黄耀1，赵爱民2,3，杨靖波 1 ，王旭明1，韩军科1，党会学1
（1.中国电力科学研究院, 北京100192; 2.北京科技大学冶金工程研究院, 北京100083; 3.
现代交通金属材料与加工技术北京实验室, 北京100083）
摘要：利用光学显微镜和力学性能测试方法，研究了不同N含量下热轧结构钢组织和力学性能差异；同时采用透射电镜和化学物相分析的方法，观察和分析了第二相粒子的形态和分布情况。结果表明，对结构钢中增N可有效促进纳米碳化物的析出，从而制备出抗拉强度达815 MPa、总伸长率达23%的超高强输电铁塔钢；当N增加至4.2 ⨯ 10-4 时并不明显降低冲击韧性，-40 ℃冲击条件下冲击功为33.3 J/mm2。N含量增加能明显促进V(C,N)的析出和析出物尺寸的细化，同时减小V(C,N)相间析出的排间距，提高1~10 nm粒子的体积分数, 从而提供最强的析出沉淀强化作用，提高钢的力学性能。 关键词：V(C, N)；输电铁塔钢；析出强化；相间析出
中图分类号：TG162.83 文献标志码：A文章编号：
Effect of N content on microstructure and mechanical properties of high
pvod
performance transmission tower steel
信息台HUANG Yao 1, 2, 3, ZHAO Aimin 2, 3, YANG Jingbo1, WANG Xumin1, HAN Junke1, DANG
Huixue1
(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China；2. Metallurgical Engineering轻工科技
Research Institute, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
3.Beijing Laboratory for modern transportation advanced metal materials and processing
technology, Beijing 100083, China)
Abstract:Microstructure and mechanical properties of hot rolled structure steel with different nitrogen content was studied by using optical microscopy and mechanical test, meanwhile, an investigation on morphology and distribution of the secondary nano-meter carbides was conducted by using transmission electron microscopy and chemical phase analysis. The result shows that the addition of nitrogen greatly promote the precipitation of V(C,N) in austenite and ferrite and a high performance transmission tower steel with tensile strength 815 MPa and total elongation 23% is obtained. The im
pacting energy does not obviously decreases when the nitrogen content is increased to 4.2 ⨯ 10-4, whose value is 33.3J/mm2 at -40 o C. The addition of N content can significantly promote V(C,N) precipitation and the refinement of precipitate size, while reducing V(C,N) spaced rows of interphase precipitation and increasing the volume fraction of nano-meter size carbides (1~10 nm), thereby improving mechanical properties of transmission tower steel by maximum precipitation hardening.
