钛微合金钢研究现状及进展.pdf

第43卷 第4期 2023 年 8 月江西冶金Jiangxi MetallurgyVol.43,No.4Aug.2023 钛微合金钢研究现状及进展胡煜，赖朝彬，郑晓楠，罗迪强，邓庚凤（江西理工大学材料冶金化学学部，江西 赣州 341000）摘要：钛（Ti）微合金钢是通过添加微量元素Ti，以微合金化处理结合控轧控冷技术生产的一种新型钢种。文中从强化机制、热影响区第二相粒子及氧化物冶金工艺3个方面综述了Ti微合金钢的研究进展。对第二相粒子在钢中作用机理的研究表明，精准控制第二相粒子的尺寸、分布、形态、数量是Ti钛微合金钢研究的难点之一；第二相夹杂物诱导针状铁素体形核机理是Ti微合金钢开发的另一个技术难点。关键词：钛微合金钢；强化机制；第二相粒子；氧化物冶金；针状铁素体中图分类号：TG161；TG142.33 文献标志码：AResearch status and progress of titanium microalloyed steelHU Yu，LAI Chaobin，ZHENG Xiaonan，LUO Diqiang，DENG Gengfeng（Faculty of Materials Metallurgy and Chemistry，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China）Abstract:Titanium（Ti）microalloyed steel is a new type of steel produced by adding the trace element Ti，and microalloying treatment with controlled rolling and cooling technology.To provide the theoretical basis for the development of Ti microalloyed steel，the characteristics of Ti microalloyed steel are summarized from the reinforcement mechanism，second phase particles in the heat affected zone and oxide metallurgy process.Combined with the research status of Ti microalloyed steel，considering the mechanism of the second phase particles in steel，the precise control of particle size，distribution，morphology and the number of the second phase is one of the difficulties in the study of Ti microalloyed steel.The nucleation mechanism of inclusion-induced acicular ferrite is another technical difficulty in the development of Ti microalloyed steel.Keywords:titanium microalloyed steel；strengthening mechanism；second-phase particle；oxide metallurgy；acicular ferrite钛（Ti）元素是一种不可或缺的战略资源，在工业生产中占比较大。钢中添加 Ti 元素能提高钢的强度和韧性，同时还能实现钢结构的轻质化1。Ti 微合金化技术广泛应用于非调质钢、储罐用钢、耐磨钢及桥梁用钢等钢种，也应用于航空航天等高新科技领域2。本研究从Ti微合金钢的强化机制、第二相粒子类型及氧化物冶金工艺在 Ti 微合金钢中的应用等方面对 Ti 微合金钢的研究现状进行了综述，为后续工艺优化提供理论指导。