普通低碳鋼形變誘導(dǎo)鐵素體晶內(nèi)和晶界的析出行為 - 圖文-

1、普通低碳鋼形變誘導(dǎo)鐵素體晶內(nèi)和晶界的析出行為楊忠民,趙燕,王瑞珍,車彥民,馬燕文(鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料所,北京100081摘要:利用TEM ,萃取和X 2ray 衍射方法分析了利用形變誘導(dǎo)鐵素體和鐵素體再結(jié)晶機(jī)制獲得超細(xì)晶鐵素體的晶內(nèi)和晶界析出碳化物的成分和析出行為。證明晶內(nèi)以M 3C 形成彌散析出,晶界以層片狀形式析出和碳為短程擴(kuò)散行為。關(guān)鍵詞:超細(xì)晶鐵素體;碳化物析出中圖分類號(hào):TG 113112文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):025426051(2001022*材料的超塑性受諸多因素影響,其中有應(yīng)變速率、變形溫度、晶粒度、組織狀態(tài)等。在超塑性測(cè)試時(shí)選擇合適的超塑溫度和應(yīng)變速率是非常重要的。各種

2、超塑材料,它們的超塑變形溫度區(qū)域及應(yīng)變速率取值范圍存在一定差別,即使同類超塑材料,由于處理工藝不同造成微觀組織的差異,在相同試驗(yàn)條件下,它們之間也會(huì)呈現(xiàn)不同的超塑性。一般認(rèn)為,影響超塑性因素都直接和間接地影響超塑性變形的能力和應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m 值的變化2。雖然應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)超塑性影響很大,但這兩個(gè)參數(shù)對(duì)超塑性的作用還依賴于材料本身的微觀組織。超塑性好的材料,通常具有細(xì)晶、等軸及組織穩(wěn)定條件,而噴射成形技術(shù)制備的材料,一般都具備上述幾個(gè)特點(diǎn)。傳統(tǒng)工藝由于冷卻速度較慢,易產(chǎn)生成分偏析、組織粗大,制備的GCr15鋼難以獲得噴射成形材料如此細(xì)化的珠光體和馬氏體微觀組織。一般要求超塑性材料晶粒

3、直徑在0155 m 左右,高于10m 的晶粒組織難于實(shí)現(xiàn)超塑性。本研圖3噴射成形GCr15鋼試樣TEM 形貌像(a 噴射態(tài)(b 二次油淬Fig.3TEM micrograph of GCr15steel prepared by spray forming(a as 2sprayed (b twice oil 2quenched究選用未經(jīng)超塑處理噴射成形鑄態(tài)試樣的伸長(zhǎng)率達(dá)119%,這一結(jié)果優(yōu)于冶金鑄造工藝制備的GCr15鋼,這與其優(yōu)良的微觀組織不無(wú)關(guān)系。普遍認(rèn)為,超塑性好的材料,應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m 值都比較高。本研究測(cè)得二次油淬試樣的m 值為0159,根據(jù)這一數(shù)值來(lái)估算,二次油淬試樣的超塑性似

4、乎尚未達(dá)到預(yù)期的理想值,可能有幾方面原因:第一,本試驗(yàn)選擇的變形溫度可能偏高,使得碳化物溶解量增加而導(dǎo)致碳化物量減少,從而會(huì)削弱高溫拉伸條件下碳化物阻止晶粒長(zhǎng)大的作用。一般認(rèn)為,細(xì)小碳化物彌散分布,能起到阻止晶粒長(zhǎng)大的釘扎作用,而晶粒長(zhǎng)大會(huì)嚴(yán)重地影響材料的超塑性。在GCr15鋼中形成的(Fe ,Cr 3C 是一種復(fù)雜碳化物,其性能穩(wěn)定,在熱變形過(guò)程中抑制了鐵素體晶粒的長(zhǎng)大;第二,選用的GCr15鋼是用噴射成形工藝制備的,該工藝一個(gè)不可忽視的缺陷是制備的坯料含有一定的空隙(或縮孔,通常使用時(shí)需要進(jìn)行熱擠壓或熱等靜壓處理。經(jīng)過(guò)二次油淬處理,雖然晶粒和顆粒得到細(xì)化,但該工藝帶來(lái)的缺陷仍未得到改善,這

5、種組織不均勻性對(duì)超塑性也會(huì)產(chǎn)生影響;第三,盡管對(duì)超塑性試樣涂刷了防高溫氧化涂料,但拉伸后發(fā)現(xiàn),試樣表面氧化程度并非明顯改善,很有可能部分氧進(jìn)入材料內(nèi)部而形成致脆氧化物,據(jù)此推測(cè),氧化可能是導(dǎo)致超塑性達(dá)不到理想值的又一重要原因。上述分析尚待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。需要指出的是,由于超塑性變形不同于通常意義上的金屬塑性變形,后者的變形主要發(fā)生在晶粒內(nèi)部,如滑移、雙晶、扭曲等,其原子的相對(duì)移動(dòng)量不易超過(guò)兩個(gè)原子的間距,因而這種經(jīng)典的塑性變形機(jī)制不可能產(chǎn)生大的伸長(zhǎng)率。即使在高溫拉伸條件下,雖然擴(kuò)散作用及晶界滑移在增加,但因高溫而引起的晶粒變粗趨勢(shì)亦同步增加,從而影響了材料的超塑性。超塑變形時(shí),晶界滑動(dòng)、晶粒

