熱軋板氧化皮結(jié)構(gòu)的顯微表征_圖文

1、第27卷第6期 2009年11月物理測試Physics Examinat ion and T estingVo l. 27, N o. 6N ov. 2009熱軋板氧化皮結(jié)構(gòu)的顯微表征張孟儀(國核電站運行服務(wù)技術(shù)公司, 上海200233摘 要:分別利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和電子背散射衍射(EBSD 技術(shù), 對熱軋板表面氧化皮顯微結(jié)構(gòu)的表征進(jìn)行研究。結(jié)果表明, 光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡能觀察到氧化皮的分層; 原子力顯微鏡可根據(jù)磁性區(qū)分氧化皮成分; EBSD 技術(shù)不僅能夠鑒別氧化皮的不同結(jié)構(gòu), 而且能夠鑒定其組成相, 并顯示其晶粒度和晶界特征。關(guān)鍵詞:熱軋板; 氧化皮; 顯微

2、結(jié)構(gòu)中圖分類號:T G 115. 21+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-0777(2009 06-0029-05Microstructure Characterization of Scales on Ho-t rolled SheetsZH ANG M eng -y i(State N uclear P ow er Plant Ser vice Company, Shanghai 200233, ChinaAbstract:In this study, the microstr uctures of scales o n hot -r olled sheets w ere chara

3、cter ized by optical micro sco py (O M , scanning electr on microscopy (SEM , ato m fo rce m icroscopy (A FM and EBSD technique, r espectively. T he results sho w that sublayer scale can be disting uished by O M and SEM. Composit ion can be identified by AF M acco rding to magnetism. EBSD can distin

4、g uish not only the microstr uctures of scales but also the phases co mpo nents ther ein. M o reov er, the g rain size and boundar ies of sca les wer e also be char acterized by EBSD. Key words:ho t -ro lled sheets; scale; micr ostructure熱軋板表面氧化皮如在實驗室燒結(jié)制得一般分為3層結(jié)構(gòu), 即表層為氧化鐵(Fe 2O 3 、中間是四氧化三鐵(Fe 3O 4 、

5、內(nèi)層是氧化亞鐵(FeO , 3層比例在高溫狀態(tài)下接近1:4:951,2射衍射(簡稱EBSD 技術(shù)將顯微組織、微區(qū)成分與結(jié)晶學(xué)數(shù)據(jù)分析聯(lián)系起來, 能對晶界類型、取向、位向差和結(jié)構(gòu)及其分布進(jìn)行觀察、統(tǒng)計測定和定量分析, 從而為研究晶界結(jié)構(gòu)和性能提供了重要的實驗手段。文章通過光學(xué)顯微鏡(OM 、掃描電子顯微鏡(SEM 、原子力顯微鏡(AFM 和EBSD 技術(shù)分別對低碳鋼熱軋板氧化皮的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。4。但是影響氧化皮結(jié)構(gòu)的因素有很多, 由于終軋溫度、卷取溫度、冷卻速度、環(huán)境中氧氣的含量等影響, 在實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)內(nèi)層氧化亞鐵和外層四氧化三鐵的復(fù)合結(jié)構(gòu)或單層的四氧化三鐵結(jié)構(gòu)。熱軋板氧化皮的顯微結(jié)構(gòu)

6、特征直接影響了酸洗速度及其工藝的制定, 若酸洗不徹底, 那么殘留的氧化皮在下一道軋制過程中很有可能被壓入鋼板基體, 從而造成缺陷, 因此對在生產(chǎn)過程中形成的氧化皮, 進(jìn)行深入研究是非常有必要的。但是在過去, 人們通常用光學(xué)顯微鏡和X 射線衍射圖譜來對氧化皮的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征, 而不能夠確定其準(zhǔn)確的顯微結(jié)構(gòu)和相的分布31 試驗材料與方法試驗所用材料為板厚213mm 的SPH C, 取自熱軋廠, 成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), % 見表1。樣品A 取自熱卷平臺處鋼板, 樣品B 取自在室溫下放置2天后的同一鋼卷。分別將兩種樣品切割成為15mm 15m m 的正方形, 制樣、研磨和拋光后, 在Leica 光學(xué)顯微鏡

7、, 原子力顯微鏡和安裝了EBSD 附件的JSM 6460-LV 掃描電子顯微鏡下觀察氧化皮顯微結(jié)構(gòu)。近年來, 新開發(fā)的電子背散表1 熱軋板的化學(xué)成分Table 1 C ompositions of the ho-t rolled sheetC 0. 04Si <0. 03M n 0. 20P 0. 019S 0. 014Cu 0. 02Ni <0. 02Cr <0. 02M o <0. 02Ti 0. 002%Al 0. 029:, 女, , ; E -:E -psc. com; :200930物理測試第27卷2 結(jié)果與討論2. 1 光學(xué)顯微鏡表征氧化皮結(jié)構(gòu)圖1所示為樣

