目前全球都在努力开发残余奥氏体量高的新钢种，用于那些需要高强度和高成形性能的汽车轻量化制造以及其他应用领域。Nb微合金化技术有可能提高诸如Q·P、TBF和中锰TRIP钢中残余奥氏体含量。本文在分析Nb微合金化原理的基础上，总结了Nb在稳定奥氏体方面的作用。关于Nb在组织细化和析出强化方面的优势已有公开报道，本文给出了在Q·P钢热轧模拟试验时Nb对提高残余奥氏体含量的影响。由于Nb的溶解和析出行为对化学成分和工艺敏感，Nb可能发挥的作用复杂；本文指出了Nb在热轧或冷轧后退火等工艺生产的不同产品中，以及在含或不含大量先共析铁素体组织情况下发挥作用的差异。

1前言

Nb微合金化技术被广泛用于改善许多类型钢的性能。而铌微合金化技术的成功应用，需要对控制钢的微观组织和性能的那些关键作用机制有着深入理解并加以运用。通常，这些作用机制包括铌的碳化物或碳氮化物Nb（C,N）的析出，从而在热变形后的相变过程中产生晶粒细化、铁素体析出强化、固定IF钢中的碳或氮、氢陷阱等作用。此外，作为溶质原子，Nb也可以发挥作用，比如对晶界和界面的影响，从而影响组织演变以及性能。而这些作用机制与钢的化学成分和工艺密切相关，大量的研究工作以及多年来的工业生产实践对Nb作用机制的成功应用发挥重要作用。

目前，钢材开发的过程中外部环境动态变化，尤其是来自汽车制造工业的压力，该行业要求在不久的将来能够使用更高强度水平，同时拉伸塑性和扩孔性能等成形性能更高的钢材。在过去10年，这些所谓的AHSS（先进高强度钢），包括DP（双相钢）、CP（复相钢）、TRIP（相变诱导塑性）钢，快速地出现在市场上，同时伴随着如热冲压硬化钢等相关技术的出现。近年来，已经出现如Q·P（淬火配分）、TBF（TRIP型贝氏体铁素体）、中锰TRIP、高锰TWIP（孪晶诱发塑性）等新理念，这些钢种正处在工业化生产的早期阶段。由于汽车工业对这类钢板有大量需求，这些理念聚焦在该领域，但不局限于汽车工业，甚至不局限于薄板产品。通常，合金设计和工艺方案的重点放在获得稳定或亚稳残余奥氏体的微观组织，利用C、Mn和组织细化作为稳定奥氏体机制。与典型的HSLA（高强度低合金）钢和管线钢不同，Nb微合金化技术在大多数这些理念的基本冶金设计方面还没有发挥核心作用，因此，到目前为止，涉及微合金化技术在这些钢种上作用的研究还非常有限。尽管如此，采用微合金化技术，有可能实现基本冶金设计不能实现的作用，因此，开始深入理解微合金化技术可能发挥的作用，这一点至关重要。本文旨在分析和对比现有的文献，总结Nb微合金化技术在现代钢和新一代先进高强度钢（特别是Q·P钢）的作用，对不同工艺条件下不同合金成分中可能作用的不同机制提出一些想法，同时给出正在开展的关于Nb对热轧Q·P钢板影响研究的前期结果。

2背景

有必要首先简单介绍Nb在如HSLA、DP和TRIP等现代钢种上的作用，以此作为通过微合金化提高新一代钢材性能的起点。

2.1 HSLA钢和CP钢

Nb微合金化技术已经应用在HSLA钢板上，包括热轧和冷却，而且包括可能通过罩式退火、连续退火或连续镀锌生产的冷轧钢板。在这类应用上，在热轧前的加热过程中Nb固溶，随后通过奥氏体热机械轧制（在低温精轧过程中Nb(C,N)在奥氏体亚结构上析出抑制奥氏体再结晶）实现组织细化以及在铁素体中析出强化，此时采用低温卷取，避免析出物粗化。尽管在罩式退火情况下，由于长时间保温导致细小的Nb(C,N)颗粒出现一些粗化，但是在冷轧和连退/连续镀锌后，这些细小颗粒的强化效果被保留下来。CP钢采用类似的作用机制，同时基本组织结构出现变化，组织中存在低温转变产物。在所有这些钢中，热轧前加热过程中保证Nb的溶解是合金设计和工艺制定的关键考虑，这是因为未溶解的Nb通常不能发挥这些关键机制，从而不能改善钢材性能。

