熱分析技術(shù)研究ＩＦ鋼回復(fù)、再結(jié)晶及相變過程

[摘要]利用DSC技術(shù)研究IF鋼回復(fù)、再結(jié)晶、相轉(zhuǎn)變行為，指出第二相粒子對冷變形IF鋼間段退火過程的影響，通過定量計算再結(jié)晶激活能的方法說明第二相彌散析出對再結(jié)晶過程的控制作用。DSC定量分析鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變潛熱為10J/mol。

[關(guān)鍵詞]差示掃描量熱DSC 無間隙原子鋼

中圖分類號：O59文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310122－01

IF鋼也稱無間隙原子鋼，主要應(yīng)用于汽車制造工業(yè)中，它通常利用幾十個納米以下的第二相粒子強(qiáng)化，使其保持優(yōu)良的成形性條件下，獲得高得強(qiáng)度，以滿足超深沖板板的性能要求。回復(fù)、再結(jié)晶、相變的控制是生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，這些行為也成為近年來IF鋼研究的重要領(lǐng)域，大量研究無間隙原子鋼的資料表明，研究方法多采用光學(xué)顯微鏡、顯微硬度儀、掃描電鏡及透射電鏡等顯微分析技術(shù)，并且都具有一定的局限性。

熱分析技術(shù)是研究物質(zhì)在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生某些化學(xué)變化的技術(shù)。熱分析技術(shù)能夠原位地反映變形IF鋼在加熱條件下，第二相粒子與晶體缺陷的交互作用，而且能夠準(zhǔn)確地獲得再結(jié)晶激活能和相變潛熱，從而彌補顯微分析方法誤差較大的不足，是一種有效的研究方法。

本文以IF鋼為例著重介紹熱分析技術(shù)在無間隙原子鋼回復(fù)、再結(jié)晶及相變過程中的應(yīng)用，揭示應(yīng)用熱效應(yīng)來分析與研究IF鋼轉(zhuǎn)變的特點與規(guī)律。

一、實驗結(jié)果與分析

經(jīng)強(qiáng)烈冷形變的金屬材料，由于組織的改變和產(chǎn)生了大量的晶體缺陷，使材料的一系列性能發(fā)生了變化，如果能提供熱激活的條件，形變金屬的性能就能恢復(fù)到冷變形前的原始狀態(tài)。再結(jié)晶是形成無畸變新晶粒的退火過程，該過程金相組織明顯改變，性能全部復(fù)原。回復(fù)與再結(jié)晶廣泛應(yīng)用于冷形變后的退火工藝，并對熱形變與材料高溫機(jī)械性能有直接影響，往往在固態(tài)相變中也伴隨發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶。

究回復(fù)再結(jié)晶過程中的能量變化，形變金屬儲存了相當(dāng)數(shù)量的彈性畸變能，使系統(tǒng)處于亞穩(wěn)狀態(tài)，有力圖向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，形變金屬隨熱激活條件變化儲存能逐漸釋放點缺陷減少和位錯的再排列，儲存能有所將低，這是回復(fù)階段，在再結(jié)晶階段大角度晶界形成和遷移，基體中的位錯被吃收到晶界中迅速解體銷毀，儲存能消失，性能全部回復(fù)。這一過程中儲存能的釋放通過量熱儀來記錄，以揭示過程的轉(zhuǎn)變規(guī)律。

變形儲能在兩個階段得以釋放，第一階段為回復(fù)，儲能在回復(fù)的開始階段比較快，隨后變緩，由于回復(fù)不存在孕育期，只要受到熱作用，就立即發(fā)生，所以曲線上不存在平臺，當(dāng)儲能釋放到第二階段即為金屬的再結(jié)晶過程，儲能釋放由慢到快，出現(xiàn)峰值后下降，直至再結(jié)晶完成。

（一）DSC技術(shù)與回復(fù)過程

DSC技術(shù)可以有效的量化回復(fù)過程的儲能變化，從而深入揭示第二相粒子形態(tài)對回復(fù)過程的影響。在IF鋼中第二相以固溶原子和彌散析出兩種形式存在，實驗結(jié)果表明：固溶原子含量的增加，形變儲能更多的通過回復(fù)過程釋放。因為回復(fù)包含了變形金屬在再結(jié)晶之前的所有初始過程，其中包括點缺陷和位錯的湮滅和重新分布以及多邊形化，在回復(fù)過程中，位錯將脫離第二相氣團(tuán)重新排列，第二相固溶原子多，變形時為降低內(nèi)能形成的Cottrell氣團(tuán)越多，回復(fù)過程中因位錯與原子分離而釋放的儲能就越多；另外彌散的顆粒阻礙多邊化進(jìn)程，表現(xiàn)為儲能釋放減小，因此，隨著第二相粒子的析出，變形IF鋼回復(fù)過程的儲能釋放會減小。

（二）DSC技術(shù)計算再結(jié)晶激活能

DSC曲線記錄變形金屬儲能釋放、再形開始溫度和終了溫度及加熱速度的關(guān)系，顯然，儲能釋放大小是升溫速率的函數(shù)。再結(jié)晶過程所需的激活能可以通過Kissinger方法確定，即：

式中Tf是轉(zhuǎn)變過程的特征溫度（再結(jié)晶開始、峰、終了溫度），Q是加熱速率，E是激活能，R是所體常數(shù)，K0和βf*都為常數(shù)，運用不同升溫速率下的再結(jié)晶開始溫度進(jìn)行激活能計算，線性擬合得出結(jié)果，所計算工的激活能就能夠反映再結(jié)晶的開始過程。結(jié)果表明：在IF鋼中第二相粒子的擴(kuò)散析出強(qiáng)烈地影響著再結(jié)晶過程，甚至起控制成為再結(jié)晶動力學(xué)的主要控制因素，而固溶含量以再結(jié)晶的影響處于次要地位。

利用DSC技術(shù)，還可以對再結(jié)晶峰進(jìn)行計算，得到材料再結(jié)晶分?jǐn)?shù)與溫度的轉(zhuǎn)變曲線，可以看出，再結(jié)晶開始前存在一個孕育期，隨后再結(jié)晶速率增大，最后再結(jié)晶速率減小。

（三）相變潛熱的計算

對于IF鋼，當(dāng)加熱溫度升高到900℃附近時，發(fā)生鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，伴隨相變潛熱的釋放，采用DSC法，可以主便地測出這一相變潛熱。對相變峰進(jìn)行計算，得到相變動力學(xué)曲線，這一方法可以很好地反映鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過程。

二、結(jié)論

1．DSC技術(shù)原位分析變形IF鋼回復(fù)、再結(jié)晶、相變過程，彌補了顯微分析的不足。

2．DSC技術(shù)可以有效的量化回復(fù)過程的儲能變化，在變形IF鋼回復(fù)過程中的儲能的釋放隨第二相粒子增加而增加。

3．運用DSC技術(shù)研究再結(jié)晶動力學(xué)，說明第二相彌散析出成為變形IF鋼再結(jié)晶動力學(xué)的主要控制因素。

4．DSC技術(shù)精確計算金屬材料相變潛熱，IF鋼同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變潛熱為10J/mol。

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作者簡介：

李俊虎，男，山西太原人，太原鋼鐵公司，工程師，大學(xué)。