关于微合金钢强韧化机理的新认识

严永江　沈光玲　李新民　李浩

[摘要]微合金钢管生产工艺是一种类似“在线常化”的，轧管后控冷到600℃时不发生奥氏体向铁素体和珠光体的转变，各工序不同塑性状态中均析出一定数量明显区别于稳定碳氮化物粒子的亚稳态纳米尺度的“原子团簇”，终端产品在强度满足使用要求的前提下韧性大幅度提高。文章进一步研究其对微合金元素分布状态的影响和与碳氮化物非平衡析出行为作用的相关性，阐明亚稳态纳米“原子团簇”影响微合金元素分布调控奥氏体区微观组织演变的强韧化新机制。

[关键词]微合金钢；强韧化机理；原子团簇

[DOI]1013939/jcnkizgsc201615053

1引言

微合金钢以其节能、较高的强度及韧性等优点，被国际社会公认为“环境保护材料”。大幅度提高其强度和韧性，是“新一代钢铁材料重大基础研究”的主要目标之一，是我国“发展循环经济、建设节约型社会”可持续发展战略的基本要求。目前学术界普遍认同的微合金钢管强韧化机理是“在线常化”理论，即通过控轧控冷工艺基本完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变，再加热时重新奥氏体化，利用冷却和再加热过程中两次相变实现细化组织的目的。

2前期工作

前期工作发现：在满足使用要求的前提下，可大幅度提高微合金钢管韧性的一种工艺虽类似“在线常化”，但在冷却及再加热过程中并未发生相变，“在线常化”理论难以解释其良好强韧性机理。针对N80非调质油井管用钢，重点研究了微合金元素除了细化奥氏体晶粒以外的其他作用，发现在轧管后至控冷到600℃相变温度前，奥氏体基体中钒碳氮化物颗粒数量明显增多，基体成分发生低合金化及低碳化，成分空间分布明显均匀化，奥氏体中晶内铁素体的形核率显著提高，原奥氏体晶粒被分割，最终获得了细化的铁素体和珠光体的室温组织。在此基础上提出了一种微合金钢的强韧化新观点——奥氏体区中析出相调控奥氏体分解转变，细化终端产品组织。

3对微合金钢强韧化机理的新认识

在研究时发现：在不同工序对应的奥氏体及最终的室温组织中，除了碳氮化物和氧化物外，还出现了一定数量的明显区别于稳定碳氮化物析出粒子的纳米尺度“原子团簇”，碳氮化物与其交互作用，影响纳米“原子团簇”在不同状态的奥氏体和室温组织中的析出质量分数。对纳米“原子团簇”进行能谱分析，发现其含有铁、碳、氧等元素，但这类纳米“原子团簇”的性质不太稳定，在空气中较易被氧化，能谱分析出的氧元素未必是其本身所固有，这与炼钢工艺中严格脱氧要求相吻合。并且因这类纳米“原子团簇”颗粒太小，在进行X射线衍射实验时存在漫反射现象，很难确定其结构，其形成机理及强韧化机制有待进一步深入研究。RDKMisra等研究发现在贝氏体型铁素体中有渗碳体型的铁碳化物，他们对这方面的研究极为关注，指出其形成机理和强韧化机制需要进一步深入系统地分析探讨，但距今为止并没有对此展开详细研究工作。IDiete在研究高强度低碳钢时，发现了含铜元素的纳米“原子团簇”。YLI，DN和BSoenen在微合金钢的微观结构演变研究中，对纳米“原子团簇”的强韧化作用存在着困惑和极大的兴趣。在上海宝钢2050热轧厂对700N/mm2级高强度热轧钢卷组织性能研究中，研究人员也发现了纳米“原子团簇”对钢板的韧性有明显影响。近年来在日本、韩国和国内研究获得的“超级钢”晶粒超细化机制以及HSLA钢的最新研究中对纳米“原子团簇”的作用给予了极大的关注和肯定。科技工作者在对高强度低碳钢和高强度低合金钢的研究中也发现了上述现象，再次印证了该类纳米“原子团簇”的超强韧化作用，认为其在微合金钢中的作用可能比微合金元素析出相本身的作用更大，其结构和析出规律以及作用机理有待进一步研究，这可能会促进现有分析手段和方法的改善。