2.2 DP钢和TRIP钢

DP钢由双相区冷却（热轧产品）或临界退火（冷轧产品）形成的铁素体和富碳奥氏体转变的马氏体组成。对于TRIP钢，在含Si/Al的钢中，双相区奥氏体转变成无碳贝氏体（CFB），同时残留大量的富碳亚稳残余奥氏体。研究已经证明Nb微合金化在这些钢中发挥有益作用。Nb抑制了冷轧后双相区退火过程中铁素体再结晶和奥氏体晶粒长大，实现组织细化，提高钢的成形性能和抗断裂性能，同时铁素体析出强化对拉伸性能以及翻边成形性能也发挥重要作用（降低铁素体和硬化相之间的强度差异）。对热轧钢材，Nb可影响奥氏体分解，加速相的分离，这是实现钢板在输出辊道上组织控制的关键因素。Nb也改变了富碳奥氏体的最终转变，通过奥氏体细化降低Ms点、影响贝氏体转变。Nb对相变的影响较为复杂，表现在Nb对铁素体形成的影响，从而影响奥氏体中碳的富集，进而影响相变。研究也表明，较高的Nb含量可以加速未再结晶的铁素体转变成奥氏体，从而显著提高双相区奥氏体体积分数。

2.3新一代钢

近年来，开始有大量的工作研究如何将Nb微合金化技术运用到下一代AHSS开发上。有些研究已经得出一些有吸引力的性能改善结果，一些工作系统性研究了Nb含量变化带来的影响。

2.3.1 TBF钢和Q·P钢

TBF钢，又称TRIP型贝氏体铁素体钢，用于描述在完全奥氏体化后通过“过时效”形成无碳化物贝氏体的组织。典型成分与许多TRIP钢和Q·P钢类似，通常含0.20%C，加入Mn提高淬透性，Si的加入抑制了Fe₃C析出。除了没有临界区铁素体外，TBF钢的生产工艺过程与TRIP钢相似，需要更高的退火（奥氏体化）温度，产生更高的强度。无碳贝氏体（CFB）和“TRIP-dual”实质上是相同的基本工艺的另一说法，其中过时效表示奥氏体回火（等温淬火）工艺。当过时效温度低于M_s，由于提高了从奥氏体化温度冷却过程中形成的马氏体量，情况稍复杂些，该工艺呈现出一步Q·P工艺的特点，其中过时效处理起配分处理作用，代替或补充等温淬火处理。在Q·P工艺中，淬火温度精确控制在Ms和Mf之间，获得部分马氏体转变之后，通过从碳过饱和的马氏体中配分碳而使奥氏体稳定，一步法指在淬火温度配分，而两步法指在更高的温度配分。

已经开展了一些对Nb在TBF钢中的作用的系统研究，其中值得提出的是，Sugimoto等人对Si和Si/Al TBF钢的研究、Hausmann等人对含少量Si（~0.8%）TBF钢的研究。过时效温度范围从高于Ms点（真实的等温淬火）到远低于Ms（突出了低温一步法Q·P工艺特点，在冷却至过时效温度的过程中马氏体转变更显著）。工艺过程包括热轧、模拟在600℃和650℃卷取、冷轧、在900℃或950℃奥氏体化、冷却（50℃/s）、在300-500℃之间的不同温度下过时效200s或不同时间、终冷。

两组研究均发现，Nb的加入导致退火温度下奥氏体细化，以及由于奥氏体细化加速奥氏体分解（冷却过程中铁素体形成）。没有摸清Al N在这类钢中的作用。对Nb微合金化钢，在贝氏体转变温度区间过时效温度下获得的铁素体，其形貌表现出更少的针状、更像粒状的特征，残余奥氏体形貌表现出更少的薄膜状、更多块状特征。重要的是，两组研究均发现残余奥氏体含量更高，但残余奥氏体中碳富集量不一定高（块状奥氏体碳的扩散距离更长，可能影响碳的富集程度）。研究发现，残余奥氏体体积分数和碳含量的乘积增加，这反映了碳对奥氏体稳定的综合作用，认为对下一代钢有利。尽管两组研究的重点不是渗碳体，但均认为渗碳体量的减少与Nb微合金化有关，这种可能性也对未来产品开发活动产生重要的启发作用，这是由于抑制Fe₃C析出是CFB钢和Q·P钢微观组织设计的核心。Hausmann等人仔细研究了NbC的溶解和析出行为，发现对于高Nb钢（0.045%Nb和0.09%Nb），热轧前NbC没有完全溶解，也发现冷轧后奥氏体化过程中没有出现明显的NbC溶解或析出，事实上，这是由于在热轧