收稿日期：2023-02-12基金项目：国家自然科学基金资助项目（52174316，51974139）；江西省重大科技研发专项资助项目（20194ABC28011）；江西省自然科学基金资助项目（20212ACB204008）作者简介：胡煜（1997），硕士研究生，主要从事钛微合金钢等方面的研究。E-mail：通信作者：邓庚凤（1971），博士，教授，硕士生导师，主要从事冶金物理化学以及钢铁冶金等方面的研究。E-mail：文章编号：1006-2777（2023）04-0298-08 DOI：10.19864/ki.jxye.2023.04.005引文格式：胡煜，赖朝彬，郑晓楠，等.钛微合金钢研究现状及进展J.江西冶金，2023，43(4)：298-305.第 43 卷 第 4 期胡煜，等：钛微合金钢研究现状及进展1Ti微合金钢概述Ti 微合金钢即 Ti 微合金化高强度低合金钢3（Micro-alloyed High Strength Low Alloy Steel），是近年来兴起的大规模应用于工程领域的结构用钢，在一般碳锰钢及普通高强度低合金钢中添加微量金属元素进行微合金化处理，并辅以控轧控冷工艺（TMCP）生产出来的新型钢材。钢中添加 Ti 进行微合金化处理，可产生细小弥散的 TiC、TiN 等第二相粒子，显著提升 Ti微合金钢的焊接性能4。Ti 作为钢中最常见的合金元素之一，通常以单一合金元素或钛-铌-钒（Ti-Nb-V）合金的形式添加至钢中。Nb、V、Ti均可与 C、N 元素结合生成含碳氮化物的第二相粒子，室温下 Nb、V、Ti 的物理参数如表 1 所列5，表 2 所列为 Nb、V、Ti 3 种微合金元素的综合力学性能6。Ti原子与 Fe 原子属性类似，且力学性能与 Nb、V 接近。通常在钢中添加 Nb、V、Ti 进行微合金化，但因 Nb、V 价格高，会无形中增加生产成本，故不适合工业化大规模使用。Ti 作为微合金化元素与 Nb、V 类似，具有析出强化和细晶强化效果，且储量丰富，价格较低7。因此，在钢中添加 Ti 进行微合金化处理，既可提高合金 钢 的 强 度 和 韧 性，又 能 有 效 地 降 低 生 产成本。2Ti微合金钢的强化机制Ti微合金钢的强化方式分为固溶强化、细晶强化、沉淀强化、相变强化4种，其中，沉淀强化和细晶强化起主要作用8。许多学者普遍认同“钢综合强化机理的修正加和法则9”，认为钢材的强度是由上述4种强化方式共同作用的结果。Ti微合金钢的屈服强度可由式（1）计算得出。y=o+s+g+p（1）式（1）中：y为屈服强度，MPa；o为晶格摩擦应力，约为50 MPa；s、g、p 分别为固溶强化、细晶强化、沉淀强化和相变强化的增量，MPa。其中，固溶强化增量的计算如式（2）所列10。s=ikixi（2）式（2）中：xi为第i个元素的质量分数，%；ki为第i个元素的固溶强化系数。细晶强化增量的计算如式（3）所列11。g=KHP-d-1/2 （3）式（3）中：-d为有效晶粒尺寸，mm；KHP为元素在15.118.1 N/mm3/2范围内的作用常数。沉淀强化增量的计算如式（4）所列12。=，j2，j 10.8f1 2aln a6.125 10-4（4）式（4）中：f为沉淀的体积分数的数值，单位%；a为相应沉淀的平均尺寸的数值，单位m。相变强化增量的计算如式（5）所列13。p115-L-1（5）表1室温下Nb、V、Ti的物理参数5元素TiVNbFe原子量22234126熔点/1 6701 9022 4681 538沸点/3 2603 3504 9272 750晶体点阵密排六方面心立方体心立方体心立方最小原子间距/nm0.289 560.262 220.285 850.286 64密度/（g/cm3）4.5066.0958.5817.850表2Nb、V、Ti的综合力学性能6元素TiVNb抗拉强度/MPa241190240维氏硬度/MPa1205580延伸率/%553950正弹性模量/GPa115.7127.6104.9切变弹性模量/GPa43.846.737.5泊松比0.3210.3650.397299江西冶金2023 年 8 月式（5）中：-L为平均板条宽度的数值，单位m。