8、品A 、B 分別在腐蝕前后的金相照片對比, 腐蝕液為4%硝酸酒精。圖1(a 顯示的是樣品A 氧化鐵皮初始狀態(tài), 不能觀察到分層結(jié)構(gòu)。在腐蝕以后的照片中圖1(b , 分層情況趨于明顯, 外層為淺灰色, 內(nèi)層顏色較深, 說明不同氧化皮成分的耐酸腐蝕能力不同; 樣品B 的顯微結(jié)構(gòu)已經(jīng)觀察不到分層情況了, 只能很模糊地觀察到灰色氧化鐵皮上零星分布著白亮色斑點, 經(jīng)過腐蝕后留 下黑坑。(a 樣品A 腐蝕前; (b 樣品A 腐蝕后; (c 樣品B 腐蝕前; (d 樣品B 腐蝕后圖1 樣品A 和樣品B 腐蝕前后的金相照片F(xiàn)ig. 1 Microstructure images of sample A and

9、 sample B before and after being etched2. 2 掃描電子顯微鏡表征氧化皮結(jié)構(gòu)利用掃描電子顯微鏡的高放大倍數(shù), 得到圖2。從圖中可以清楚的看到分層與白亮點的形貌特征,并且分層氧化皮的兩層比例接近1:1, 白亮點呈彌散且均勻分布狀, 甚至有些連接成線性。(a 樣品A; (b 樣品B圖2 氧化皮背散射電子相第6期張孟儀:熱軋板氧化皮結(jié)構(gòu)的顯微表征312. 3 原子力顯微鏡表征氧化皮結(jié)構(gòu)用原子力顯微鏡分析同一樣品得到的結(jié)果見圖3和圖4。對樣品掃描可以同時得到3張圖片, 分別為氧化鐵皮的形貌圖、相圖和磁力圖。對于樣品A, 圖3形貌圖中, 上部分是氧化皮, 下部分是

10、基體, 觀察磁力圖可以發(fā)現(xiàn)兩層氧化鐵皮的磁性存在很大差異, 外層磁疇明顯, 而內(nèi)層幾乎沒有磁性。這提供了很重要的信息, 因為Fe 3O 4是鐵磁性的, 而FeO 在室溫下不具有鐵磁性; 根據(jù)磁力圖可以判斷由下至上分別為Fe 3O 4、FeO 和基體?；w和Fe 3O 4的磁場不同, 從磁力圖上顯示的磁疇是有區(qū)別的。掃描樣品B 同樣得到3張圖(圖4 , 根據(jù)磁力圖觀察上部分為基體, 下部分是氧化皮, 氧化皮磁疇明顯, 且與基體磁疇有很大區(qū)別, 說明該氧化皮主要由Fe 3O 4 組成。2. 4 EBSD 技術(shù)表征氧化皮結(jié)構(gòu)2. 4. 1 顯微結(jié)構(gòu)通過電子背散射衍射(Electro n Backsc

11、attered 處理系統(tǒng), 使得在一般掃描電鏡或電子探針上安裝這一附件后, 就可以對塊狀樣品上亞微米級顯微組織逐點作結(jié)晶學(xué)分析, 當(dāng)電子束在樣品上進(jìn)行逐行,32物理測試第27卷掃描區(qū)域內(nèi)的相分布。根據(jù)EBSD 的這一特殊成像原理, 可以清晰的觀察到氧化皮中各相分布情況以及晶粒大小。兩組氧化皮的EBSD 圖片見圖5 。(a 樣品A; (b 樣品B圖5 兩種樣品氧化皮的相圖對比Fig. 5 Phase maps of scales for two samples by EBSD圖片均是左邊為氧化皮, 右邊為鐵基體。從成分圖上可以清楚辨別氧化皮的相組成, 兩組樣品的氧化皮均有FeO, Fe 3O 4

12、, Fe 2O 3以及A -Fe 。樣品A 內(nèi)層大部分為FeO, 外層是Fe 3O 4, 最外層形成少量Fe 2O 3; 樣品B 則幾乎都是Fe 3O 4, 中間混有少量FeO 和游離的A -Fe 。熱軋板表面形成的氧化皮會出現(xiàn)單層結(jié)構(gòu)是由生產(chǎn)條件決定的, 具有普遍性。熱軋板軋制的最后一道精軋溫度都在880900e 之間, 之后進(jìn)行卷取, 卷取溫度在570610e 之間, 最后放置在空地上自然冷卻。在卷取過程中鋼板的冷速相對較快, 溫度會迅速下降, 當(dāng)經(jīng)過570e 時, FeO 會發(fā)生分解反應(yīng), 其反應(yīng)式為:4FeO y Fe 3O 4+Fe該反應(yīng)會隨著冷卻速度的不同最終導(dǎo)致形成不同結(jié)構(gòu)的氧化