从上述分析可知，微合金钢中亚稳态纳米“原子团簇”对材料的显著强韧化作用既得到了事实证明，又引起了国内外学术界极大关注，但未见有关其形成机理和强韧化机制的相关报道。

微合金钢属于多种相构成的复杂体系，在热加工过程中，各相之间或固溶体中的各元素之间会发生交互作用，它们是一个有机的整体，单独强调某一种相的作用，是不全面的，很难从本质上揭示微合金钢的强韧化机制，所以对这类亚稳态纳米“原子团簇”作用的研究，应突破其沉淀强化和细晶强化的相强化机制范畴，从整体上探究其更深一层的作用机理。

4试验分析

下图为Al5Fe2合金液态、固态（300K）及国际标准中的X射线衍射图。

Al5Fe2合金液态a、固态（300K）b和国际标准c的X射线衍射图

该图说明熔体中存在“中程有序”结构，即与其固态中相应的相结构具有密切关系的“原子团簇”，甚至出现完全类似于固态中相应相结构的“原子团簇”。这些“原子团簇”可看作是传递结构信息的遗传因子。既然在液态金属，特别是接近熔点的熔体中，存在类似于其固态的相应相结构，同时鉴于塑性成形过程中的传质仅以扩散方式进行，那么可推测，在微合金钢不同状态的奥氏体基体中，必然存在类似于固态组织中析出相的“原子团簇”，这些“原子团簇”与固态组织中的析出相密切相关。

由以上分析可知，这类纳米“原子团簇”可能是在淬火或塑性变形后的冷却过程中形成的类似于ε-渗碳体的一种“中程有序”结构，对应于不同塑性状态的微合金钢，这些“原子团簇”的本身特性和分布状态不同。生产工序中的碳氮化物形成元素分布状态，与这类纳米“原子团簇”的特性有很大的关系，它们将共同影响下一工序中碳氮化物的析出，并调控所对应元素的分布特性，使微合金钢在塑性变形后的冷却或时效过程中韧性得到大幅度提高，最终决定终端产品的组织和性能。从本质上揭示纳米“原子团簇”的形成机理及其强韧化作用机制，将会对调控钢中微合金的含量、在满足其使用要求的前提下大幅度提高其韧性具有理论指导意义。

在上述思路的指导下，拟将微合金钢进行多次塑性变形和再加热，并保持其中间过程处于稳定或亚稳定奥氏体区，取样后进行化学相分析、X射线小角散射分析和质量衡算，确定纳米“原子团簇”的种类、化学组成与结构、质量分数或体积分数。改进固体与分子经验电子理论（EET）建立纳米“原子团簇”的相界面价电子结构计算模型，计算其相结构因子和界面结合因子。通过计算纳米“原子团簇”与母相不同晶面上的电子密度差，并计算使电子密度保持连续的原子状态组数和其他价电子结构参数，研究纳米“原子团簇”的密度、位向、形貌等析出行为，探讨其形成机理和析出规律。采用三维原子探针断层分析技术，从原子尺度和电子层次上详细分析纳米“原子团簇”与碳氮化物形成元素的空间分布特性的相关性，最后归纳“原子团簇”对元素空间分布调控奥氏体相变的超强韧化新机制。

5结论

本研究提出的超强韧化新机制，不仅对热轧微合金钢管的组织和性能控制具有积极的意义，尤其适合于制造那些无法利用“在线常化”技术进行生产的中碳微合金非调质热轧钢管，还可为微合金钢板、带、棒材的组织和性能控制提供新思路，并可作为新的知识生长点，深入研究用传统理论尚难以解释的实验现象，对微合金元素传统的强韧化机理进行再认识和新理解。