Lei等14以无铜高强度低合金结构用钢为研究对象，根据式（1）式（5）分别计算出在焊接热输入为20 kJ/cm的条件下，粗晶热影响区的强化贡献值占比为：g=42%，p=26%，=22%，s=4%，o=6%。上述结果表明，其强化方式以细晶强化为主、沉淀强化和相变强化为辅。2.1沉淀强化Ti微合金钢中第二相夹杂物的体积分数及析出粒子尺寸对沉淀强化有显著影响。沉淀强化的关键在于从微合金钢中析出的细小弥散第二相阻碍位错的迁移运动15。根据第二相沉淀和位错位置的不同，沉淀强化可以划分为“绕”“切”2 种机制，分别对应绕过机制（也称Orowan机制，是金属基体中常见的第二相颗粒阻碍运动中的位错继续运动的强化机制）、切过机制16。第二相晶粒尺寸对强化机制的影响如图1所示。当第二相晶粒尺寸小于临界尺寸（dc）时，主要为切过机制，相反则为Orowan机制。沉淀强化理论中普遍采用 Orowan 机制17，Orowan机制示意如图2所示。关建辉等18研究沉淀强化产生的原因，结果表明，当钢中析出纳米级的第二相粒子时，位错运动直接切过第二相，起沉淀强化效果；当第二相粒子尺寸较大时，位错会绕过第二相粒子形成位错环，导致强化效果随第二相晶粒尺寸的增大而降低。日本钢铁工程控股公司研制出一种可同时满足扩孔能力及伸长率要求的高拉伸纳米级强度钢19，在第二相晶粒尺寸分别为10 nm和1 nm的常规强化沉淀钢中，计算出第二相夹杂物的沉淀量与沉淀强化增量，验证了Orowan机制，当沉淀物尺寸为3 nm时，强化增量可达300 MPa。杜开平等20研究了Ti微合金钢中纳米级第二相沉淀物，结果表明，Ti微合金钢中第二相析出物TiC每增加0.01%（质量分数），可增加沉淀强化贡献77.1 MPa，表明控制TiC的第二相析出可显著提高Ti微合金钢的屈服强度。2.2细晶强化由式（3）可知，细晶强化的效果与第二相夹杂物的有效晶粒尺寸有关。Ti的碳氮化物在高温下溶解，当温度降低且发生较大变形时，Ti 的碳氮化物可在晶界位置处析出，阻碍晶界运动，起钉扎晶界的作用；在高温下，Ti 的碳氮化物还可抑制原奥氏体晶粒再结晶，避免奥氏体晶粒粗化21。因此，细晶强化提升了Ti微合金钢的强度及冲击韧性，是提高钢铁材料力学性能的重要强化手段。Cuddy22研究了微合金元素 Nb、V、Ti 对原奥氏体晶粒再结晶的抑制效果，Nb、V、Ti对原奥氏体晶粒再结晶的影响如图3所示。3种元素对原奥氏体晶粒再结晶的抑制效果由强到弱为 NbTiV。Nb元素既产生类拖拽效果，又产生第二相晶粒对晶界起钉扎作用，因此，Nb元素能有效抑制奥氏体晶粒再结晶，适用于未再结晶控制轧制工艺；V几乎不产生类拖拽及第二相晶粒钉扎作用，因此，V微合金钢适用于高温动态再结晶控制轧制工艺；Ti适用dc第二相晶粒尺寸/nmOrowan机制切过机制屈服强度增量/MPaO图1第二相晶粒尺寸对强化机制的影响析出粒子移动位错位错环图2Orowan机制示意17300第 43 卷 第 4 期胡煜，等：钛微合金钢研究现状及进展于再结晶与未再结晶控制轧制工艺，两者相互结合，细化晶粒效果显著。霍向东等23研究了Ti微合金钢中第二相粒子碳化物，第二相粒径分布如图4所示。结果表明，第二相粒子析出尺寸为15 nm的粒子占比为19.4%，析出粒子尺寸为200300 nm的粒子占比为27.9%，析出粒子尺寸偏大降低了钢的强化效果，需要改进工艺及优化成分设计进一步细化晶粒。2.3固溶强化固溶强化主要由弹性应力场相互作用产生，溶质原子进入基体晶体点阵中，造成晶体点阵畸变，畸变产生弹性应力场与位错周围的弹性应力场发生相互作用产生气团（如 Cottrell 气团、Snoek 气团），当溶质原子在位错周围形成稳定的气团时，位错要运动，需先挣脱气团的钉扎（非均匀强化），同时，还要克服溶质原子的摩擦阻力（均匀强化），因此，材料的强度得以提高24-26。Nb、V、Ti在钢中奥氏体区（）和铁素体区（）形成第二相碳化物的固溶度积公式如式（6）式（11）所列27-32。