13、皮, 這種分解反應(yīng)遵從類似C 曲線的趨勢(圖65圖6 900e 空氣中一種低碳鋼上熱生長FeO 層的等溫相變圖Fig. 6 Isothermal phase transformation m ap of F eO grown on low -carbon steel in the open air at 900e。在卷取后空冷的這段時間里, 鋼板另外, 從圖1觀察到的白亮點由反應(yīng)式可以確認(rèn)為析出的游離鐵; 對于線性分布的白點的解釋為:¹金屬鐵顆粒是共析反應(yīng)產(chǎn)物的一部分, 鐵顆粒優(yōu)先沿著原FeO 晶界析出; º由于晶界通常是固相擴散的快速通道, 鐵將優(yōu)先沿此通道擴散, 從而導(dǎo)

14、致鐵在FeO 晶界的富集2。2. 4. 2 晶粒與晶界7的冷速較慢, 這就為FeO 的分解提供的足夠的時間和條件, 使其能夠分解徹底, 最終形成單層的氧化皮結(jié)構(gòu)。雙層結(jié)構(gòu)氧化皮的出現(xiàn)具有一定的特殊性。當(dāng)軋制后的鋼板沒有進(jìn)行卷取, 而是直接切割、空冷, 此時在流動空氣中鋼板的冷速很快, 原先形成的FeO 尚未完全分解, 有一部分被保留至室溫, 從而 第6期張孟儀:熱軋板氧化皮結(jié)構(gòu)的顯微表征33看, 兩組樣品氧化皮的晶粒大小相近, 雖然晶粒大小不均勻, 但仍然呈現(xiàn)出靠近鐵基體一側(cè)的氧化皮晶粒較大這一規(guī)律; 并且, 與基體晶粒相比, 氧化皮的晶粒要小很多。經(jīng)軟件計算分析, 兩者的晶粒度平均為1154

15、L m 。3 結(jié)論(1 低碳鋼熱軋板表面氧化皮結(jié)構(gòu)主要是四氧化三鐵和游離鐵的混合物, 這是FeO 在卷取后緩慢冷卻時分解的結(jié)果。低碳鋼熱軋板在卷取前期(溫度在400500e 左右 的氧化皮分為兩層, 即外層Fe 3O 4, 內(nèi)層為FeO; 在室溫下放置兩天以后, FeO 完全分解為Fe 3O 4和Fe, 并且鐵顆粒在原FeO 的晶界富集。(2 氧化皮的晶粒比基體晶粒小很多, 其晶粒的大小與相組成無關(guān); 卷取前氧化皮的晶界分布比較集中, 放置兩天后氧化皮的晶界分布比較均勻。(3 比較多種表征氧化皮顯微結(jié)構(gòu)的分析方法, 發(fā)現(xiàn)EBSD 技術(shù)能夠表征氧化皮的相分布、晶粒大小, 因此它是對氧化皮進(jìn)行深入

16、分析的最佳分析手段。(a 樣品A 質(zhì)量圖; (b 樣品B 質(zhì)量圖非常感謝上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院邵光杰教授、寶山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心分析測試研究中心陳家光教授對作者在研究過程中給予的技術(shù)支持和指導(dǎo)。參考文獻(xiàn):1 Chen R Y, Yuen W Y D, A Study of the S cale S tructure ofH ot -Rolled Steel Strip b y Simu lated Coiling and Cooling J . Oxid. M et. 2000, (53 :539.2 Chen R Y, Yuen W Y D. Ox ide -Scale Struc

17、tu res Formed onCommercial Hot -Rolled Steel Strip and T heir Form ation M ech -anismsJ . Oxid. M et. 2001, (56 :89.3 陳家光, 曹圣泉. 低碳鋼顯微結(jié)構(gòu)的EBSD 表征J. 物理測試, 2005, 2(2 :1.4 陳家光, 李 忠. 電子背散射衍射在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用J. 理化檢驗-物理分冊, 2000, 36(2 :71.5 Gleeson B, H adavi S M M , Young D J. Isothermal T ransforma -tion Behavior of Th ermally -grow n Wus tite J .M ater. High T emp, 2000, (17 :311.6 Burk e D P, H igginson R L. Characterization of M ulticom po -nen t S cales by Electron Back S cattered Diffraction (EBSD J. S cripta M ater, 2000, (42 :277.圖7 兩種樣品晶粒度對比Fig. 7 Gra