Palmiere[7,8]等用原子探针场离子显微镜的原子探针测量再加热后的淬火试样，推导出以下公式：
1张志建，男，博士，工程师，从事材料开发和材料成形，zhangzhijian@
板坯加热温度对高强度汽车大梁钢性能的影响
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弥散分布的碳氮化合物。 武钢在 2010 年研制开发了 WL700 大梁钢。该大梁钢以 Nb 和 Ti 为主要强化元素，通过轧制工艺的优
化，实现了抗拉强度 700MPa 级别超细晶粒钢的批量生产和应用。本文以 WL700 为对象，研究了板坯加热 温度变化时第二相的溶解与析出，以及由此引起的组织与性能的变化规律。
利用 Nb 微合金化技术，通过热机械轧制(TMCP)获得超细晶粒，是生产高强度、高韧性热轧大梁钢的 主要途径。Nb 与 V、Ti 的微合金化相比，既能提高钢的强度，又改善了钢的韧性。每增加 0.01%Nb 约可获 得 8~14MPa 的强度增量，并使钢的韧—脆转变温度下降[2]。在高温再结晶奥氏体区，Nb 的作用主要是抑制 奥氏体再结晶，并提高再结晶停止温度。在低温非再结晶奥氏体区，Nb 提高 Ar3 温度，并增加奥氏体—铁 素体形核。终轧后加速冷却及卷取过程，通过 Nb(CN)的共格析出及伴随的位错亚结构进行强化。轧后的强 化效果与此时呈固溶状态的 Nb 的浓度有关。为了更好的发挥 Nb 的析出强化作用，首先需要将 Nb 的碳氮 化物溶解到奥氏体中，只有在奥氏体中充分固溶和均匀化的微合金元素才能在随后的轧制和冷却过程中形成
36
2 号钢卷 成分 2 1248
35
3 号钢卷 成分 1 1209
47
4 号钢卷 成分 2 1312
37
1.4 轧制与卷取工艺
轧制在武钢的 2250mm 轧机上进行，板坯加热到设定温度后进行粗轧，经 7 道次的精轧后冷却卷取。 轧制时的粗轧出口温度、精轧出口温度及卷取温度分别为：1080±20ºC，860±20ºC，560±20ºC。终轧后采用 前段层流冷却的方式将带钢冷却到卷取温度。
lg[Nb][C] = 2.96-7510/T lg[Nb][C+12/14N] = 2.26-6770/T
Nordberg & Aronsson[4]
(1)
Irvine et al[5]
(2)
图 6 是根据公式绘制的溶解度曲线。微合金元素以及碳、氮含量增加时，溶解温度升高。对于 WL700
的合金设计，含碳量为 0.07%时，根据式 1、式 2 计算的完全溶解 0.065%Nb 的奥氏体化温度在 1125～1200°C
(a) 1 号钢卷 1272ºC；(b) 2 号钢卷 1248ºC；(c) 3 号钢卷 1209ºC
板坯加热温度对高强度汽车大梁钢性能的影响
50 40 30
1272oC 1248oC 1209oC
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Number of Precipitates
20
10
图 3 2 号钢卷析出物成分的能谱分析
0
板坯加热温度对高强度汽车大梁钢性能的影响
张志建 周祖安 赵江涛 冉 广
（武钢研究院，武汉 430080）
摘 要 本文实验研究了板坯加热温度对 700MPa 级高强度汽车大梁钢组织性能的影响。检测了经不同加热温度均 热后轧制的试验钢的显微组织和力学性能。试验结果显示，加热温度升高后微合金元素的溶解充分，轧制后第二相 析出物更加弥散，数量增多，是试验钢强度提高的主要原因。通过理论公式计算与实验结果相结合的方式，确定了 大梁钢的板坯加热温度。1 关键词 汽车大梁钢 700MPa 析出强化 加热温度
Influence of Slab Reheating Temperature on the Property of High Strength Automotive Beam Steel
Zhang Zhijian Zhou Zuan Zhao Jiangtao Ran Guang
(Research & Development Center of Wuhan Iron & Steel (Group) Corp., Wuhan, 430080)
2.1 显微组织与力学性能
采用 1272ºC、1248ºC 以及 1209ºC 三种不同的加热温度对板坯重新加热，轧制后钢卷的金相组织照片如 图 1 所示。可以看出，三种工艺钢卷的显微组织均为铁素体和贝氏体，而且组织形貌相似，晶粒均匀细小， 平均晶粒尺寸在 5μm 左右。因此，三种板坯加热温度对晶粒尺寸的影响较小，这也说明在该温度区间奥氏 体并未出现异常长大。
1.5 试验分析
在钢卷的尾部取样，进行了拉伸试验，并采用光学显微镜和透射电镜进行了显微组织观察，研究加热温 度变化对钢板显微组织和力学性能的影响规律。
2 试验结果与分析
