冷却速率与钛含量对铌微合金钢热塑性的协同调控机制及断裂行为研究

本研究系统探讨了冷却速率(10/1 K·s?1)和钛含量(Ti/N比3-10)对Nb微合金钢热塑性(RA%)的影响机制。通过热模拟实验结合MatCalc模拟，揭示了700°C时晶界(GBs)先共析铁素体厚度、800-900°C时TiNb(CN)析出相特征与动态再结晶(DRX)行为的协同作用规律，为优化连铸工艺参数提供了重要理论依据。

　　

冷却速率与钛含量对热塑性的影响机制

热塑性低谷区的断裂行为

研究通过四种不同Ti含量（Ti/N比0-10）的Nb微合金钢，揭示了冷却速率（10 vs 1 K·s^?1）和Ti含量通过调控先共析铁素体形成与TiNb(CN)析出行为影响晶间开裂的机制。在700°C、800°C和900°C三个特征温度下进行热模拟试验，应变速率固定为0.001 s^?1。

关键发现显示，700°C时晶界处的薄膜状铁素体（厚度938-4668 nm）是裂纹萌生的主因。慢冷（1 K·s^?1）使S1钢铁素体层增厚397%，对应23%的热塑性恢复率；而高Ti钢S3因过量TiNb(CN)析出抑制了该效应。

析出相行为与动态再结晶的竞争

800-900°C区间，TiNb(CN)析出相特性主导热塑性变化：

• 慢冷促进粗大（>3 μm）多边形TiNb(CN)形成，减少微孔密度

• 快冷（10 K·s^?1）导致链状析出相（T4型）和亚微米级椭圆相（T6型），引发晶界微孔聚集

• S2钢（Ti/N≈5）展现出最佳综合性能，800°C时RA值达60%以上

MatCalc模拟与显微分析的互补

虽然MatCalc成功预测了TiN(P1)和NbC(P2)的相分数演变，但未能完全反映实际TiNb(CN)复合相的尺寸分布。电镜分析揭示：

• 1 K·s^?1冷却下，900°C时S1钢析出相与基体呈现完美共格（EDX显示Ti/Nb原子比稳定）

• 10 K·s^?1冷却导致析出相/晶界界面出现纳米级不连续区

工程应用价值

研究明确了Ti/N比≈5（S2钢）为最优化学计量比，其特点包括：

1. 1.

   平衡TiN对N的固定作用与NbC析出抑制

2. 2.

   慢冷条件下实现析出相尺寸（2852→3152 nm）与铁素体形态的协同优化

3. 3.

   在连铸矫直区典型应变速率（0.001 s^?1）下保持最高抗裂纹能力

该成果为开发高表面质量微合金钢连铸坯提供了关键工艺窗口参数，特别是冷却路径与微合金化设计的匹配准则。