blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2026-1-23-30blackmet-3013Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEИсследование влияния системы микролегирования и параметров термодеформационной обработки на прочность низкоуглеродистых сталейEffect of microalloying system and thermo-deformation treatment parameters on the strength of low-carbon steelshttps://orcid.org/0009-0002-3491-6589ДагманА. И.DagmanA. I.

Алексей Игорьевич Дагман, к.т.н., руководитель экспертного направления дирекции по разработке новых технологий процесса

Россия, 398040, Липецк, пл. Металлургов, 2

Aleksei I. Dagman, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Expert Direction of the Directorate of Development of New Process Technologies

2 Metallurgov Sqr., Lipetsk 398040, Russian Federation

dagman_ai@nlmk.comКолдаевА. В.KoldaevA. V.

Антон Викторович Колдаев, к.ф.-м.н., директор Научного центра физико-химических основ и технологий металлургии

Россия, 105005, Москва, ул. Радио, 23/9

Anton V. Koldaev, Cand. Sci. (Phys.–Math.), Director of the Scientific Center for Physico-Chemical Foundations and Technologies of Metallurgy

23/9 Radio Str., Moscow 105005, Russian Federation

a.koldaev@chermet.netНауменкоВ. В.NaumenkoV. V.

Виталий Владимирович Науменко, к.т.н., руководитель программ Дирекции по исследованиям и разработке новых продуктов

Россия, 398040, Липецк, пл. Металлургов, 2

Vitalii V. Naumenko, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Program of the Directorate of Development of New Process Technologies

2 Metallurgov Sqr., Lipetsk 398040, Russian Federation

naumenko_vv@nlmk.comhttps://orcid.org/0000-0002-8396-9217АрутюнянН. А.ArutyunyanN. A.

Наталия Анриевна Арутюнян, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина; научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Россия, 105005, Москва, ул. Радио, 23/9

Россия, 119991, Москва, ул. Ленинские горы, 1

Nataliya A. Arutyunyan, Cand. Sci. (Phys.–Math.), Senior Researcher, I.P. Bardin Central Research Institute of Ferrous Metallurgy; Research Associate, M.V. Lomonosov Moscow State University

23/9 Radio Str., Moscow 105005, Russian Federation

1 Leninskie Gory Str., Moscow 119991, Russian Federation

naarutyunyan@gmail.comМатросовМ. Ю.MatrosovM. Yu.

Максим Юрьевич Матросов, к.т.н., заместитель директора На­­учного центра качественных сталей

Россия, 105005, Москва, ул. Радио, 23/9

Maksim Yu. Matrosov, Cand. Sci. (Eng.), Deputy Director of the Scientific Center for Quality Steel

23/9 Radio Str., Moscow 105005, Russian Federation

mmatrossov0368@gmail.comДьяконовД. Л.D’yakonovD. L.

Дмитрий Львович Дьяконов, старший научный сотрудник

Россия, 105005, Москва, ул. Радио, 23/9

Dmitrii L. D’yakonov, Senior Researcher

23/9 Radio Str., Moscow 105005, Russian Federation

aberkas@yandex.ruПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»РоссияPJSC “Novolipetsk Metallurgical Plant”Russian FederationЦентральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. БардинаРоссияI.P. Bardin Central Research Institute of Ferrous MetallurgyRussian FederationЦентральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина; Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияI.P. Bardin Central Research Institute of Ferrous Metallurgy; M.V. Lomonosov Moscow State UniversityRussian Federation2026020320266912330Copyright © Дагман А.И., Колдаев А.В., Науменко В.В., Арутюнян Н.А., Матросов М.Ю., Дьяконов Д.Л., 20262026Дагман А.И., Колдаев А.В., Науменко В.В., Арутюнян Н.А., Матросов М.Ю., Дьяконов Д.Л.Dagman A.I., Koldaev A.V., Naumenko V.V., Arutyunyan N.A., Matrosov M.Y., D’yakonov D.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/3013

