钢铁材料的使用性能主要分为强度和韧性两大类,在钢铁材料研发过程中始终遵循一个原则:在提高材料强度的同时不损伤材料的韧性。在研发的过程中经常采用提高钢铁材料强度的方式有细晶强化和沉淀强化等。利用细晶强化开发的钢种的颗粒直径最低只能达到3-5μm,而利用沉淀强化开发的钢种的颗粒直径可以达到纳米级大小。研究者采用微合金化技术在钢铁材料中加入Ti、Nb、V等微合金元素使之与钢铁中含有的C、N等元素结合成M(C、N)化合物,然后在基体上析出产生沉淀强化。采用微合金碳氮化物沉淀强化方法不但可以提高材料的强度,而且可以保持其韧性,因此是一种提高钢铁材料使用性能的有效方式。在这样的理论指导下,本设计的研究目的是:在铁素体基体上有微合金碳氮化物析出(析出相),在满足上述要求下争取在铁素体基体上能析出尺寸小于10nm的第二相粒子。为了达到研究目的决定在钢中添加Ti、Mo等微合金元素,通过对大量文献的总结设计出实验用钢的化学成分,然后在东北大学RAL实验室进行了实验用钢的冶炼和开坯粗轧。通过模拟轧制析出物的研究实验,证明了在铁素体基体上析出尺寸低于10nm的第二相粒子的可能性。(1)利用热力模拟试验机,在轧后不同的冷却速度下(2℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s、30℃/s、40℃/s),试样经过一系列工艺(加热到1200℃,变形温度940℃,双道次压缩变形量50%),测定了实验用钢的动态CCT曲线和静态CCT曲线,为实际轧制工艺的制定提供了理论依据。分析CCT曲线发现试样中相变开始温度大约在600℃左右。通过对动态CCT曲线试样的金相组织观察以及扫描电镜观察,发现随着冷却速度的升高,试样内生成不同的组织,试样内首先有大量的铁素体、少量珠光体生成和粒状贝氏体,然后逐渐大量出现贝氏体组织,最后试样内部的组织为大量的贝氏体和少量的铁素体。结合CCT曲线以及试样内部的组织,制定轧后控制冷却的冷速为10℃/s。(2)利用热力模拟试验机,在变形温度为940℃,冷却速度为10℃/s,保温温度分别为580℃、600℃、620℃、640℃,变形量为30%的工艺下对试样进行了模拟轧制析出物的研究的实验。通过对实验试样进行透射电镜观察,发现了不同于传统上第二相粒子在晶界上析出的析出行为,在铁素体基体上析出了尺寸为30-50nm的析出物TiN和大量的尺寸低于10nm的析出物TiC,同时析出物的析出方式有相间沉淀和弥散析出两种方式。在晶粒内部含有大量的位错,并且这些位错由于细小析出物对其运动的阻碍作用呈“弯曲状”。(3)在对钢材的实际热轧实验中,采用加热到1200℃,开轧温度为1100℃,终轧温度为800-900℃左右,保温温度为600℃左右,轧后冷却速度为10℃/s的工艺,把钢坯轧制成3mm厚的板材。对板材进行力学性能的测试,检测到材料的屈服强度最高可以达到470MPa,抗拉强度可以达到580MPa。通过计算得出析出强化对钢材屈服强度的增量在160-180MPa之间,此时试样内部的组织为铁素体和贝氏体,参考YoshimassFUNAKAWA等人在对热轧薄板中纳米级(C、N)化物析出物研究中给出了析出强化增量与析出物尺寸的关系,得出钢材内部对钢材屈服强度增量有影响的析出粒子的尺寸大约在7-8nm之间。然后对抗拉强度和屈服强度最高的试样进行透射电镜观察,发现试样中析出了大量呈弥散分布的并且尺寸低于10nm的第二相粒子,符合了上述理论计算的结果(实验钢材经过一系列的控轧控冷工艺可以在铁素体基体上得到低于10nm的微合金碳氮化物第二相粒子)。