含磷钛高强钢时效强化及力学性能研究

含磷钛高强钢时效强化及力学性能研究

磷是钢中低成本、高效的强化元素。其强化效果明显高于传统的水泥、硅等强化元素。同时磷能改善钢的切削性能,并增加钢抗腐蚀能力,因此在耐候钢、耐热钢、含磷高强冷轧钢板及高强IF钢等钢种中得到了广泛的应用。磷容易在晶界偏析并导致钢的脆性,因此采用磷合金化时需特别注意避免脆性的产生。耐候钢10MnPNbRE的磷含量可在0.10%左右,钢中稀土元素能减少磷的偏析,从而保证了钢材较好的韧性。鞍钢生产的耐候钢10MnCuPTi中也含有0.10%左右的磷,通过降低钢中碳、硫含量并采用合理的控轧技术也可以获得良好的强韧性。磷对钢板冲压性能的伤害较小,因此也是高强冲压钢材常用的强化元素。如在高强IF钢中磷是提高强度的主要元素,借助高温连续退火工艺不仅可以获得高的塑性应变比r值,而且也可以避免磷造成的脆性。研究表明,含磷IF钢在600～800℃长时间保温会导致FeTiP相的析出并降低磷的强化作用,因而需要设法制止FeTiP相的析出。近来有研究表明,只需要极少的磷、钛元素就能造成FeTiP弥散析出和钢的时效硬化,如果能够适当地控制其析出形态,也有可能利用其析出强化效应发展新型的高强度钢。本文利用这一设想进行了初步的试验探索。1钢板的冷却和退火用真空感应炉冶炼含磷和钛高纯净钢,其成分如表1所示。在1250℃开锻,制成长宽厚为180mm×98mm×28mm的钢坯,随后空冷。将钢坯在1060℃热轧,终轧温度为850℃,轧成5mm厚的钢板并水淬。将热轧钢板加热至900℃保温1h固溶处理后水淬,并冷轧成1mm厚的薄板。将一部分冷轧钢板分别在900、850、750、650、550℃分别进行101、102、103、104、105s时效退火处理。将另一部分冷轧钢先在900℃保温1h后水淬,然后在750、650、550℃分别进行101、102、103、104、105s时效退火处理。测试退火钢的维氏硬度和拉伸性能,同时观察金相组织。2大厚度和硬度冷轧试验钢在750℃以上退火时,硬度随时效的延长而逐步下降(图1(a))。650℃时效时在103s附近达到硬度峰,随后硬度下降。在550℃时效时硬度始终呈上升趋势。图1(b)～(d)的拉伸试验结果显示出拉伸强度与伸长率随时效处理的变化规律。可以看出,时效强化与时效硬化有较好的对应关系。650℃随时效强化峰的出现,伸长率有所下降,过时效后则强度下降而伸长率上升。550℃时效可使强度达到1200MPa的水平,而650℃时效也可使强度高于800MPa。同时试样始终有10%以上的伸长率。850℃时效与900℃加热时的硬度变化基本相同,此时已看不出时效硬化效应(图1(a))。冷轧钢板在750℃保温103s时效时就已形成再结晶组织,而650℃时效峰时(103s)的组织基本为变形组织,直到105s才出现再结晶组织,表明时效峰时基体尚处于经回复的加工硬化状态,550℃保温105s的退火组织仍为变形组织,如图2(a)～(d)。冷轧板经900℃保温1h再结晶退火后,在750℃时效时硬度随时间不发生变化。650℃或550℃时效时,能观察到硬化现象(图3(a))。与冷轧直接时效处理相比,其过时效阶段被推迟(对照图1(a))。图3(b)～(d)显示退火钢板的强度和伸长率的变化。750℃时效时力学性能变化不大,强度略有下降,伸长率略有上升,表明此时没有时效强化作用(图3(b))。在650℃时效105s获得接近400MPa的屈服强度和470MPa的抗拉强度,伸长率达20%以上(图3(c))。550℃时效105s可使屈服强度和抗拉强度分别提高到635MPa和660MPa,同时仍有11%的伸长率(图3(d))。3时效对再结晶的作用以往的研究表明,FeTiP相750℃以下的析出会引起时效硬化。在FeTiP析出的温度范围内随着时效温度的上升,基体对P、Ti原子的过饱和度及析出驱动力会不断降低,因此会减弱时效强化结果。虽然有时会观察到750℃较弱的时效硬化,但这样高的时效温度也会使再结晶同时出现(图2(a)),并掩盖住其时效硬化和强化效应(图1(a)、(b),图3(a)、(b))。本实验中的冷变形钢板内有再结晶和过饱和析出两种不同的驱动力。基体内的晶体缺陷是FeTiP相析出的有利位置。在较低温度范围加热时,原子经过短程扩散就可以在高缺陷密度基体内完成早期析出过程。这种过程反过来又钉扎了晶体缺陷,降低了大角度晶界的可动性,因而使得再结晶过程受到抑制(图2(b))。只有当析出粒子在过时效中粗化而减弱了对缺陷的钉扎,再结晶才得以实现(图2(c))。在较高的750℃时效时,相对较少的析出相不足以阻止再结晶过程,促使析出与再结晶同时发生(图2(a)),并减弱或完全掩盖住强化效应,使强度下降而塑性增加(图1(b))。冷轧试验钢在不同温度时效时所表现出较为强劲的时效强化效果,如图1(c)、(d)。但实际上,其强化效果还包括一部分加工硬化的作用,650℃保温103s(时效峰)的组织仍存在变形组织,过时效后的组织大部分为再结晶组织,而550℃保温105s的组织仍然是变形组织,如图2(b)～(d)所示。虽然较长时间的时效加热未能使再结晶完成,但变形基体得到了较为充分的回复,进而使钢板仍可以获得较好的伸长率。在已经完成再结晶过程的基体内缺陷密度大大降低,这使得P、Ti原子需经较长距离的扩散才能完成相应的析出过程,与图1(a)比较,图3(a)的时效峰出现相对较晚,650℃保温105s仍未出现过时效。本实验钢主要采用微量P、Ti元素合金化,以弥散FeTiP相强化钢。由表1可见,仅用极为少量的合金元素就可以实现非常高的强化效果,同时保持了较好的塑性(图1)。通过加工工艺也可以调整钢材的强度与塑性的配比,因此本实验钢是一种典型的时效强化高强钢。这种钢的设计思想对于提高钢材的使用效率、降低钢材原料成本以及简化该钢材的回收再利用都有非常重要的意义。磷容易在晶界上偏聚并降低冲击韧性,因此含磷钢的脆性一直是人们比较关心的问题。由表1可知本实验钢的磷含量并不比常用的含磷钢高,因此常规的避免磷所导致脆性的工艺方法基本上都可以在本实验钢中使用,如降低钢的碳含量、提高钢的纯净度、在钢中加B元素、采取控轧和控冷的方法等。作为一种新型的工程结构用钢,还需进一步系统地研究其脆韧转化规律、加工工艺及化学成分对脆性的影响等脆性问题才能真正判定其真实的使用价值和发展前景。4结论(1)钢板的屈服强度冷变形钢在550℃直接时效退火,可以获得1200MPa的屈服强度和10.4%的伸长率;在650℃时效,钢的屈服强度达到800MPa以上时,仍有14%的伸长率,其中包括加工硬化所造成的大量缺陷对强度的贡献。经再结晶退火的冷轧钢板在550℃退火时得