条件下NbC完全析出（以及在奥氏体温度下低的溶解度）。在他们的研究中发现，加入0.025%Nb产生的析出效果最大。

Sugimoto等人研究了在高于和低于Ms温度过时效200s获得的TBF钢力学性能，而Hausmann等人研究的TBF钢过时效时间为30-600s。过时效前的冷却过程中铁素体转变加速，导致不连续屈服现象，有些情况下屈服强度增加。Sugimoto等人发现0.21%C、1.5%Si、1.5%Mn钢低温过时效（低于M_s），加入0.048%Nb使得抗拉强度（TS）增加，同时总伸长率（TEl）和扩孔率同步增加。这是由于Nb的加入产生富碳的残余奥氏体和细小组织，从而获得非常高的抗拉强度和扩孔率。NbC析出对强化的贡献还不太清楚，但应该承认与临界区退火的DP钢或TRIP钢相比，完全奥氏体化的组织中析出物的粗化程度要高，但还需要进一步研究。

采用两步Q·P工艺生产的Nb微合金化Q·P钢，重点是Q-P-T工艺，即淬火、配分和回火。在最早的工艺设计中，Q-P-T包括淬火至Ms和M_f之间的某一温度，然后进行碳配分，接着在更低的温度回火，在马氏体中析出转变的碳化物。在最近的Q-P-T工艺理念中，配分和回火工序合并成一个工序，所以工序本质上与Q·P相同，其中第二个工序是指配分-回火。在研究Q-P-T的文献中，着重强度了Nb微合金化析出的重要性。早期研究集中在含0.21%Nb和0.45%C钢，它具有非常高的强度以及良好的塑性（TS>2GPa、TEl>10%）。认为在400℃左右配分温度下在马氏体中析出的NbC颗粒能发挥强化作用。最近关于低C、低Nb钢（0.23%C、0.03%Nb）的研究表明，在400℃配分回火处理过程中形成的大量合金碳化物产生了析出强化作用。下面将进一步讨论这种工艺过程中Nb的析出。也应提出的是，尽管对最初的多步法Q-P-T工艺的研究没有像对配分和回火工序同时进行的改进型工艺那样广泛，但传统的Q·P之后进行马氏体回火（Q-P-T）工序，对在配分温度下形成大量“新”马氏体的情况而言可能存在特殊优势。

2.3.2中锰钢

中锰钢代表了又一类新一代AHSS钢。这些钢通常低C、高Mn（5%-10%）以稳定奥氏体，最近又加入Al改善退火性能。当中锰TRIP钢在相当低的温度下进行临界退火时，获得超细铁素体 残余奥氏体的混合组织，具有优异的强度和塑性组合。这些钢还处在开发的早期阶段，很少有研究涉及到Nb微合金化。尽管Nb应该能够通过铁素体强化和其他可能的机制发挥作用，工艺路线可能有时采用罩式退火作为中间工艺，以顺利完成冷轧。因此需要研究中间罩式退火对NbC析出强化的影响。

3 Q·P工艺过程中Nb的溶解和析出

NbC溶解度至关重要，Nb必须在热轧前固溶才能发挥有益效果。NbC溶解度与C和Nb含量均有关，同时还取决于温度。图1给出了在950℃、1100℃和1250℃下NbC在奥氏体中溶解度等温线。Q·P钢通常含0.25%左右的C，有些钢中含0.3%C或0.4%C。从图1可以看出，当加热温度为1250℃，0.20%C钢奥氏体中能溶解少于0.04%Nb，0.40%C钢奥氏体中能溶解少于0.02%Nb。当加热温度更高时，能溶解的Nb含量可能稍高些，但该含量代表了中碳钢中有效的最大Nb含量。需要提出的是，在奥氏体低温区，如950℃，NbC溶解度非常低，在铁素体中的溶解度甚至更低。因此，应该承认，这类钢在退火、镀锌、过时效、配分或回火过程中，平衡条件下固溶Nb的水平极低。图1中斜的“当量化学比”（虚线）代表Nb与C摩尔比1:1，它表明当NbC完全析出时，Nb也只能结合这类钢中少量的C，因此大多数C仍然发挥稳定奥氏体的作用。