大梁钢中的微合金元素以固溶和析出两种形式存在，相比较而言，析出物形式比固溶态形式对热机械轧 制过程的微观组织影响更为显著。对于大多数工艺，希望热轧前微合金化元素能够完全地溶解，从而保证再 结晶或非再结晶奥氏体、γ/α 相变过程中以及铁素体中的析出控制。文献[3]表明，热轧带钢的强度和溶解态
图 1 不同加热温度下试验钢的显微组织
(a) 1 号钢卷 1272ºC；(b) 2 号钢卷 1248ºC；(c) 3 号钢卷 1209ºC
用透射电子显微镜对析出相的形貌及分布做了观察。从图 2a 可以看出，加热温度较高时，析出物数量 众多，弥散均匀分布。大部分析出相的尺寸细小，相互距离小于 0.2μm，小于平均晶粒尺寸，这些相是冷却 过程中在铁素体内弥散析出的碳氮化合物。少数较大的析出相尺寸达到 300nm，应该是钢板在加热时未溶解 的碳氮化合物，在缓冷过程中长大得到产物。加热温度降低时，弥散析出相的平均尺寸较大，数量减少（图 2b）。当加热温度降低到 1209ºC 时，图 2c 显示钢卷的细小析出相基本消失，以粗大析出相为主。图 3 的能 谱成分分析表明，析出相以 Nb(C,N)，Nb-Ti(C,N)的复合析出为主。
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第八届（2011）中国钢铁年会论文集
Nb 的含量基本呈线性相关关系，提高溶解态 Nb 的含量可以增加屈服强度和抗拉强度。WL700 大梁钢的强 度级别达到了 700MPa，为了降低成本，合金成分设计时并未增加合金元素种类。因此，需要充分利用微合 金元素 Nb、Ti 的强化能力来达到高强度，板坯在重新加热时既要保证其中的微合金元素能充分溶解，又要 防止奥氏体晶粒过快长大。
2.2 Nb 的碳氮化物在奥氏体中的溶解
微合金碳氮化物的奥氏体化温度取决于微合金元素以及 C、N 的含量，可以用溶度积来确定微合金的碳
氮化物是否能在铁基体中处于固溶状态。碳氮化物第二相的平衡溶度积公式在理论研究及生产应用中有重要
的指导作用，常见的 Nb 的碳化物、碳氮化物溶解时平衡温度 T(K)与成分之间的关系如下所示：
减轻车重、降低油耗、减少环境污染和提高安全性一直是现代汽车性能研究的重要课题。汽车每减重 10%，油耗可降低 8%，排放下降 4%[1]。从 20 世纪 90 年代开始，减轻汽车自身质量和提高有效负载能力， 降低汽车的制造和运输成本，已经成为汽车发展的趋势。对于载重汽车工业，主要通过提高结构件的钢板强 度，减小板厚来实现汽车轻量化。目前，抗拉强度 590MPa 级的钢板已经成为重卡汽车大梁用钢板的主流。 汽车公司正积极推进使用更高强度的汽车钢板，汽车大梁向着单梁或复合梁减厚方向发展。
对透射电镜照片做了析出相图像定量分析，根据第二相质点的面积确定了析出相的等效直径。三种加热 温度下析出物的尺寸分布如图 4 所示，加热温度高时析出物数量较多，平均直径在 105nm 左右；随温度的 降低，析出物数量减小，平均直径增大到 112nm 和 179nm。
图 2 不同加热温度下试验钢的析出物形态(TEM)
1.3 板坯加热温度
板坯的加热方式为常规的室温重新加热方式，设计了 4 种不同的板坯加热温度，板坯在均热段的加热温 度范围为 1200～1310ºC，实测的温度和均热时间如表 2 所示。
项目 成分 均热段温度/ºC 均热时间/min
表 2 板坯在加热炉中的成分及加热制度
1 号钢卷 成分 1 1272
Soaking Temperature /oC
Strength /MPa
1300 1200 1100 1000 900 800
1#度
900
拉伸强度
800
700
600
500
400
300
200
100
2#
3#
Steel Coiler
0 4#
图 5 试验钢强度与板坯加热时均热温度的关系
之间。M.Nishida[6]等人建议，在平衡温度下加热保温时，Nb 溶解不完全；应该将板坯加热到比平衡温度稍
高的温度，例如提高 50°C，此时 Nb(C,N)可以完全溶解，奥氏体晶粒也不会明显长大。根据这样的计算，1175～
1250°C 是合适的加热温度；但是图 2b、图 2c 的试验结果显示，在此温度区间 Nb 的溶解并不充分。
0
40
80 120 160 200 240 280 320 360
Mean Diameter of Precipitates /nm
图 4 三种试验钢析出物尺寸分布
图 5 为热轧钢卷拉伸性能的检验结果，拉伸方向垂直于轧制方向，图中还绘制了板坯的加热温度。从图 中可以看到，加热温度对拉伸性能有明显的影响，加热温度升高时，拉伸强度增加。当加热温度从 1209ºC 提高到 1272ºC 时，拉伸强度的增幅在 100MPa 左右。考虑到加热温度变化时轧后晶粒尺寸变化较小，细晶 强化对试验钢的强度贡献基本相同，因此析出强化是试验钢强度变化的主要因素。
C 0.072 0.060
Si 0.231 0.206
Mn
S
P
Nb
Ti
1.81