Key words: V(C, N); transmission tower steel; precipitation strengthening; interphase precipitation 近年来，我国电力事业的高速发展，对输电铁塔结构设计、钢材强度提出了更高的要求。在输电铁塔中使用高强结构钢，采用符合全寿命周期的管理理念，既有明显的技术经济效益和社会效益，又有利于提高我国输电线路的建设水平和工程质量。为使高强钢能够在输电铁塔中得到广泛应用，开发新一代的高强高韧的新型结构钢至关重要[1]。目前，钒微合金化被广泛的应用在汽车大梁钢、建筑结构钢和高强桥梁钢上，但是单纯加钒，V系高强低合金钢中仅有少量的V以V(C,N) 纳米粒子碳化物的形式沉淀析出，其余固溶在基体中或者形成合
收稿日期: 2014-08-28；修订日期:2014-09-10
基金项目: 国家自然科学基金(No.51308519) ，中国高校博士点专项基金(No. 20110006110007)
作者简介：黄耀(1985－), 男，博士研究生，中级工程师，从事先进汽车用钢研发及电网材料的防腐研
究，发表论文10余篇，电话：+86-151********，E-mail:taohua-daozhu@163。
金渗碳体，对强度没有明显贡献，其微合金元素V的有效利用率较低[2-5]。V系高强低合金钢中N含量增加，提高了V(C,N)的析出动力学，促进了纳米粒子碳化物在奥氏体区中的析出[6-8]，析出相细化，且析出物体积分数也有所提高。高密度细小弥散的V(C,N)硬质相以绕过机制阻碍变形时的位错运动，从而有效强化了基体的强度。目前，国内外对V-N系结构钢的研究中，主要集中在N含量（质量分数）小于2.6 ⨯ 10-4时对钢的组织和性能的影响[9-12]，本文则系统研究了不同N含量(质量分数在5.5 ⨯ 10-5 ~ 4.2 ⨯ 10-4)对输电铁塔结构钢组织和力学性能的变化，并成功开发出了815 MPa、总伸长率达23%的超高强铁塔用结构钢。
1 实验材料及方法
实验用钢采用25 Kg真空冶炼炉冶炼，化学成分见表1，通过添加氮化硅铁增氮（其中硅含量≥60%（质量分数），N含量≥30%（质量分数），其余为铁和杂质）。铸锭经锻造后在320轧机上经六道次热连轧轧制成7.5 mm厚热轧板。
表1 实验钢的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of experimental steels （mass fraction,%）No. C Si Mn P S N Alt V Fe
1# 0.09 0.18 1.65 0.004 0.005 0.0055 0.015 0.098 Bal.
2# 0.10 0.17 1.57 0.004 0.006 0.0160 0.013 0.11 Bal.
3# 0.10 0.16 1.70 0.005 0.005 0.0280 0.016 0.11 Bal.
4# 0.10 0.27 1.80 0.006 0.007 0.0420 0.015 0.13 Bal.
为探讨结构钢中N含量增加对热轧工艺的敏感程度，采用六道次热连轧轧制方式，轧制工艺为：板坯加热温度1150 o C，保温1 h后开轧，开轧温度为1100 o C，轧制终轧温度为950o C，六道次轧制厚度变化依次为60-40-30-20-15-10-7.5 mm，轧后水冷，冷速约为20 o C·s-1，卷取温度600 o C，等温1 h后随炉自然冷却。在锻坯料上切取φ4×10 mm的圆柱形试样在淬火热膨胀仪上进行静态相变规律研究；随后平行于轧制方向切取拉伸试样，垂直于钢板轧制方向切取冲击试样。拉伸实验依据《GB/T 228-2002金属材料室温拉伸实验方法》在CMT-4105型万能实验机上进行。冲击实验按照《GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击实验方法》在JB-30B型冲击实验机上进行。金相试样经机械研磨抛光后选用4%硝酸酒精进行侵蚀，利用光学显微镜进行金相组织观察。TEM试样采用碳膜复型方法制取，利用JEM-2100高分辨电镜观察析出物的形貌。用萃取分离的方法对钢中析出物进行相分析，采用5%KCl（体积分数）+0.5%（体积分数）柠檬酸水溶液进行了析出相的电解萃取，电流密度为0.025~0.03 A/cm2，用K ratky小角测角仪测定析出相的粒度分布。