6、易位、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)等起了主要作用。許多研究表明,超塑變形的主要變形機(jī)制是一種晶界行為。4結(jié)論噴射成形GCr15鋼鑄態(tài)及二次油淬超塑處理的試樣具有如此細(xì)化的微觀組織,是傳統(tǒng)工藝難以獲得的。未經(jīng)超塑處理噴射成形鑄態(tài)試樣的伸長(zhǎng)率優(yōu)于冶金鑄造工藝制備的GCr15鋼,這與其優(yōu)良的微觀組織不無(wú)關(guān)系。二次油淬試樣超塑性尚未達(dá)到預(yù)期值與噴射成形工藝帶來(lái)的缺陷及超塑性試驗(yàn)條件的選擇有關(guān)。參考文獻(xiàn):1王笑天.金屬材料學(xué)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987:88.2何景素,等.金屬的超塑性M .北京:科學(xué)出版社,1986:44.5金屬熱處理2001年第2期Precipitation Behavior of Ferrit

7、e in G rain and inG rain Boundary Induced by DeformationYAN G Zhong 2min ,ZHAO Yan ,WAN G Rui 2zhen ,CHE Yan 2min ,MA Yan 2wen(Division of Structure Materials ,Central Iron &Steel Research Institute ,Bei j ing 100081,China Abstract :Utilizing the methods of TEM ,extraction and X 2ray diffraction

8、 ,the analysis have been done about the chemical com ponent of carbide and behavior of precipitation in the ultra fine grain ferrite and grain boundary by mechanism of deformation induced ferrite and recrystallization mechanism of ferrite.The results proved that the precipitation of dissemination of

9、 carbon in grain in the form of M 3C ,in grain boundary in the form of layer.The behavior of carbon diffusion is short range.K ey w ords :ultra 2fine grain ferrite ;carbide precipitation 作者簡(jiǎn)介:楊忠民(1965,男,黑龍江人,博士,高級(jí)工程師,主要從事低碳鋼微米組織的物理冶金機(jī)理和工藝技術(shù)的研究,發(fā)表論文20篇。聯(lián)系電話:010*基金項(xiàng)目:國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(G 1998061501收稿日期:200020

10、5218利用形變誘導(dǎo)鐵素體相變和鐵素體再結(jié)晶機(jī)制獲得超細(xì)晶組織,成為目前提高鋼材性能的主要研究方向之一。對(duì)于形變誘導(dǎo)鐵素體的形成機(jī)制和超細(xì)晶獲得機(jī)制,本文作者進(jìn)行了研究。認(rèn)為形變誘導(dǎo)鐵素體相變是以非擴(kuò)散型塊型相變?yōu)橹鞯陌ㄡ槧铊F素體轉(zhuǎn)變?cè)趦?nèi)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制,超細(xì)晶的獲得是由形變誘導(dǎo)鐵素體相變和鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(包括動(dòng)態(tài)恢復(fù)機(jī)制同時(shí)作用的結(jié)果。由于形變誘導(dǎo)鐵素體的獲得是在相變點(diǎn)Ar 3附近變形導(dǎo)致鐵素體非擴(kuò)散型塊型析出的結(jié)果,因此形變誘導(dǎo)鐵素體為非平衡態(tài)過(guò)飽和鐵素體,不是碳原子長(zhǎng)程擴(kuò)散控制機(jī)制的結(jié)果。由于鐵素體塊型相變?yōu)榫Ы缂せ顧C(jī)制,碳原子在晶界將會(huì)有析出而出現(xiàn)局部平衡。在變形中隨著變形量的增加,

11、已經(jīng)析出的鐵素體將會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶粒的長(zhǎng)大等組織變化過(guò)程,鐵素體內(nèi)的過(guò)飽和碳原子必然會(huì)以不同的方式在鐵素體晶內(nèi)和晶界出現(xiàn)析出行為。Hodgson 1等在文章中提到過(guò)鐵素體晶界的碳化物的析出粒子。碳化物析出的存在必然會(huì)影響到超細(xì)晶材料的宏觀性能,因此有必要對(duì)其析出行為進(jìn)行深入的研究。本文作者以普通碳素鋼Q235為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)在G leeble 熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上獲得的超細(xì)晶材料和通過(guò)軋制獲得的超細(xì)晶材料的微觀組織的研究,證明了以上分析的正確性。1試驗(yàn)方案選擇工業(yè)用普通碳素鋼Q235在G leeble 熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上低溫變形的試樣和孔型軋機(jī)上低溫軋制的線材,用作試驗(yàn)材料,在TEM 上分析。材料