Низколегированные низкоуглеродистые стали широко востребованы при изготовлении объектов различного назначения благодаря превосходному сочетанию их служебных и технологических свойств. Стремление производителей к наиболее экономному использованию материальных ресурсов обуславливает актуальность поиска оптимальных химических составов и соответствующих технологических режимов. В статье представлены результаты исследования произведенного в лабораторных условиях горячекатаного проката низкоуглеродистых сталей, микролегированных Nb, Ti, V и Mo в различных сочетаниях и концентрациях. Для исследования структурного состояния использовали методы оптической и электронной микроскопии. Проведен анализ влияния режима завершающего этапа термодеформационной обработки в зависимости от системы микролегирования на структурное состояние, в том числе образование наноразмерных фазовых выделений разных типов, реализацию механизмов упрочнения и, соответственно, механические свойства проката. Различное сочетание значений температуры конца горячей прокатки, скорости охлаждения до температуры смотки и температуры смотки с системой микролегирования приводит к реализации разных механизмов упрочнения. При высоких скоростях охлаждения в сталях с молибденом формируется микроструктура бейнитного феррита, однако межфазные выделения не успевают образоваться. Для сталей, микролегированных ванадием, эти скорости не препятствуют выделению карбидов по межфазному механизму, поскольку из-за малого размера атом ванадия обладает большей диффузионной подвижностью по сравнению с ниобием. Количество межфазных выделений в сталях, микролегированных Nb – Ti, намного меньше, чем в сталях с молибденом. Выделений, образовавшихся в аустените, также больше в случае комплексного Nb – Ti – V – Mo микролегирования. Повышенные температуры конца прокатки и смотки способствуют реализации механизма дисперсионного твердения благодаря межфазным выделениям. При слишком низких значениях этих температур диффузионная подвижность атомов при охлаждении смотанного рулона низкая, что ограничивает выделение наноразмерных выделений в количестве, достаточном для эффективного дисперсионного твердения.

Low-alloyed low-carbon steels are widely used in the manufacture of objects for various purposes due to the excellent combination of their service and technological properties. The desire of manufacturers to use material resources in the most economical way determines the relevance of searching for optimal chemical compositions and corresponding technological modes. The article presents the results of a study of hot-rolled low-carbon steels microalloyed with Nb, Ti, V and Mo in various combinations and concentrations produced in laboratory conditions. Optical and electron microscopy methods were used to study the structural state. An analysis was made of the influence of the final stage of thermo-deformation treatment and the microalloying system on the structural state, including formation of nanosized phase precipitates of different types, implementation of strengthening mechanisms and, accordingly, the mechanical properties of the rolled products. Different combinations of the values ​​of temperature of hot rolling end, the cooling rate to the coiling temperature, and the coiling temperature with the microalloying system lead to implementation of different strengthening mechanisms. At high cooling rates in steels with molybdenum, the microstructure of bainitic ferrite is formed, but interphase precipitates do not have time to form. For steels microalloyed with vanadium, these rates do not prevent the precipitation of carbides by the interphase mechanism, since due to the small size vanadium atom has a higher diffusion mobility compared to niobium. The amount of interphase precipitates in Nb – Ti microalloyed steels is less than in steels with molybdenum. The amount of precipitates formed in austenite is also greater in the case of complex Nb – Ti – V – Mo microalloying. Elevated temperatures of the rolling end and coiling contribute to implementation of the precipitation harde­ning mechanism due to interphase precipitates. At too low values ​​of these temperatures, the diffusion mobility of atoms during cooling of the wound roll is low, which limits the formation of nanosized precipitates in an amount sufficient for effective precipitation hardening.