2 结果与分析
2.1 N含量对静态相变点和连续冷却组织的影响
在淬火热膨胀仪上进行了静态相变试验，研究N含量对结构钢在连续冷却过程中相变
表2 N含量对静态相转变点的影响
Table 1 Effects of different Nitrogen contents on static phase transformation point
No. Ac3 (o C) Ac1 (o C) Ms (o C)
1 92
2 732 453
2 937 747 449
3 935 760 444
4 931 728 446
大，而贝氏体在不同冷速下的相变区间则是随N含量增加先逐渐减小，后有少量增加，在
不同冷速下，贝氏体形成温度均低于600 ℃，在较高冷速下（30℃）随N含量增高，贝氏体的形成温度逐渐下降。N含量对Ms点的影响不大，如表2所示，从表2可知，N含量对静态相变点的影响，主要表现在对Ac1的影响上，N含量在一定含量下（< 3.0 ⨯ 10-4）, Ac1点随着N含量的增加而增加，当N含量继续增加时，Ac1点反而下降。
图1 不同N含量下的CCT曲线(a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#
Fig.1 CCT curves of different Nitrogen contents (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4# 图2 为不同N含量对0.5℃/s冷速下的静态相变组织的影响，由图2可知，N含量为50~100 ⨯ 10-6时，在0.5℃/s冷速下的室温组织为准多边形铁素体（少量魏氏体）+珠光体+贝氏体，N含量大于1.0 ⨯ 10-4时，组织基本上为等轴铁素体+珠光体，其中白的为铁素体组织，黑的为珠光体。由于随N含量增加，V(C,N)将会以VN方式析出，从而减少了奥氏体中C元素的消耗，奥氏体中碳含量的增高会促进碳扩散系数的增大， 渗碳体的形核速率增大，先共析渗碳体析出的孕育时间缩短，析出速度增大。珠光体转变的孕育期亦随之缩短，转变速度增大，转变量增加。根据之前计算结果[8]，N含量增加会让原本不易于在奥氏体中析出的V(C,N)有部分析出，同时铁素体中的析出也增加，析出量随N含量增加而增大。在奥氏体-铁素体转变期间，奥氏体中析出的V(C,N) 一方面随N含量增加, 在奥氏体区析出的V(C,N)含量大大增加，从而有效阻碍了奥氏体晶粒长大；另一方面，先析出的V(C,N)以及后析出的V(C,N)会形成奥氏体/铁素体相变时铁素体的形核中心，提高铁素体的形核率，同时相间析出的V(C,N)又阻碍了铁素体晶粒长大，这两个机制综合作用从而大大细化铁素体晶粒。由图2可知，随N含量增加，铁素体晶粒明显细化，且能看出很多未充分长大的极为细小的铁素体核心[8, 13]。
图2 0.5℃/s 冷速下的静态相变组织 (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#
Fig.2 Microstructure of transformation at cooling rate 0.5℃/s (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#
2.2 N 含量对结构钢力学性能影响
表3为不同N 含量对输电铁塔结构钢的力学性能和冲击韧性的影响，由表3可知，钢的屈服强度和抗拉强度随N 含量增加而不断增加，2~4#钢的屈服强度与1#钢相比分别增加了163、287和392 MPa ，抗拉强度分别增加了62、173和264 MPa 。总的伸长率则随N 含量增加而不断下降，从28.2%不断降低至23.1%，这是因为随析出强化增加，钢韧性会有一定程度损害，需要指出的是，4#钢的抗拉强度可
达到815 MPa, 其总的伸长率为23.1%，其
表3 N 含量对结构钢的力学性能和冲击韧性的影响
Table 3 Effects of nitrogen content on mechanical properties and Charpy impact energy of beam-steel
No YS / MPa UTS / MPa TEL / % Akv / J -40 o C 0 o C 20 o C 1
453 551 28.2 30.7 72.7 81.6 2
