韓嚴(yán)法，李宇梁，胡奉雅，王佳驥，付魁軍，楊鵬聰

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團(tuán)有限公司戰(zhàn)略規(guī)劃部，遼寧 鞍山114009）

鈦在鋼中有著重要的微合金化作用，主要起細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的作用[1]，另外對(duì)鋼的再結(jié)晶過程也有重要影響[2]。但在中厚板領(lǐng)域應(yīng)用的含鈦鋼一般含量范圍為0.01%～0.025%[3]，而鈦含量達(dá)到0.1%的大部分是卷板類品種。因此，本文主要研究的是鈦含量較高時(shí)采用TMCP軋制工藝的20 mm厚鋼板的組織和性能，以及焊接熱循環(huán)對(duì)鋼板組織和性能的影響，以便為工業(yè)實(shí)踐提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料制備及方法

采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行冶煉，并利用試驗(yàn)室Φ750 mm×550 mm二輥熱軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)進(jìn)行軋制，其中含鈦試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1。坯料原始厚度為150 mm，采用兩階段軋制，一階段開軋溫度為1 150℃，壓下率為66.7%，軋至50 mm時(shí)待溫；待溫度降至950℃時(shí)進(jìn)行二階段軋制，二階段的壓下率為60%，軋制成品厚度為20 mm。軋后開冷溫度為720℃，以20℃/s的平均冷速進(jìn)行冷卻，返紅溫度為200℃。然后對(duì)鋼板進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)和組織觀察，并利用Gleeble3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接熱模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)定焊接熱循環(huán)的加熱速率為200℃/s,峰值溫度為1 300℃，峰值溫度停留時(shí)間為0.2 s，T8/5時(shí)間分別為8 s、17 s和25 s。對(duì)焊接熱模擬試樣進(jìn)行了沖擊檢驗(yàn)和金相觀察。

表1 含鈦試驗(yàn)鋼的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Compositions in Experimental Steel with Ti(Mass Fraction) %

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 鋼板組織和性能

對(duì)軋制后的含鈦試驗(yàn)鋼進(jìn)行力學(xué)性能和金相組織檢驗(yàn)。鋼板的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，金相組織檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由鋼板的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼板具有良好的強(qiáng)度、塑性和低溫韌性；鋼板的金相組織以鐵素體為主，而且有大量的析出物存在。

表2 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical Properties of Experimental Steel

圖1 試驗(yàn)鋼金相組織Fig.1 Microstructures in Experimental Steel

利用SEM對(duì)組織中的析出物進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知析出物成分主要是Ti和C，因此，析出物主要為Ti的碳化物，析出物的尺寸較大，約為480 nm。

圖2 試驗(yàn)鋼的SEM觀察結(jié)果Fig.2 SEM Results for Experimental Steel

由于鋼中C含量為0.06%，Ti的含量為 0.17%，C和Ti的原子量分別為12和48，鋼中C和Ti的原子比約為1.4：1，因此，鋼中的C原子大約有70%的比例被Ti所固定。按照熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算了TiC的析出溫度和析出量之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 TiC析出量和溫度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between Precipitation Quantity of TiC and Temperature

經(jīng)計(jì)算，TiC的開始析出溫度約為1 240℃，隨著溫度的降低，其析出量逐漸增加，當(dāng)溫度降至約740℃時(shí)，其析出過程結(jié)束。由此可見，TiC的開始析出溫度較高，在鋼板的整個(gè)軋制過程中TiC隨著溫度的降低而逐漸析出。由于TiC的析出過程中溫度較高，且其析出過程幾乎覆蓋了整個(gè)軋制過程，導(dǎo)致TiC有充分的時(shí)間長(zhǎng)大。一般析出強(qiáng)化有兩種機(jī)制：切過機(jī)制和Orowan機(jī)制，這兩種強(qiáng)化機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng)，而TiC的兩種強(qiáng)化機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)的臨界尺寸為2.70 nm。由于試驗(yàn)鋼中析出的TiC尺寸較大，約480 nm，根據(jù)析出強(qiáng)化的規(guī)律可知其強(qiáng)化機(jī)制為Orowan機(jī)制，計(jì)算其產(chǎn)生的強(qiáng)度增量約十幾兆帕，本試驗(yàn)鋼中的TiC并未起到較強(qiáng)的析出強(qiáng)化作用。但由于其固定了鋼中的大部分C原子，導(dǎo)致鋼中基體組織中的碳含量很低，基體形成了近似等軸狀的鐵素體組織，且其尺寸大部分不超過10μm，使得試驗(yàn)鋼具有優(yōu)良的塑性和低溫韌性。

2.2 焊接熱循環(huán)后鋼板組織和性能的變化

在試驗(yàn)鋼板上取樣進(jìn)行焊接熱模擬試驗(yàn)，并對(duì)焊接熱模擬試樣進(jìn)行沖擊韌性檢驗(yàn)和金相組織觀察，焊接熱模擬試樣的沖擊檢驗(yàn)結(jié)果見表3，焊接熱模擬金相組織見圖4。

表3 焊接熱模擬試樣的沖擊檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Impact Values of Samples after Welding Thermal Cycle

圖4 焊接熱模擬金相組織Fig.4 Microstructures of Steel Samples after Welding Thermal Cycle

由表3可知，經(jīng)過焊接熱循環(huán)后鋼板沖擊韌性急劇下降至10 J以下，與鋼板本身的韌性有顯著區(qū)別。對(duì)焊接熱模擬試樣的金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鋼板經(jīng)過焊接熱循環(huán)的作用后組織變成了上貝氏體組織。以1號(hào)熱模擬沖擊試樣為例進(jìn)行了SEM斷口觀察，斷口為解理斷裂，結(jié)果見圖5。

由圖3的TiC析出隨溫度變化規(guī)律可知，當(dāng)試樣加熱到1 300℃時(shí)，鋼中的TiC已經(jīng)在溫度的影響下完全分解，在這種情況下TiC難以起到釘扎晶界從而細(xì)化晶粒的作用。在隨后的冷卻過程中，由于Ti幾乎完全固溶在鋼中，根據(jù)Ti對(duì)鋼相變過程的影響可知，Ti的固溶極大降低了奧氏體的穩(wěn)定性，使熱模擬試樣在冷卻過程中的相變提前發(fā)生，形成了上貝氏體類型的組織[4]。另外由于鋼中Ti含量較高，TiN的形成溫度也大大提前，因此在1號(hào)熱模擬試樣中存在塊狀的TiN，這也導(dǎo)致了經(jīng)過焊接熱循環(huán)后的試樣的沖擊韌性大大降低。

圖5 1號(hào)熱模擬沖擊試樣的SEM斷口照片F(xiàn)ig.5 Fracture Photograph of NO.1 Sample for Thermal Simulation Impact Test

3 結(jié)論

（1）當(dāng)鋼中加入的Ti含量達(dá)到0.17%時(shí)，得到鋼的組織以鐵素體和TiC析出為主，鋼板本身具有良好的強(qiáng)度、韌性和塑性，-40℃的橫向沖擊功平均值為324 J。

（2）當(dāng)鋼中的Ti含量較高時(shí)，在軋制過程鋼板中的TiC析出物尺寸較大，大約480 nm，其析出強(qiáng)化的潛力有待進(jìn)一步的發(fā)掘。

（3）當(dāng)鋼中的Ti含量較高時(shí)，在經(jīng)歷峰值溫度為1 300℃焊接熱循環(huán)的影響后，容易形成上貝氏體組織，使得沖擊韌性急劇下降，其-20℃沖擊功不足10 J。