尽管NbC在铁素体中的平衡溶解度低，但是它在热轧后低温卷取的过程中也可能没有完全析出。不过，在退火过程中析出可能完全或几乎完全。尽管对在完全奥氏体化温度下高温退火过程中形成的颗粒析出强化贡献还缺乏深入理解，但铁素体中析出可能带来析出强化效果。如果在早期析出完全，则不存在过饱和Nb，同时在配分温度400℃范围下析出动力学慢，认为不大可能在淬火后的配分过程中发生大量NbC析出。不过，这一观点目前还没有解决，需要进一步研究。这一分析也适合于TBF钢的析出行为，其中任何与Nb析出强化相关的析出物都可能是在最终的奥氏体回火阶段之前形成的。尽管研究发现NbC在贝氏体中析出，但前提条件是在低C、高Nb钢中存在大量的过饱和（1250℃再加热），同时在580-600℃这样高的温度下发生贝氏体转变。这些条件都比

分别适用于TBF钢或Q·P钢的奥氏体回火或配分条件更加有利于NbC析出。近期对其他微合金化系统的贝氏体钢的研究认为，尽管在贝氏体转变过程中碳氮化物析出受到抑制，但是微合金化元素对强化仍然有贡献，它是通过抑制低温转变组织的回复实现的。

上面给出的分析结果说明微合金化元素在新一代钢中的作用可能相当复杂。应在溶解度分析的基础上小心地选择Nb的加入，而且当比较热轧带钢或钢板产品与冷轧镀锌Q·P钢，以及比较临界退火和完全奥氏体化冷轧Q·P钢时，NbC析出顺序可能稍微不同。对热轧带钢和钢板，Nb可能通过奥氏体调节实现组织细化、通过尤其在淬火前形成的铁素体中析出实现强化。需要研究热轧后低温析出量，而且这种工艺条件不可能

导致任何颗粒粗化。对冷轧产品，退火后应该几乎完全析出，实现组织细化和析出强化。仍然需要研究在900℃或950℃完全奥氏体化后剩余Nb的析出强化贡献。对这类钢，也需要进一步研究如NbC对氢致延迟断裂行为影响等其他相关作用。

4研究进展

目前在实验室开展了Nb微合金化在Q·P钢中的作用研究。钢的基本成分为0.2C-2.0Mn-1.5Si，加入0.021%Nb或0.044%Nb，开展了热轧板Q·P工艺模拟。试验钢化学成分见表1。进行了多道次热轧和精轧的Gl eebl e扭转模拟试验，随后模拟了Q·P钢在275℃、325℃、375℃卷取温度下的卷取冷却（计算的M_s温度约400℃）。模拟过程中采用快速冷却，抑制卷取前冷却过程中先共析铁素体形成。由于在热轧卷模拟时配分是一个非等温过程（其中卷取温度代表淬火温度及初始配分温度），在卷取温度范围出现CFB/Q·P混合组织，在更低的温度下Q·P特征越明显。

利用电子背散射衍射（EBSD）测量残余奥氏体含量，结果见图2。由于EBSD空间分辨率的限制，导致薄膜状残余奥氏体测量结果偏低，但是试验用试样尺寸小，无法采用X射线衍射法测量残余奥氏体分数。残余奥氏体分数是反映组织演变的一个重要指标。测量结果表明，在375℃温度卷取时残余奥氏体分数最大。在该温度下卷取时，与不含Nb的基本成分钢相比，两种Nb微合金化钢的残余奥氏体分数都明显提高，表明Nb微合金化在这类Q·P钢中有着潜在优势。导致这种行为的机制还不清楚，不过，在另外两个卷取温度下，Nb对残余奥氏体体积分数的影响就不明显。研究仍在继续，其中也考虑了其他工艺路线。

5结语

本文研究了Nb微合金化对新一代先进高强度钢的微观组织和性能的影响。必须根据溶解度选择Nb的加入量，当比较热轧带钢或钢板产品与冷轧镀锌Q·P钢，以及比较临界退火和完全奥氏体化冷轧Q·P钢时，NbC析出顺序可能稍微不同。对热轧Q·P钢，Nb可能通过奥氏体调节实现组织细化、尤其通过在淬火前形成的铁素体中析出实现强化。对冷轧产品，退火后应该几乎完全析出，不可能在淬火的奥氏体回火或配分过程中发生析出。利用两种Nb微合金化钢开展的热轧Q·P工艺模拟研究表明，在375℃温度卷取时，随着Nb加入量增加，残余奥氏体量增加。

（杨雄飞）