516 613 26.8 20.7 42.0 60.0 3重竞技
640 724 24.7 31.3 55.3 87.0 4 745 815 23.1 33.3 43.4 77.3
Note: YS —yield strength, UTS —tensile strength, TEL-total elongation and Akv – Charpy impact energy. 力学性能优良。实验也同时测定了-40、0和20 ℃条件下的冲击功，由表可知，夏普冲击功随N 含量提高先降低再升高而后继续降低的趋势，与2#钢和4#钢相比，3#钢的夏普冲击功在0 ℃和20 ℃相对较优，4#钢的冲击韧性相对较差，但其在-40 ℃时，冲击韧性相对较优。这是因为3#钢中V 、N 满足氮化钒析出的理想配比，N 以V(C,N)的形式有效析出，导致最终基体中固溶N 含量也较少，对
冲击功的影响较小，从而冲击功出现一个峰值，2#钢中V 、N 偏离氮化钒理想配比，细化铁素体晶粒效果不如3#钢，因此，冲击韧性在不同温度下均不如3#钢；4#钢中N 大大超过氮化钒理想配比，过多的游离N 会降低冲击韧性，但是氮添加较多时，奥氏体中析出的较多的V(C,N)，从而使铁素体晶粒组织明显细化，又提高了冲击韧性，同时V(C,N)在铁素体中析出的增加起到了很好的沉淀强化作用，两个作用叠加的结果是4#钢冲击功与3#钢相比，冲击功有少量的降低，但屈服强度却增加了近100MPa 。
2.3 输电铁塔结构钢的强韧化机理 (c) (d) (a) (b)
(d)
pax铁素体珠光体钢的晶格摩擦力，固溶强化，细晶强化，位错强化和析出强化对屈服强度的贡献可以通过下式表示 [14, 15]：
0y S G D P σσσσσσ=∆+∆+∆+∆+∆ (1)全国人民代表大会设立民族委员会
其中，Δσy =总的屈服强度，Δσ0=纯铁的晶格摩擦力，ΔσS ，ΔσG ，ΔσD 和ΔσP 固溶强化，细晶强化，位错强化和析出强化对屈服强度的增量。总的屈服强度的组成如下：
低合金钢的晶格摩擦力 [16]，
0=∆σ48 (2)
不同元素的固溶强化对铁素体基体屈服强度的增量和如式3 [14, 17]所示，其中，每个元素表示其在铁素体中的固溶量：
SS =4570 C+32 Mn+83 Si +4570 N + 678 P ∆σ (3)
计算过程中，计算的单位采用wt%，其中，强碳化物形成元素V 被忽略了。钢中的C 含量一般分两种情况计算，即在N 含量较低时，有珠光体存在，则C 含量为0.0218% (铁素体中的最大固溶量)，1~4#钢经热轧后组织中珠光体的含量较少，因此，被估算为 0.01%。另外，自由N 含量约为0，这是由于N 和V 在奥氏体中易形成VN 或V(C,N)颗粒析出。综上，固溶强化对屈服强度的增量约为125 MPa 。
细晶强化的增量表示如下，
G =f y k d ∆σ-1/2 (4)
其中， k y =17.4 MPa mm 0.5 [18, 19]， d f 是测量的铁素体的平均晶粒尺寸。
位错强化的增量表示如下[14, 20]：
D = ∆σα (5)
其中，G 是剪切模量(8.3×104 MPa)，α 是计量系数 (α=0.435)，b 是位错柏氏矢量 (0.248 nm)，ρ 是位错密度(m -2)。目前，热轧铁素体钢的位错密度约为 5×1013 m -2 [21].
析出强化的增量如式(6)所示 [22, 23]:
P ∆σ (6)
其中，M 泰勒系数 (M=2)，Γ位错线张力 (约为 Gb 2)，f 析出物的体积分数，b 是位错柏氏矢量 (0.248 nm)， R S 纳米尺寸碳化物的半径。由于f 难以确定，析出强化通过下式估算:
0P Exp S G D σσσσσσ=-∆-∆-∆-∆ (7)
其中σExp 是实验测得的屈服强度。
为了分析N 对输电铁塔结构钢中碳化物的沉淀析出强度的影响，图3定量分析了各种强化机制对屈服强度贡献比例的影响，由图3可知，N 加入细化了组织晶粒，又提高了沉淀析出强化，1~4#钢中细晶
强化和析出强化对屈服强度的贡献值分别为155、201、218、241 MPa 和67、84、183和273 MPa 。由此可知，当N 含量较低时，如1、2和3#钢，钢中的屈服强度的最大贡献值为细晶强化，而当N 含量增加至4.20 ⨯ 10-4时，4#钢中的屈服强度的最大贡献值为析出强化，其细晶强化居其次，这也说明了N 含量增加，可以提高纳米碳化物在钢中的沉
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