《Materials Science and Engineering: A》：Stretch flangeability of hot-rolled Ti-Nb microalloyed steels containing tramp Cu, Sn and Sb
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高强钢微合金化中Ti/Nb比例与杂质元素对拉伸扩孔率的影响研究。通过设计Ti-rich和Nb-rich合金体系，系统考察Cu、Sn、Sb杂质对HER的作用机制，发现粗大TiN颗粒显著降低机械冲孔条件下的HER，而Sn/Sb在TiN/matrix界面偏析加剧裂纹扩展，导致电火花切割和未加工试样中HER下降，Cu则影响较小。采用3D-APT和第一性原理分析揭示了杂质元素界面偏析的机理。
李浩亨|张在宇|金正锡|金成伊|李大根|韩亨南|苏东宇
韩国浦项科技大学铁基与生态材料技术研究生院，浦项，37673
摘要
本研究探讨了掺杂微量元素对热轧高强度钢拉伸性能的影响，这些钢材添加了Ti和Nb进行微合金化处理。通过改变Ti/Nb的比例，设计了两种合金体系——富Ti体系和富Nb体系，以获得相似的拉伸性能，并系统地引入了微量元素。微观结构分析表明，富Ti合金中粗大的TiN沉淀物较多。当采用机械冲压方法制造孔洞时，富Ti合金的孔洞膨胀率（HER）低于富Nb合金；而使用线切割电火花加工（wire-EDM）时，这种差异消失，说明粗大的TiN在冲压过程中显著加剧了损伤的产生。此外，微量元素Sn和Sb的存在进一步降低了HER，即使在采用线切割电火花加工的样品中也是如此，这表明它们对材料的孔洞膨胀性能有负面影响，这种影响是由Sn和Sb在表面的偏聚引起的。另外，Sn和Sb有向TiN/基体界面偏聚的倾向，从而加剧了TiN对孔洞拉伸性能的负面影响。相比之下，Cu的偏聚程度较小，对HER的影响可以忽略不计。
引言
由于通过添加Ti和Nb等微合金元素实现了优异的强度-延展性平衡，高强度热轧微合金钢在汽车领域得到广泛应用[[1], [2], [3]]。除了具备适当的拉伸性能外，这些钢材还需保持足够的成形性以满足工业应用要求。例如，拉伸性能（通过孔洞膨胀率HER来评估）是确保成形过程中耐损伤性的关键指标[[4], [5], [6]]。
在微合金钢中，沉淀物的特性是理解其力学性能的主要微观因素[[1], [2], [3], 7]]，拉伸性能也不例外。粗大的TiN沉淀物在孔洞加工或膨胀过程中会由于与基体的硬度不匹配而成为裂纹的起始点[[5, 8]]。例如，Ma等人观察到高强度铁素体钢的拉伸性能较差，并将其归因于粗大的TiN[[9]]，许多其他研究也得出了类似结论[[10], [11], [12]]。这些研究支持了一种由沉淀物控制、裂纹扩展辅助的断裂机制，这对于获得理想的拉伸性能尤为重要。
与此同时，二氧化碳排放是钢铁行业面临的最紧迫挑战之一。减少钢铁废料排放的一个可行方法是提高废钢的回收利用率。然而，在炼钢过程中使用废钢会导致Cu、Sn和Sb等微量元素的浓度增加，而这些元素难以从熔融钢中去除[[13, 14]]。微量元素会在内部和外部界面偏聚，降低材料的粘结强度，从而促进界面断裂[[15], [16], [17], [18]]。例如，Ito等人发现Cu和Sn等微量元素会降低Fe的晶界粘结强度，可能对力学性能产生影响[[20]]。因此，微量元素的存在很可能会影响材料的拉伸性能，而拉伸性能对裂纹的起始和扩展非常敏感[[6, 21, 22]]。
特别是在Ti/Nb微合金钢中，微量元素对拉伸性能的影响更为显著，因为TiN/基体界面是孔洞加工和膨胀过程中的主要裂纹起始点，同时也是微量元素的潜在偏聚位置。最近使用三维原子探针断层扫描（3D-APT）的研究发现，Sn和Sb等微量元素会在沉淀物/基体界面（尤其是粗大沉淀物与体心立方（BCC）铁素体基体之间）发生偏聚[[23], [24], [25]]。这些发现表明微量元素可能在这些界面偏聚；然而，它们对拉伸性能等力学性能的影响尚未得到充分研究。即使对于在微合金钢中起关键作用的TiN，关于其在TiN/基体界面偏聚行为的实验研究仍然有限。
本研究旨在系统地阐明Ti和Nb添加形成的沉淀物与Cu、Sn和Sb等微量元素之间的相互作用，以及它们对拉伸性能（通过HER衡量）的综合影响。通过部分用Nb替代Ti来精心设计合金成分，得到了两种不同的合金类型：富Ti体系和富Nb体系。然后逐步向每种合金中添加微量元素以评估其影响。对富Ti和富Nb合金中的沉淀物性质和分布进行了表征，并评估了它们对HER的影响。为了更深入地了解沉淀物与微量元素之间的相互作用，采用了三维原子探针断层扫描（3D-APT）和第一性原理计算方法。这一理解为基于废钢的炼钢工艺提供了理论基础，即使在存在微量元素的情况下也能保持材料的拉伸性能。
材料与方法
所研究合金的化学成分见表1。T0系列代表未添加微量元素的基材，而T1（Cu, Ni）和T12（Cu, Ni, Sn和Sb）表示分别添加了Cu、Ni、Sn和Sb。尽管Ni通常不被认为是会对力学性能产生不利影响的微量元素，但仍然将其纳入T1和T12样品中，因为Ni常用于减轻Cu带来的不良影响（即“热脆性”[[26]]。
微观结构与拉伸性能
使用Thermo-Calc软件和TCFE9数据库计算了各合金的平衡相分数，结果如图2所示。由于缺乏Sn和Sb的热力学数据，T12-Ti和T12-Nb的平衡相分数未予展示。从图2可以看出，富Ti和富Nb合金中的Ti(C,N)和(Nb,Ti)C的总量相当。然而，富Ti合金中的Ti(C,N)含量高于(Nb,Ti)C，反之亦然。
微合金元素对HER的影响
当使用线切割电火花加工样品时，无论是否存在微量元素，Ti/Nb替代对HER的影响都很小（图12(b)），表明材料的固有孔洞膨胀性能几乎不受Ti/Nb替代的影响。另一方面，在采用冲压方法制造孔洞的样品中，富Ti合金的HER低于富Nb合金（图12(a)）。如前所述，两种不同孔洞制造方法之间的主要区别在于...
结论
本研究通过评估HER，研究了Ti/Nb微合金化以及Cu、Sn和Sb等微量元素对热轧高强度钢拉伸性能的影响。部分用Nb替代Ti减少了粗大TiN沉淀物在冲压过程中引起的损伤，从而提高了HER。相反，Sn和Sb的存在不仅降低了冲压样品的HER，还降低了无缺陷样品的HER。
作者贡献声明
李浩亨：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。
张在宇：方法论设计、实验研究、数据分析。
金正锡：实验研究、数据分析。
金成伊：结果验证、资源协调、方法论设计。
李大根：结果验证、资源协调、方法论设计。
韩亨南：项目监督、资源协调。
苏东宇：撰写修订稿、项目监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