низколегированные низкоуглеродистые сталипредел текучестипредел прочностиморфология ферритадисперсионное твердениенаноразмерные выделениямежфазные выделениякарбидные выделенияlow-alloyed low-carbon steelsyield strengthtensile strengthferrite morphologyprecipitation hardeningnanosized precipitatesinterphase precipitatescarbide precipitatesReferencesKvackaj T., Bidulská J., Bidulský R. Overview of HSS steel grades development and study of reheating condition effects on austenite grain size changes. Materials. 2021;14(8):1988. https://doi.org/10.3390/ma14081988Kvackaj T., Bidulská J., Bidulský R. Overview of HSS steel grades development and study of reheating condition effects on austenite grain size changes. Materials. 2021;14(8):1988. https://doi.org/10.3390/ma14081988Belato Rosado D., De Waele W., Vanderschueren D., Hertelé S. Latest developments in mechanical properties and metallurgical features of high strength line pipe steels. International Journal of Sustainable Construction and Design. 2013;4(1):1–10. https://doi.org/10.21825/scad.v4i1.742Belato Rosado D., De Waele W., Vanderschueren D., Hertelé S. Latest developments in mechanical properties and metallurgical features of high strength line pipe steels. International Journal of Sustainable Construction and Design. 2013;4(1):1–10. https://doi.org/10.21825/scad.v4i1.742Zaitsev A., Arutyunyan N. Low-carbon Ti-Mo microalloyed hot rolled steels: Special features of the formation of the structural state and mechanical properties. Metals. 2021;11(10):1584. https://doi.org/10.3390/met11101584Zaitsev A., Arutyunyan N. Low-carbon Ti-Mo microalloyed hot rolled steels: Special features of the formation of the structural state and mechanical properties. Metals. 2021;11(10):1584. https://doi.org/10.3390/met11101584Baker T.N. Titanium microalloyed steels. Ironmaking & Steelmaking. 2019;46(1):1–55. https://doi.org/10.1080/03019233.2018.1446496Baker T.N. Titanium microalloyed steels. Ironmaking & Steelmaking. 2019;46(1):1–55. https://doi.org/10.1080/03019233.2018.1446496Дагман А.И., Колдаев А.В., Казарин А.Ю., Арутюнян Н.А. Оценка перспектив замены ниобия ванадием в высокопрочных микролегированных сталях. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2024;(2):82–90.Dagman A.I., Koldaev A.V., Kazarin A.Yu., Arutyu­nyan N.A. Assessment of the prospects for replacing niobium with vanadium in high-strength microalloyed steels. Problemy chernoi metallurgii i materialovedeniya. 2024;(2): 82–90. (In Russ.).Almatani R.A., DeArdo A.J. Rational alloy design of niobium-bearing HSLA steels. Metals. 2020;10(3):413. https://doi.org/10.3390/met10030413Almatani R.A., DeArdo A.J. Rational alloy design of niobium-bearing HSLA steels. Metals. 2020;10(3):413. https://doi.org/10.3390/met10030413DeArdo A.J. Niobium in modern steels. International Materials Review. 2003;48(6):371–402. https://doi.org/10.1179/095066003225008833DeArdo A.J. Niobium in modern steels. International Materials Review. 2003;48(6):371–402. https://doi.org/10.1179/095066003225008833Garcia C.I., Hua M., Cho K., DeArdo A.J. On the strength of microalloyed steels. An interpretive review. Materials Scien­ce and Technology. 2009;25(9):1074–1082. https://doi.org/10.1179/174328409X455233Garcia C.I., Hua M., Cho K., DeArdo A.J. On the strength of microalloyed steels. An interpretive review. Materials Scien­ce and Technology. 2009;25(9):1074–1082. https://doi.org/10.1179/174328409X455233Zhang Y., Miyamoto G., Furuhara T. Enhanced hardening by multiple microalloying in low carbon ferritic steels with interphase precipitation. Scripta Materialia. 2022;212:114558. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114558Zhang Y., Miyamoto G., Furuhara T. Enhanced hardening by multiple microalloying in low carbon ferritic steels with interphase precipitation. Scripta Materialia. 2022;212:114558. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114558Cai Y., Wei R., Jin D., Cheng L., Wan X., Wu K. Comp­lex precipitation behavior and mechanism of NbC during ferrite transformation in a HSLA steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 2024;55:3208–3213. https://doi.org/10.1007/s11661-024-07515-4Cai Y., Wei R., Jin D., Cheng L., Wan X., Wu K. Comp­lex precipitation behavior and mechanism of NbC during ferrite transformation in a HSLA steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 2024;55:3208–3213. https://doi.org/10.1007/s11661-024-07515-4Salahshoor M., Bardelcik A., Zhou T.T., Cathcart C. The effect of low temperature and strain rate on the mechanical behavior of precipitation-strengthened HSLA steels alloyed with Ti and Nb. JOM. 2025;77:3561–3575. https://doi.org/10.1007/s11837-025-07277-3Salahshoor M., Bardelcik A., Zhou T.T., Cathcart C. The effect of low temperature and strain rate on the mechanical behavior of precipitation-strengthened HSLA steels alloyed with Ti and Nb. JOM. 2025;77:3561–3575. https://doi.org/10.1007/s11837-025-07277-3Зайцев А.