Ti、Nb微合金化－100℃级别低温钢连续冷却转变曲线研究

周千学 黄海娥 杨志婷

（武汉钢铁（集团）公司研究院 湖北 武汉：430080）

通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等生产、储存容器和输送管道以及在寒冷地区服役的设备，称为低温容器，制造这些容器所用的钢，统称为低温钢。随着石化工业的发展，气体的液化、分离、贮运在各国已普遍应用，这些低温技术和设备的开发促进了低温压力容器用钢的发展［1－2］。3.5Ni钢是国际上含Ni系列低温用钢中的一种，在上世纪60年代就已开始将其应用于能源及石化设备的制造，使用温度一般在－80℃～－101℃，是输送低温液体介质的理想管道材料。它的价格也仅为不锈钢管的1／3左右，故其有很好的市场前景［3－4］。

以往关于Ti、Nb微合金在HSLA钢中的应用以及对热处理工艺、力学性能、组织变化有不少研究报道［5－6］，但对于 Ti、Nb微合金化－100℃级别的镍系低温钢在不同冷却条件下的显微组织与性能变化规律，迄今研究尚少。钢的过冷奥氏体连续冷却转变（CCT—Continuous Cooling Transformation）曲线图，可较好地模拟实际生产条件，所以它能够为制订实际生产工艺提供参考。本文研究了一种添加Ti、Nb微合金的－100℃级别低温钢的CCT曲线和冷却速度对组织的影响。

1 试验材料和方法

试验钢在50kg真空感应炉冶炼，浇注成钢锭，将钢锭装入加热炉，均热温度为1200℃，加热时间为180分钟。出炉后，在500mm的两辊轧机上进行轧制。轧制成的试验钢板尺寸为16mm×200mm×Lmm。试验钢的化学成分见表1。

表1 试验用钢的主要化学成分（wt%）

从16mm厚的轧态板上取料，轧向取样，加工成φ3mm×10mm标准的热模拟试样，在Formastor－F型热模拟试验机上根据标准YB／T5128－93《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法（膨胀法）》进行连续冷却试验，冷却速率分别为0.1、0.2、0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、100℃／s。同时按标准 YB／T5127－93《钢的临界点测定方法（膨胀法）》的要求，进行了升温和降温过程的相变温度测试试验（Ac、Ar点的测试升降温度为0.05℃／s），绘制试验钢静态CCT曲线。采用金相法对不同冷速下的试样进行组织观察，用PME3光学显微镜观察分析不同冷却速度条件下的组织形貌，用FV－700型显微维氏硬度计测定不同冷速下试样的显微维氏硬度，测试压力为5kg，在每个试样上测试5次，取平均值。

2 试验结果及讨论

2.1 相变点

随着温度的变化，钢铁材料将发生热胀冷缩的现象。但当钢发生固态相变时，常伴随体积的不连续变化，从而引起热膨胀的不连续变化，因而热膨胀曲线在相变发生的温度处曲线的斜率发生变化。根据此变化，就可以比较容易地确定各相变点。该－100℃级别的低温钢的典型膨胀曲线如图1。

图1 2℃／s冷却速度下试验钢的膨胀曲线

从图1可以看出曲线上有四个拐点，对应的温度分别为693℃、642℃、627℃、541℃，结合不同冷速条件下试样的金相组织观察，2℃／s冷却速度下试样组织为铁素体、珠光体及贝氏体，因此可以确定铁素体开始温度及结束温度分别为693℃、642℃，珠光体开始温度及结束温度分别为642℃、627℃，贝氏体开始温度及结束温度分别为627℃、541℃，同理可以确定及一系列冷却条件下相变开始温度及结束温度，具体情况见表2；试验钢的Ac3、Ac1温度值是在0.05℃／s升温情况下测出的，Ac3及Ac1温度值分别为801℃及675℃。

表2 试验钢相变点及组织

2.2 不同冷速条件下的显微组织及硬度

不同冷速条件下的部分显微组织照片见图2，试样的金相组织表明：冷速在小于0.5℃／s时，试样组织主要为铁素体＋珠光体，随着冷却速率的增加，贝氏体开始出现并随冷速的增加而增多，珠光体的量开始减少，当冷却速率大于2℃／s时，珠光体基本消失，即不发生珠光体相变，组织为铁素体＋贝氏体，以铁素体为主，即提高冷却速度可以一定程度上减轻带状组织；随着冷却速率的继续增加，贝氏体含量逐步增加，铁素体含量逐渐减少，但即使冷却速率为100℃／s时，组织仍然以铁素体为主，同时试验未观察到马氏体组织；另外，随着冷却速率的增加，铁素体晶粒逐渐细化；当冷却速率小于5℃／s时，随着冷却速度的增加，铁素体晶粒的形状由多边形向准多边形演变。冷却速率超过5℃／s时，继续增加冷却速率，铁素体晶粒的形状变化不明显。