NbC、TiC、VN的固溶度积接近，在钢中产生相似的固溶强化作用。lg（w（Nb）w（C）=2.96-7 510/T （6）lg（w（V）w（C）=6.72-9 500/T（7）lg（w（Ti）w（C）=2.75-7 000/T（8）lg（w（V）w（N）=3.63-8 700/T（9）lg（w（Nb）w（N）=2.80-8 500/T（10）lg（w（Ti）w（N）=0.32-8 000/T（11）式（6）式（11）中，w（Nb）、w（C）、w（V）、w（Ti）、w（N）分别为处于固溶态的微合金元素Nb、C、V、Ti、N的质量分数，%；T为绝对温度，K。2.4相变强化相变强化是指通过控制相变过程提升热影响区强度、韧性等力学性能的一种强化方式。曹俊生33通过热模拟试验，研究了 Ti微合金钢 Q345B的热影响区组织性能，结果表明，Ti 微合金钢Q345B在不同冷却速率下的韧性相差较大，因为在不同的冷却速率下，热影响区产生了相变强化，第二相粒子诱导晶内针状铁素体形核，改善了热影响区焊接韧性。刘攀等34在Q345钢的焊接热模拟试验中发现，当冷却速率为40/s时，Q345的硬度急剧增大，表明其热影响区生成了较硬的马氏体组织，产生了相变强化。覃展鹏等35研究了Ti微合金钢Q420钢的相变过程及组织性能，Ti微合金钢Q420钢连续冷却转变曲线（SH-CCT曲线）如图5（a）所示。该钢种的主要组织为贝氏体组织，当冷却速率较高时，贝氏体组织转变为马氏体组织，生成的马氏体组织约占3%（体积分数）；当冷却速率较低时，生成的珠光体组织不超过10%（体积分数）。材料的焊接热影响区硬度及韧性综合性能稳定，具有良好的焊接性。曾威民等36研究了960钢的焊接组织性能，Ti微合金钢 960钢的 SH-CCT曲线如图 5（b）所示。随着冷却速率的加快，焊接热影响区依次发生贝氏体相变、马氏体相变，硬度逐渐提高，相变强化起主导作用。杨果煜37研究了Q890E钢焊接性能，Ti微合金钢Q890E钢SH-CCT曲线如图5（c）所示。焊接热影响区的硬度随着 t8/5（热影响区由 800 降温至500 需要的时间）的延长而降低，当 t8/5延长至100 s时，硬度不再下降，此时，组织为贝氏体。Ti微合金钢的强化方式说明钢的屈服强度与第二相粒子析出等因素紧密相关，继续对其强化方式进行研究是未来重点研究方向之一。0 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250微合金元素添加量/%1 0501 000950900850800750VTiNb再结晶终止温度/图3Nb、V、Ti对原奥氏体晶粒再结晶的影响2215粒子尺寸/nm3025201510505.47.519.4占比/%27.914.94.06.46.67.9510101818366096961401402002003003660图4第二相粒径分布23301江西冶金2023 年 8 月3Ti微合金钢中第二相分析Ti微合金钢中含Ti的第二相包括TiC、TiN、Ti（C,N）、TiS等粒子38，在生产过程中需对铁水进行预处理，因此，S含量较低，第二相粒子中几乎不存在TiS。3.1TiNTi 微合金钢中 TiN 的析出方式主要有两种：TiN在钢液中析出，此时的TiN未起到钉扎原奥氏体晶界的作用，同时，还降低了钢中的Ti含量，故应尽量避免钢液中析出TiN；在固态相变时析出TiN，在高温下析出的TiN具有良好的稳定性，粗化速率较慢，晶粒尺寸达到纳米级别，在Ti微合金钢中呈弥散分布，可起钉扎原奥氏体晶界、细晶强化的作用39。罗新中等40研究了不同轧制工艺对Q420B钢性能的影响，结果表明，Ti含量偏高易导致TiN粒子严重粗化，影响 Q420B钢的低温冲击性能。王伟光等41以强度为690 MPa的含Ti钢（与Q345钢对比）为例，研究了 Ti 微合金钢的焊接性能，结果表明，合金元素的优化设计及细小分布的 TiN 粒子对提高粗晶热影响区的低温冲击性能起关键性作用。李永良等42研究了Ti微合金钢中第二相粒子TiN的析出对原奥氏体长大的影响，结果表明，当热处理温度为 1 200 时，保温时间过长会导致TiN和奥氏体晶粒粗化，说明只有当TiN粒子达到一定尺寸时才能抑制奥氏体长大。