12、的變形溫度區(qū)間870750,總變形量75%,變形后立即水淬。Q235鋼的成分見(jiàn)表1,微觀組織見(jiàn)圖1,晶粒尺寸約為4m 。圖2為圖1材料的TEM 照片,可以看到鐵素體晶內(nèi)和晶界析出。對(duì)晶內(nèi)和晶界的析出物,采用了EDX 能譜分析、TEM 明暗場(chǎng)+衍射分析和萃取+X 線衍射等方式進(jìn)行確定。表1試驗(yàn)用鋼的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%T able 1Composition of the tested steel (w t ,%CSiMnPSAlTiON0118012101600101601020010082<010*0059圖1Q235鋼830兩道次變形75%+水淬后的組織Fig.1Microstructu

13、re of Q235steel deformed at 830twice with 75%strain then quenched inwater圖2Q235鋼晶內(nèi)晶界碳化物析出(TEM Fig.2Carbide precipitation in grain and grain boundary of steel Q235(TEM 6金屬熱處理2001年第2期2結(jié)果與分析 如圖2所示,碳化物在晶內(nèi)和晶界以不同的形貌析出,晶內(nèi)碳化物是以粒子形式析出,晶界碳化物以片狀形式為主析出。軋制的超細(xì)晶板材和棒材的微觀組織同樣具有圖2的形貌特征。碳化物在晶界析出表明碳原子沒(méi)有發(fā)生晶間的長(zhǎng)程擴(kuò)散,而是擴(kuò)散到晶

14、界為止,并在晶界析出達(dá)到了局部平衡。這一現(xiàn)象作者認(rèn)為是塊型鐵素體的晶界激活機(jī)制造成的結(jié)果,即碳原子的短程擴(kuò)散和在晶界的局部平衡。從圖2可看出,晶內(nèi)出現(xiàn)了位錯(cuò)線繞過(guò)析出粒子的形貌特征。這一現(xiàn)象由兩種原因引起:由于位錯(cuò)線的攀移導(dǎo)致碳化物粒子在位錯(cuò)線周圍的析出,形成位錯(cuò)環(huán);現(xiàn)有碳化物粒子在晶內(nèi)析出,隨著鐵素體的進(jìn)一步變形或者原有位錯(cuò)線的攀移運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。具體原因還需進(jìn)一步的分析。對(duì)晶界晶內(nèi)的析出物進(jìn)行了明暗場(chǎng)和能譜分析,見(jiàn)圖3、4。能譜分析表明晶界為碳化物。為了確定晶內(nèi)析出物,對(duì)其進(jìn)行了電子衍射,衍射花樣和標(biāo)定見(jiàn)圖5、6。衍射圖為二次衍射圖譜。標(biāo)定的結(jié)果為(Fe ,Mn 3C 合金滲碳體。萃取+

15、X 射線衍射方法證明,其結(jié)構(gòu)式Fe 2193Mn 0107C 。同時(shí)有微量的TiN 粒子存在。析出粒子尺寸為420nm 。 觀察軋制試樣和熱模擬試樣顯微粒子在鐵素體晶內(nèi)析出時(shí)發(fā)現(xiàn),不是所有的鐵素體晶內(nèi)均有粒子析出,而且析出粒子的方式也不同,顯示了形變誘導(dǎo)鐵素體的動(dòng)態(tài)變化的發(fā)展過(guò)程。由于塊形鐵素體是晶界激活機(jī)制,在晶界可能具有局部平衡導(dǎo)致滲碳體的片狀析出,不排除鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和長(zhǎng)大過(guò)程中碳原子在晶界的局部擴(kuò)散作用。對(duì)于沒(méi)有發(fā)生大量彌散晶內(nèi)析出的鐵素體,可能是在冷卻過(guò)程中相變的結(jié)果。冷卻過(guò)程中形成的粒子析出與時(shí)效粒子析出對(duì)材料性能影響的差別,還需要進(jìn)行深入的研究工作。拉伸試驗(yàn)表明:大量彌散析出物

16、的存在, 并沒(méi)有大幅提高材料的性能。可能是由于彌散沉淀析出的碳原子主要以共格的GP 區(qū)形式存在的結(jié)果,還需進(jìn)一步的試驗(yàn)分析。同時(shí)以 圖3Q235鋼鐵素體晶內(nèi)析出物×50000(a 明場(chǎng)像(b 暗場(chǎng)像Fig.3Precipitate in ferrite of steel Q235×50000(a bright field (b dark field圖4Q235鋼中析出生物能譜分析(EDX (a 晶內(nèi)析出物(b 晶界析出物Fig.4EDX spectrum of the precipitate in steel Q235(a in grain (b in grain boundary圖5晶內(nèi)析出物衍射花樣Fig.5Diffractim spectrum of the precipitate in grain圖6鐵素體基體指標(biāo)圖(a 與M 3C 指標(biāo)圖(b Fig.6Indexing of ferrite (a and M 3C