分享：Ti含量对低合金高强钢组织性能的影响

本钢集团有限公司，辽宁　本溪　117000

摘要: 低合金高强钢广泛应用于汽车板的加强件，为了更好地适应汽车零部件成形，改善屈强比，提高延伸率，文章探讨了不同含量的Ti对低合金高强钢组织性能的影响。结果表明，在热轧、冷轧工艺相同的条件下，随着合金元素Ti的含量增多屈服强度明显升高，Ti质量分数每增加0.01%，冷轧板屈服强度增大10~15 MPa，抗拉强度增加20~30 MPa，冷轧金相组织为F+(M-A)组元+B少量，随合金成分Ti含量升高，晶粒度变小。

低合金高强钢具有较高的强度、良好的成形性能和焊接性能，广泛应用于汽车板的加强件，但是在生产过程中也会出现屈强比低、难以控制等因素，使得厂家在冲压时不能满足要求。为了更好地适应汽车零部件成形，改善屈强比，提高延伸率，研究者发现在钢中加入铌、钒、钛等合金元素，通过晶粒的细化使得屈服强度提高，延伸率有所改善，从而更好的满足客户需求。本文通过控制Ti合金的加入量对再结晶奥氏体晶粒的细化进行探讨，从而极大地改善低合金高强钢的屈强比[1]。

1.   实验过程

1.1   实验钢的化学成分

影响低合金钢性能的因素有很多，其中合金成分是一个重要的因素，尤以Nb+Ti最为显著。针对实际生产情况，在热轧、冷轧工序工艺基本相同的条件下，对冷轧成品组织性能进行检验分析，从而得出不同含量Ti对钢性能的影响。几炉实验钢的主要化学成分及Ti含量见表1。

表  1  各炉钢化学成分（质量分数，%）

编号	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti
1#	≤0.07	≤0.5	≤1.5	≤0.02	≤0.008	≤0.05	0.005
2#	≤0.07	≤0.5	≤1.5	≤0.02	≤0.008	≤0.05	0.015
3#	≤0.07	≤0.5	≤1.5	≤0.02	≤0.008	≤0.05	0.025
4#	≤0.07	≤0.5	≤1.5	≤0.02	≤0.008	≤0.05	0.035

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1.2   各工序工艺情况

实验钢热轧工艺温度按照设定工艺执行。轧制出4块规格为3.0 mm×1550 mm的热轧卷。

连退加热温度、保温温度、缓冷温度、快冷温度，过时效温度控制在工艺设定范围内，成品厚度为1.5 mm，连退速度控制在100 m/min，具体工艺流程如图1所示。冷轧实际控制温度见表2。

图  1  连续退火工艺流程图

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表  2  冷轧实际控制温度

加热温度/℃	保温温度/℃	缓冷温度/℃	快冷温度/℃	厚度/mm
820±10	820±10	650±10	430±10	1.5

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1.3   组织及性能检测

冷轧连退生产成品卷后，在不同位置取样制作试样，在电子万能试验机上进行拉伸实验。金相试样进行样品打磨、抛光，用Lepera试剂腐蚀，利用光学显微镜、扫描电镜观察组织形态[3]。

2.   实验结果

2.1   力学性能

在冷轧卷中部位置取试样进行加工，分三个方向进行检验，每个方向取6个试样最后取平均值，研究各向异性，出厂性能和用户质保书性能主要是垂直轧向方向性能指标。

冷轧力学屈服强度、抗拉强度、延伸率性能检验均值见表3，三个不同方向检验性能见表4。从性能检验结果分析得出，出厂检验结果和技术中心取样检验结果相近。随着Ti含量的增加屈服强度和抗拉强度均增大，延伸率变化不大。Ti的质量分数每增加0.01%，屈服强度增加10~15 MPa，抗拉强度增加20~30 MPa。从试样的三个方向性实验来看，0°方向（平行轧向方向）屈服和抗拉强度最大，45°方向屈服和抗拉强度最小，屈服强度差值在10 MPa左右，抗拉强度在15 MPa左右，延伸率变化不大。

表  3  试样横向平均性能值

编号	屈服强度/MPa	抗拉强度/ MPa	延伸率A80/%
1#	480	630	21.5
2#	495	660	19
3#	509	679	19
4#	527	690	20

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表  4  试样三个方向性能平均值

编号	方向/（°）	屈服强度/ MPa	抗拉强度/MPa	延伸率A80/%
1#	90	480	630	21.5
	45	475	624	20
	0	487	639	21
2#	90	495	660	19
	45	490	651	18
	0	501	668	19
3#	90	509	679	19
	45	498	667	17
	0	515	688	18
4#	90	527	690	20
	45	517	677	17
	0	535	698	18

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2.2   金相组织

对不同Ti含量的试样进行金相观察，发现试样组织均为F+(M-A)组元+B少量，但晶粒度不同，1#12，4#13.9，并且Ti含量越多晶粒度越小、强度越大（图2）。图3为热轧卷曲温度600 ℃下热轧卷中的微合金析出物形貌及能谱分析。从图中可以看出析出物大多为几十nm到300 nm的(Ti,Nb)C，细化的晶粒可以阻止奥氏体晶粒长大，延迟热变形过程中的再结晶，改变再结晶动力学以及形成析出物[2]，从而提高材料强度并改善韧性。

图  2  不同Ti含量（质量分数）试样金相组织：（a）0.005%（1#）；（b）0.035%（4#）

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图  3  热轧卷曲温度600 °C下热轧卷中的微合金析出物形貌及能谱分析

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2.3   Ti元素强化机制

Nb、Ti合金元素的加入形成的氧化物、硫化物、碳化物和氮化物对钢的性能产生明显影响[3]，同时发现有少量的溶质对晶界或相界迁移有一定的影响。成形性和焊接性要求低含量的非金属夹杂，因此必须避免相对粗大的氧化物和硫化物的出现。而对于低合金高强钢来说提高屈强比的同时，要保证良好的延伸性和成形性，微合金化元素在热轧带钢生产过程的多面作用取决于它以固溶还是析出形式存在。在热轧过程中一方面要阻止晶粒长大与再结晶，另一方面要控制相变。合金元素的加入对于热轧的晶粒产生影响，热轧晶粒越小冷轧产品组织晶粒也细小，微合金化影响再结晶退火后的晶粒尺寸。随着Nb、Ti合金元素的加入量增多，强度也显著增强[4]。

3.   结束语

（1）在Nb含量固定的情况下，低合金高强钢随着Ti含量的增加强度逐渐增大，延伸率基本不变。Ti的质量分数每增加0.01%，屈服强度增加10~15 MPa，抗拉强度增加20~30 MPa。通过增加Ti含量解决低合金高强钢HC500LA级别以上的强度问题，提高屈强比，能够更好的适应市场需求。

（2）低合金高强钢表现出各向异性，其中与轧制方向平行方向的强度最大，45°方向最小，屈服强度差值在10 MPa左右，抗拉强度在15 MPa左右。

（3）冷轧板组织为F+(M-A)组元+B少量，晶粒度在10~14，并且随着Ti含量的增加晶粒逐渐减小、强度逐渐增大。