维氏硬度测试结果表明：试样的硬度值基本上随着冷却速率的增加而增大，维氏硬度由155逐步增加到199，这与组织观察的结果相符；冷速小于5℃／s时，随着冷速增加，铁素体晶粒的细化，增加试样的强度和硬度，当冷速在1℃／s，组织变为准多边形铁素体＋细小的珠光体，珠光体条带有所减轻，硬度有较明显的提高，冷速在3℃／s时，贝氏体组织的产生，硬度又出现明显的增加，进一步提高冷速，样品的组织种类没有变化，但铁素体逐步减少，硬相组织贝氏体增多，硬度逐步增加，在100℃／s达到最大值，快速冷却可以提高钢板的强度和硬度。结果见表3。

2.3 连续冷却转变曲线

结合金相组织和维氏硬度，根据降温膨胀曲线可确定不同冷速下对应的过冷奥氏体相变温度，依据文献［7］提出的方法，绘制出相应的CCT曲线，如图3所示，图中冷却曲线下面的数字为冷却速度。由图3可知，当试验钢以不同速度连续冷却时，过冷奥氏体会析出铁素体和发生珠光体转变（A—F＋P）以及贝氏体转变（A—F＋B），但即使在100℃／s的冷却条件下，试验钢也未发生马氏体转变；随着冷却速度的增大，铁素体转变开始温度呈下降趋势，珠光体的转变温度变化不大。

钢的CCT曲线与奥氏体中的合金元素有关。本试验钢添加的合金元素有：Ni、Mn、Si、Mo、Ti、Nb，这些元素增加了γ相的稳定性，使C曲线右移；C含量的降低将使C曲线左移，降低了γ相的稳定性，有利于铁素体的形成。与共析钢标准的CCT曲线相比，本试验钢的铁素体转变温度明显提高，表明C含量的降低对γ相的稳定性影响更为显著，降低C含量将有利于先共析铁素体的生成；由于先共析铁素体的析出可以促进珠光体的形成，另一方面珠光体转变的冷却速度的范围有限，导致珠光体开始转变的温度比较稳定。

图2 试验钢不同冷速的显微组织

表3 不同冷速下硬度值

在本试验钢中加入的Ni、Mn等合金元素能减小奥氏体和铁素体的自由能差，减少了相变的驱动力，因而降低奥氏体向铁素体的转变温度，同时这些合金元素降低了C的扩散速度，Si能阻止铁素体的脱溶，对贝氏体也有较大的推迟作用。Ti、Nb、Mo等合金元素能使奥氏体向铁素体和珠光体转变的孕育期延长，这是因为珠光体转变时，碳及合金元素需要在铁素体及渗碳体间进行重新分配，由于合金元素的自扩散慢，并且降低碳的扩散速度，因此使珠光体的形核困难；Ti、Nb、Mo等强碳化物形成元素能增加奥氏体与铁素体的自由能差，增大向铁素体转变的驱动力，可缩短奥氏体向贝氏体转变的孕育期。

图3 试验钢的CCT曲线

3 结论

（1）采用热膨胀法绘制了一种添加Ti、Nb微合金的－100℃级别低温钢的的过冷奥氏体连续冷却转变（CCT）曲线。

（2）当冷却速率小于5℃／s时，随着冷却速度的增加，铁素体晶粒的形状由多边形向准多边形演变。冷却速率超过5℃／s时，继续增加冷却速率，铁素体晶粒的形状变化不明显。

（3）随着冷却速度的增大，铁素体转变开始温度呈下降趋势，珠光体的转变温度变化不大。

［1］邱正华，张桂红，吴忠宪，等.低温钢及其应用［J］.山东理工大学学报，2003，（5）：43－46.

［2］秦晓钟.压力容器用钢技术进展［J］.压力容器，2002，（4）.

［3］机械工程手册（第二版）［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［4］张 勇.低温压力容器用钢的现状与发展概况［J］.压力容器，2006，23（4）.

［5］颜晓峰.含铌16Mn钢的奥氏体晶粒粗化和NbC固溶析出行为［J］.钢铁研究学报，2000，12（2）：51.

［6］DeArdo A J.铌在钢中物理冶金基本原理.铌·科学与技术［M］.北京：冶金工业出版社，2003.

［7］徐 光，王 巍，张鑫强.金属材料CCT曲线测定及绘制［M］.北京：化学工业出版社，2009.