Gong 等43研究了萃取碳复型技术对Ti微合金钢粗晶热影响区第二相夹杂物影响，结果表明，经焊接热模拟后，第二相粒子尺寸增大，数量减少，当Ti/N（m/m，下同）较低时，TiN粒子细小且弥散分布，在高温区TiN粒子未粗化且溶解度较小，对奥氏体晶界起钉扎作用并抑制奥氏体长大。Yan 等44研究了 TiN 夹杂物对Ti微合金钢焊接粗晶热影响区韧性的影响，设置了 3 种 Ti/N 的试验钢进行夏比冲击试验，结果表明，当温度为-20 时，Ti/N2.44的试验钢冲击功明显高于其他2组试验钢，结合热力学计算分析得出，当Ti/N3.42时，在高温下，Ti微合金钢粗晶热影响区中的TiN溶解率较低。因此，只有一定尺寸的TiN才能起细晶强化作用。3.2Ti的碳氮化物Ti在高温下与C、N元素结合生成Ti（C,N），化学式为Ti（CxN1-x），x表示01之间含C分子比。即在高（a）Q420钢35时间/s 10 100 1 0001 2001 000800600400200温度/Ac3=870 Ac1=750 t8/5/s：6 15 30 50 80 150 300 600203 208 198 201 188 202 194 190MHv/MPa：BP（c）Q890E钢37时间/s 0.1 1 10 100 1 0001 4001 2001 000800600400200温度/Ac3=870 Ac1=710 MBMs=485 247250239312243244284335341370352（b）Q960 钢361 10 100 1 000时间/s 1 000900800700600500400300200100温度/Ac3=868 Ac1=733 MB1 000 Ms=450 600 300 150 10 60 3020 6 4 3 t/s：Hv/MPa：注：Ac1为珠光体向奥氏体转变的温度；Ac3为转变为奥氏体的终了温度；Ms为奥氏体开始转变为马氏体的温度；B为贝氏体；P为珠光体；M为马氏体。图5Ti微合金钢SH-CCT曲线302第 43 卷 第 4 期胡煜，等：钛微合金钢研究现状及进展温区，若当N含量较高时，Ti（C,N）粒子特性接近 TiN；当C含量较高时，Ti（C,N）粒子特性接近TiC45。3.3TiCTiC为形变诱导析出，即在奥氏体变形过程中的相界面上及铁素体中沉淀析出46。纳米级的TiC以沉淀强化为主。可通过进一步研究Ti微合金钢第二相粒子TiC的尺寸、数量及分布等阐明其作用机理，提高钢铁的综合性能。Reip等47研究了Ti微合金钢中第二相粒子析出机理及对力学性能的影响，结果表明，当钢中析出的第二相碳化物晶粒尺寸小于10 nm时，析出强化和细晶强化起主导作用，能显著提高Ti微合金钢的强度和韧性。曹建春等48研究指出，在600 等温条件下，Ti微合金钢中析出的细小弥散分布的第二相 TiC 粒子，沉淀强化起主导作用。霍向东等49研究了TiC的析出行为，认为TiC粒子的析出方式有相间析出和弥散析出2种，且与铁基体呈现一种特殊的取向关系Baker-Nutting关系。陈建华等50绘制了Ti微合金钢第二相析出物TiC 的等温析出曲线，结果表明，当温度为 540640 时，区内TiC的析出速率最大，TiC在奥氏体中以针状析出，在铁素体中呈相间或弥散析出，在此温度区间内，Ti 微合金钢中第二相粒子TiC主要以沉淀强化为主。综上，Ti微合金钢中第二相粒子主要由 TiN、TiC 以及 Ti（C,N）组成。固态相变析出的纳米级TiN起细晶强化作用，液态TiN严重危害钢铁性能。TiC为形变诱导析出，析出方式为相间析出和沉淀析出，沉淀强化作用明显。4氧化物冶金技术在Ti微合金钢中的应用氧化物冶金工艺是新日铁公司提出来的一种新工艺，即通过钢中细小弥散的氧化物夹杂物控制Ti的碳氮化物析出，细化晶粒组织，提高钢铁的韧性。通过控制第二相粒子在晶界析出，钉扎晶界抑制粗晶热影响区原奥氏体晶粒长大；通过控制钢中第二相粒子的尺寸、分布、形状、数量，创造合适的条件以诱导晶内针状铁素体形核，从而提高材料的焊接性能51。