И., Родионова И.Г., Арутюнян Н.А., Дунаев С.Ф. Исследование закономерностей формирования фазовых выделений, структурного состояния и свойств микролегированных низкоуглеродистых сталей ферритного класса. Металлург. 2020;(8):21–27.Zaitsev A.I., Rodionova I.G., Arutyunyan N.A., Dunaev S.F. Investigation of regularities of phase precipitation formation, structural state and properties of microalloyed low-carbon steels of ferritic class. Metallurg. 2020;(8):21–27. (In Russ.).Lagneborg R., Siwecki T., Zajac S., Hutchinson B. The role of vanadium in microalloyed steels. Scandinavian Journal of Metallurgy. 1999;28:186–241.Lagneborg R., Siwecki T., Zajac S., Hutchinson B. The role of vanadium in microalloyed steels. Scandinavian Journal of Metallurgy. 1999;28:186–241.Koldaev A.V., D’yakonov D.L., Zaitsev A.I., Arutyu­nyan N.A. Kinetics of the formation of nanosize niobium carbonitride precipitates in low-alloy structural steels. Metal­lurgist. 2017;60:1032–1037. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0404-1Koldaev A.V., D’yakonov D.L., Zaitsev A.I., Arutyu­nyan N.A. Kinetics of the formation of nanosize niobium carbonitride precipitates in low-alloy structural steels. Metal­lurgist. 2017;60:1032–1037. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0404-1Gladman T. Precipitation hardening in metals. Materials Scien­ce and Technology. 1999;15(1):30–36. https://doi.org/10.1179/026708399773002782Gladman T. Precipitation hardening in metals. Materials Scien­ce and Technology. 1999;15(1):30–36. https://doi.org/10.1179/026708399773002782Zhang K., Wang H., Sun X.-J., Sui F.-L., Li Z.-D., Pu E.-X., Zhu Z.-H., Huang Z.-Y., Pan H.-B., Yong Q.-L. Precipitation behavior and microstructural evolution of ferritic Ti–V–Mo complex microalloyed steel. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2018;31:997–1005. https://doi.org/10.1007/s40195-018-0726-4Zhang K., Wang H., Sun X.-J., Sui F.-L., Li Z.-D., Pu E.-X., Zhu Z.-H., Huang Z.-Y., Pan H.-B., Yong Q.-L. Precipitation behavior and microstructural evolution of ferritic Ti–V–Mo complex microalloyed steel. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2018;31:997–1005. https://doi.org/10.1007/s40195-018-0726-4Zhang K., Li Z., Wang Z., Sun X., Yong Q. Precipitation behavior and mechanical properties of hot-rolled high strength Ti–Mo-bearing ferritic sheet steel: The great potential of nanometer-sized (Ti, Mo)C carbide. Journal of Materials Research. 2016;31:1254–1263. https://doi.org/10.1557/jmr.2016.154Zhang K., Li Z., Wang Z., Sun X., Yong Q. Precipitation behavior and mechanical properties of hot-rolled high strength Ti–Mo-bearing ferritic sheet steel: The great potential of nanometer-sized (Ti, Mo)C carbide. Journal of Materials Research. 2016;31:1254–1263. https://doi.org/10.1557/jmr.2016.154Bu F.Z., Wang X.M., Yang S.W., Shang C.J., Misra R.D.K. Contribution of interphase precipitation on yield strength in thermomechanically simulated Ti–Nb and Ti–Nb–Mo microalloyed steels. Materials Science and Engineering: A. 2014; 620:22–29. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.09.111Bu F.Z., Wang X.M., Yang S.W., Shang C.J., Misra R.D.K. Contribution of interphase precipitation on yield strength in thermomechanically simulated Ti–Nb and Ti–Nb–Mo microalloyed steels. Materials Science and Engineering: A. 2014; 620:22–29. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.09.111Chen C.Y., Chen C.C., Yang J.R. Microstructure charac­terization of nanometer carbides heterogeneous precipitation in Ti–Nb and Ti–Nb–Mo steel. Materials Characterization. 2014; 88:69–79. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2013.11.016Chen C.Y., Chen C.C., Yang J.R. Microstructure charac­terization of nanometer carbides heterogeneous precipitation in Ti–Nb and Ti–Nb–Mo steel. Materials Characterization. 2014; 88:69–79. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2013.11.016Park D.-B., Huh M.-Y., Shim J.-H., Suh J.-Y., Lee K-H., Jung W.-S. Strengthening mechanism of hot rolled Ti and Nb microalloyed HSLA steels containing Mo and W with various coiling temperature. Materials Science and Engineering: A. 2013;560:528–534. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.09.098Park D.-B., Huh M.-Y., Shim J.-H., Suh J.-Y., Lee K-H., Jung W.-S. Strengthening mechanism of hot rolled Ti and Nb microalloyed HSLA steels containing Mo and W with various coiling temperature. Materials Science and Engineering: A. 2013;560:528–534. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.09.098Oono N., Nitta H., Iijima Y. Diffusion of niobium in α-iron. Materials Transactions. 2003;44(10):2078–2083. https://doi.org/10.2320/matertrans.44.2078Oono N., Nitta H., Iijima Y. Diffusion of niobium in α-iron. Materials Transactions. 2003;44(10):2078–2083. https://doi.org/10.2320/matertrans.44.2078

The authors declare that there are no conflicts of interest present.