较低.低温时效时，第二相的形 主要是一次复型实验手段的局限， 核和长大所需的热激活不足，因此会使析出相 3讨论 弥散，而时效峰出现较晚.同时低温固溶体较大 的过饱和度会使时效峰值比高温时效明显增大 高温时效时，析出相在短时间内会迅速析 (图1和图2).这些都是典型的金属材料时效硬
4352· 北京科技大学学报 2000年第4期 (b) 10a12L28 Ti Fe 图4在不同时效工艺下FTP相形态及能请分析 (730℃过时效时的折出物及能请图：b0℃过时效时的析出物及能墙图：(50℃，10s时效时的析断出物及能谦图 Fig FeTiP phase and its energy spectrum analysls under different aging processes 化特征，因此含磷F钢存在FeTP相等起到非 效的、很重要的强化方式，且沉淀相是一些碳氮 碳氯化合物的时效硬化作用. 化合物网.但对于超低碳高纯净F钢来讲，碳氨 Bemnhard网对FeTiP相作了的初步观察，他 化合物的体积分数极其有限，还不足以达到所 认为不管尺寸大小FeTP相都是沿晶界析出， 要求的硬化和强化效果. 且折出物最小粒度在100-350m之间.但本文 从近几年来发表的文献认为，固溶强化元 对析出相碳萃取复型的透射电镜观察和能谱分 素P以FeTiP相析出会对使高强F钢强度和r 析表明，磷钛含量较高的F钢中FeTiP相不仅 值明显下降，所以在生产中尽量避免它在 沿晶界析出，而且在晶内也有析出（图4）：即使 600-800℃之间的析出.但通过以上分析及本文 在6S0℃过时效的情况下也可以观察到尺寸约 所做的实验结果来看，认为F©TP相的析出是 为S0nm的FeTiP相，由此可以推断出现时效 造成时效硬化的主要原因，它所引起的明显硬 峰时FeTP相的尺寸还要细小，从另一方面来 化现象极有可能会造成钢的强化，因此值得引 讲，以前人们对徽合金锅的强化机制进行研究 起重视.因为这种非碳氨化合物如能成为超低 时普遍认为沉淀强化是微合金钢的一种非常有 碳高纯净微合金钢潜在的强韧化手段的话，其
VoL22 No.4 熊道礼等：含磷高强F钢中FeTiP相的脱溶及硬化现象 ·353· 意义深远和应用前景广阔， nealed Sheet Steel.Bramfitt B L,Mangonon,eds.Dallas, Texas:TMS-AIME,1982.173 4结论 3 Okamoto A,Mizui N.Texture Formation in Ultra-low Car- bon Ti-added Cold-rolled Sheet Steel Containing Mn and 在对磷钛含量比较高复合添加Nb的IF钢 P.in:Metallurgy of Vacuum-degassed Steel Products.The 进行第二相脱溶规律的研究过程中，发现了很 Minerals,Metals Materials Society,ed.Warrendle Pen- 强的时效硬化现象.实验表明，大量细小的FeTP nsylvania:TMS,1990.161 相的脱溶是产生硬化现象的重要原因.750℃时 4 Wang Li,Zhao Zisu,Mao Weimin,et al.Effect of Ti Con- tent Precipitate Behavior in High Strength Pand Mn-added 效时FeTiP相的原子比会明显偏离1：l:1.透射 Ti+Nb-IF Steels.In:Modern LC and ULC Sheet Steels for 电镜观察表明，FeTiP相不仅在晶界上析出，也 Cold Forming:Processong and Properties.Aachen:Inter- 会在晶内上析出.FeTiP相属于非碳氮化合物， national Symposium,1998 它在超低碳高纯净微合金钢中的硬化现象值得 5 Zhao Zisu,Mao Weimin,Yu Yongning,et al.Precipitation 引起重视.这种相是否能作为高纯净钢新的强 Behavior of FeTiP Phase in High Strength IF Steel.Journal of University of Science and Technology Beijing,2000,7 韧化手段，尚待于进一步的研究和探讨， (3):197 参考文献 6 Berhard Engl,Thomas Gerber.Microalloyed Vacuum De- gassed High-strength Steels with Special Emphasis.Steel 1赵子苏.高强度超低碳无间隙原子钢若干金属学问题 Research,1996,67(10):430 的研究：[博士学位论文].北京：北京科技大学，1999 7雍歧龙，马鸣图，吴宝榕微合金钢一物理和力学冶 2 Brun C,Patou P,Parmiere P.Metallurgy of Continous-an- 金，北京：机械工业出版社，1989.57 Precipitation Hardening of FeTiP Phase in P-added High Strength IF Steel XIONG Daoli.MAO Weimin Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The precipitation behavior of FeTiP phase in P-added high strength IF steel,as well as its in- fluence on the hardness were analyzed.The precipitation hardening effect in P-added IF steel was found.The experiment demonstrates that the hardening effect is more obvious during the aging at 550C.The key reason of the hardening is the fine precipitation of FeTiP phase,which precipitates not only on the grain boundaries but also inside the grains.The atom ratio of Fe:Ti:P of FeTiP phase is not the exact ratio of 1:1:1 during the aging at 750C.It is believed that the hardening effect induced by non-carbontrides e.g.FeTiP in high purity and ultra-low carbon micro-alloyed steel should be investigated further. KEY WORDS precipitation hardening;aging;FeTiP phase;IF steel
熊 道 礼 等 含 磷 高强 钢 中 相 的脱溶及 硬化现象 意义 深 远和 应 用前 景广 阔 结论 在 对 磷 钦 含量 比较 高复合 添 加 的 钢 进 行第二 相脱溶规律 的研 究过程 中 ， 发现 了很 强 的时效硬化现象 实验表 明 ， 大量细 小 的 相 的脱溶 是产 生硬化现象 的重 要 原 因 ℃ 时 效 时 相 的原 子 比会 明显 偏 离 透射 电镜 观察表 明 ， 相 不 仅在 晶 界 上 析 出 ， 也 会 在 晶 内上 析 出 相 属 于 非 碳 氮 化 合 物 ， 它 在 超低碳 高纯净微合 金 钢 中 的硬 化现 象值得 引起 重 视 这 种 相 是 否 能 作 为 高纯 净钢 新 的强 韧 化 手 段 ， 尚待于 进 一 步 的研 究和探 讨 参 考 文 献 赵子 苏 高强度超低碳无 间隙原子钢 若干 金 属 学 问题 的研 究 【博 士 学位论 文 北 京 北 京科技 大 学 ， ， ， 堪卿 一 ， ， ， 一 ， ， 一 一 落 、 恤 一 ， ， 认佃订 ， 自 ， ， 七汕 ， 十 七 一 曲 功 ， ， 七而 ， ， 盯 ， ， ， 、 乞 助 ， ， 雍歧龙 ， 马 鸣图 ， 吴 宝榕 ， 微合 金钢－ 物理和 力学冶 金 北 京 机械工 业 出版社 ， 一 弄 口刀 ， 人艺搜 环乞 ， ， ， 一 目上 ， 一 ， 一 沪 而 一 一 正