Nb对中碳非调质钢晶内铁素体形核机制与变形机理的影响研究

The discovery of intragranular ferrite in low carbon steel have offered a new way to further refine the microstructure and improve the strength and toughness of the ferrite-pearlite type microalloyed medium carbon steel. The intragranular ferrite often forms at the microalloying inclusions or precipitations in steel. The combination of Nb has a great influence on the microalloying inclusion and the solute depletion around the nucleus. Recently there is still a lack of theory research on the nucleus which influences the nucleation rate of intragranular ferrite in microalloyed medium carbon steel. Consequently, the research on the effect of Nb on the nucleation and deformation mechanisms of intragranular ferrite in the microalloyed medium carbon steel has great theory value and application prospect. In this work, the effect of Nb on the precipitation thermodynamics and recrystallization of the microalloyed medium carbon steel will be investigated. The formation and the nucleus of the intragranular ferrite under different deformation conditions will be analyzed. The solute depleted zone around the nucleus will also be observed. Based on these, the effect of Nb on the nucleation mechanism of intragranular ferrite will be obtained. Besides, the effect of Nb on the mechanical properties of the investigated steels under different deformation conditions, especially the toughness with the deformation amount lower than 10%, will be studied. The relationship between the intragranular ferrite and the mechanical properties and the role of Nb will be also analyzed combined by the research on the deformation mechanism of intragranular ferrite. Thus, the theory basis for the improvement of strength and toughness and the lightweight of the microalloyed medium carbon steel product will be founded.

低碳钢中晶内铁素体的发现，为铁素体-珠光体型中碳非调质钢组织的进一步细化及强韧性的提高提供了新途径。晶内铁素体一般在钢中的微合金夹杂物或析出物上形核，Nb的复合对微合金析出物以及周围的溶质贫乏影响很大，而目前对于影响中碳非调质钢中晶内铁素体形核率的形核核心尚缺乏理论研究，因此，研究Nb对中碳非调质钢中晶内铁素体形核机制以及变形机理的影响具有较高的理论价值与应用前景。本课题结合Nb元素对中碳非调质钢中析出物的析出热力学以及再结晶规律的影响研究，分析不同变形条件下晶内铁素体的形成以及形核核心的特点，并对形核核心周围溶质原子贫乏区进行观察，得到Nb元素对晶内铁素体形核机制的影响；研究Nb对实验钢不同变形条件下的力学性能，尤其小变形量下（≤10%）冲击韧性的影响，并结合晶内铁素体的变形机理研究，得到晶内铁素体与力学性能之间的关系，为中碳非调质钢产品强韧性的提高以及轻量化的实现提供理论基础。

曲轴作为发动机重要的核心部件，由于在曲轴锻造后的部分位置发生变形过程中的二次再结晶，造成组织粗大。对微合金化中碳非调质钢在小变形量条件下（＜10%）力学性能的变化以及晶内铁素体的变形机理研究十分匮乏，本项目围绕着微合金化元素对重型曲轴生产过程中组织性能的作用机理以及复合作用机理进行研究，取得了以下研究结果：.No.4（V-Ti-N微合金钢）和No.5（V-Ti-Nb-N微合金钢）实验钢，加热温度达到1250°C显微组织中还分别存在着富Ti第二相析出物(V, Ti)(C, N)和富Ti的(V, Ti, Nb)(C, N)，使奥氏体晶粒长大趋势明显低于其它实验钢。晶内铁素体的形核核心主要为MnS上长出的微合金元素碳氮化物，同时，析出物尺寸与Nb含量成良好的正相关关系。No.4实验钢棒材中由于加入了Ti元素，晶内铁素体含量增加明显，晶粒细化作用和铁素体的软化作用，使冲击功由41.7 J增加到49.2 J。No.5实验钢中加入了Nb元素，铁素体网尺寸细化同时铁素体含量升高，冲击韧性提高了6.2 J。.模锻条件下，实验钢的再结晶临界变形量约为6%，其中实验钢No.4和No.5较细。在曲轴实际生产中应将冷速控制在0.5°C/s以内，精锻变形量控制在20%以上。实验钢中的析出物和晶内铁素体符合Baker-Nutting位向关系，满足析出物诱导晶内铁素体形核的低错配度机理，在以析出物(V, Ti)(C, N)和(Ti, Nb, V)(C, N)颗粒作为核心形成铁素体时的表面能较低，从而促进了晶内铁素体的形成，Nb元素的影响不明显。对于不含Nb的No.4实验钢而言，当曲轴经过6%变形量的模锻变形后，以约（0.3℃/s，0.5℃/s）的冷却速率冷却后，实验钢的抗拉强度达到872.6MPa、屈服强度达到581.1MPa、冲击韧性达到48.6J，力学性能指标均达到曲轴用钢的力学性能要求。细晶强化和相变强化对屈服强度的贡献值能达到50~60%；析出强化对屈服强度的贡献值能达到20%~30%；固溶强化对屈服强度的贡献最小，仅为15%~20%。冲击韧性的影响机理主要取决于尺寸在50nm以上的析出相、团簇状V(C, N)析出相粒子数量及铁素体含量综合作用的结果，Nb元素的增加在冷速为0.3℃/s及以上容易导致析出相尺寸的增加和数量的增多，因此降低了韧性。