Faits: Faits: A. F._, né en 1958, a travaillé en qualité de maçon, puis d'ouvrier d'usine. A la suite d'une chute survenue le 17 mai 1996, il a subi une fracture par tassement du mur antérieur des deuxième et troisième vertèbres lombaires entraînant une incapacité totale de travail comme maçon (rapport du 13 mars 1997 du docteur B._ spécialiste en orthopédie). Le 6 février 1997, il a déposé une demande de prestations de l'assurance-invalidité tendant à l'octroi principalement de mesures professionnelles, subsidiairement d'une rente. Procédant à l'instruction du dossier, l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après : l'office) a mis F._ au bénéfice d'un stage de réadaptation dans le cadre d'un reclassement auprès d'un Centre de l'Office romand d'intégration professionnelle pour handicapés (ORIPH). Selon le rapport en résultant, il dispose d'une capacité résiduelle de travail de 70 % dans une activité de petite mécanique sur machines réglées ou autres travaux légers tels que le montage de connecteurs électriques ou des petits travaux de série (rapport du 1er septembre 1998). L'office a en outre recueilli l'avis du docteur F._, spécialiste en orthopédie. Selon ce médecin, l'assuré souffre de dorso-lombalgies chroniques et présente un status post fracture par tassement des vertèbres D12-L2-L3 ainsi qu'un syndrome douloureux somatoforme persistant entraînant une incapacité totale de travail comme maçon; dans une activité raisonnablement exigible telle que manutention légère, sa capacité de travail se trouve sensiblement péjorée par un grave trouble de la personnalité résultant d'une carence affective ainsi que de mauvais traitements. Aussi ce médecin prescrit-il une reprise du travail à mi-temps dès le 23 novembre 1998 (rapports des 9 et 24 novembre 1998). Se fondant sur les conclusions de l'ORIPH, l'office a alloué à F._, un quart de rente dès le 1er mai 1997, en regard d'un degré d'invalidité de 48 % (décision du 13 mars 2000). Le 30 octobre suivant, il lui a accordé une demi-rente pour cas pénible à compter de la même date. De son côté, la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (ci-après : CNA) a mis l'assuré au bénéfice d'une rente fondée sur un degré d'invalidité de 25 % depuis le 1er mars 1999, en regard d'une capacité totale d'exercer une activité lucrative adaptée à son état de santé physique (décision du 7 août 2000). Se fondant sur les conclusions de l'ORIPH, l'office a alloué à F._, un quart de rente dès le 1er mai 1997, en regard d'un degré d'invalidité de 48 % (décision du 13 mars 2000). Le 30 octobre suivant, il lui a accordé une demi-rente pour cas pénible à compter de la même date. De son côté, la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (ci-après : CNA) a mis l'assuré au bénéfice d'une rente fondée sur un degré d'invalidité de 25 % depuis le 1er mars 1999, en regard d'une capacité totale d'exercer une activité lucrative adaptée à son état de santé physique (décision du 7 août 2000). B. Par mémoires séparés, F._ a recouru contre les décisions de l'office devant le Tribunal des assurances du canton de Vaud. Dans le cadre d'un complément d'instruction, les premiers juges ont confié deux mandats d'expertise, l'un au docteur F._ (rapport du 6 juin 2001) et l'autre à la doctoresse M._, spécialiste FMH en psychiatrie (rapport du 18 octobre 2002). Par jugement du 23 février 2004, le tribunal - après jonction des causes (décision du 21 mars 2001) - a rejeté les recours. B. Par mémoires séparés, F._ a recouru contre les décisions de l'office devant le Tribunal des assurances du canton de Vaud. Dans le cadre d'un complément d'instruction, les premiers juges ont confié deux mandats d'expertise, l'un au docteur F._ (rapport du 6 juin 2001) et l'autre à la doctoresse M._, spécialiste FMH en psychiatrie (rapport du 18 octobre 2002). Par jugement du 23 février 2004, le tribunal - après jonction des causes (décision du 21 mars 2001) - a rejeté les recours. C. F._ interjette recours de droit administratif contre ce jugement dont il requiert l'annulation en concluant, sous suite de dépens, à l'octroi d'un trois-quarts de rente fondé dès le 1er janvier 2004 sur un degré d'invalidité de 63 %. En outre, il demande le bénéfice de l'assistance judiciaire gratuite. L'office conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.