钢的热影响区划分如图6所示。根据焊接热循环区域的不同，将焊接热影响区由焊缝到母材未受影响的区域划分为4个区52，其中，粗晶热影响区又称为过热区，该区域温度较高，金属粒子处于过热状态，奥氏体晶粒粗化严重，是焊接接头的薄弱环节。当焊接线能量较大时，晶内针状铁素体可改善热影响区焊接性能53。晶内针状铁素体以第二相粒子为核心，向周围延伸形核，因内部属于细长、互锁的独特结构，可抵御裂纹冲击，消耗位错运动所需要的能量，进一步提升了Ti微合金钢的韧性54-55。氧化物冶金技术主要解决在大线能量焊接时Ti微合金钢的焊接及冲击性能差的问题56-58。将“HTUFF”和“KST”技术应用于氧化物冶金工艺，结合炼钢过程中的热处理工艺，提高了钢铁的焊接性能，促进大线能量用钢的大规模应用59-60。有研究表明，在 Fe-Al-Ti-O体系下，Ti脱氧影响钢中第二相成分，在碳锰钢中加入Ti元素进行微合金化得到TiO，有效地促进了晶内针状铁素体形核；当Ti/Al为1/4 1/2时，Ti加入的时间越长，第二相粒子越容易发生改性，TiO逐渐转变为Al2O3，导致韧性下降61-62。Yuan等63以Ti-Mg钢为研究对象，通过实验发现，晶内针状铁素体不会在第二相粒子MgO处形核，由于MgO和TiO的错配度相差较小，TiO可在MgO的表层析出，提高了TiO的热稳定性，生成的Ti-Mg体系的第二相粒子可有效诱导晶内针状铁素体形核。Ma等64研究了Ti微合金钢中晶内针状铁素体的形核原理，结果表明，第二相夹杂物只有合适的形态、尺寸、数量及分布才能诱导针状铁素体形核。Zhu等65结合氧化物冶金思路，研发出利用强脱氧剂改善焊接热影响区组织的技术(ETISD 技术)，主要是以Ti为脱氧剂生成TiO，诱导晶内针状铁素体形核，改善钢的焊接性能。焊后实验钢横向纵向拉伸性能良好，-20 的低温冲击性能的平均值大于220 J，表明焊接粗晶热影响区的韧性较好，可经受大线能量焊接。邓小璇等66研究了Ti-Al复1 2 3 4O0.8 2 3.正火区4.部分相变区温度/2.过热区1.熔合区熔化金属1234Ac1Ac25007009001 1001 3001 500300100C含量/%温度/图 6热影响区划分52303江西冶金2023 年 8 月合脱氧钢中第二相粒子诱导晶内针状铁素体的形核机理，结果表明，控制低Al含量及中Ti含量，有利于晶内针状铁素体形核；第二相粒子与晶内针状铁素体的错配度较低，能有效降低晶内针状铁素体在第二相粒子表面形核时产生的能垒，促进针状铁素体形核。但并非所有的非金属夹杂物都能诱导晶内针状铁素体形核，胡志勇等67借助于高温共聚焦显微镜，开展了 Ti-Mn-Al-Si-O-S复合夹杂物诱导晶内针状铁素体的实验，结果表明，在冷却速率和温度固定的情况下，复合夹杂物可作为形核核心诱导晶内针状铁素体形核，但结构过于复杂，主要以 MnO-Al2O3-SiO2包裹 TiOx-MnO 及少量 MnS 的形式存在。氧化物冶金技术在Ti微合金钢中的应用研究表明，只有合适的形态、尺寸、数量及分布的第二相粒子才能诱导针状铁素体形核，从而有效提高钢铁的焊接性能。5结束语Ti微合金化技术的研究与应用是目前研究的热点课题之一。因Ti微合金化技术在应用过程中存在一些不足，如冲击性能和伸长率不稳定、钢板强度偏高、不合格率相对较高等，亟须明晰Ti微合金钢的相变规律及含 Ti 第二相夹杂物的析出行为，进一步明确夹杂物的形态、尺寸、数量分布等因素对晶内针状铁素体形核的影响，改善粗晶热影响区焊接稳定性，通过优化变形和热处理工艺改变奥氏体的晶粒度，进而提高Ti微合金钢的综合性能。参考文献：1 孙迪.含钒铁水钛、钒氧化的热力学分析D.包头：内蒙古科技大学，20142 杭子迪，冯运莉.钛微合金钢研究现状和发展趋势J.热加工工艺，2021，50(6)：22-253 张宏博，马涛，曹玉鹏，等.含钒钛钢研究现状及展望J.铸造技术，2018，39(6)：1384-1386，13944 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