組織對(duì)含銅鋼中析出行為的影響

李 闖，王學(xué)敏，尚成嘉，吳 輝，賀信萊

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083，E-mail:lichuang1981@yahoo.com.cn)

組織對(duì)含銅鋼中析出行為的影響

李 闖，王學(xué)敏，尚成嘉，吳 輝，賀信萊

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083，E-mail:lichuang1981@yahoo.com.cn)

為研究含銅鋼在連續(xù)冷卻過程中的析出行為，采用不同冷卻速度及中間淬火溫度獲得不同的金相組織.利用金相顯微鏡和透射電鏡研究不同組織對(duì)析出的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)冷卻后組織為鐵素體時(shí)，隨著鐵素體的產(chǎn)生，在鐵素體內(nèi)產(chǎn)生第二相析出顆粒，當(dāng)冷卻產(chǎn)物為貝氏體及馬氏體時(shí)，并未觀察到第二相析出.當(dāng)相變后產(chǎn)物為多種組織時(shí)，僅在鐵素體中發(fā)現(xiàn)第二相析出顆粒.第二相顆粒為富銅相，以相間沉淀方式析出.

連續(xù)冷卻;中間淬火;鐵素體;貝氏體;馬氏體;相間沉淀

目前，世界各國對(duì)自然資源的高效利用給予了高度重視，因此新型微合金高強(qiáng)韌鋼的發(fā)展成為廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)之一，為在高強(qiáng)度條件下仍能保證鋼具有高的塑性和韌性，大幅度降低鋼的碳、氮含量成為一種努力的方向，在這種情況下非碳化物形成元素銅的作用日益顯得重要，而現(xiàn)代鋼鐵冶煉純凈度的穩(wěn)步提高也為銅的合金化應(yīng)用提供了基本的前提.銅具有很多優(yōu)越性能，它加入鋼中后，在鐵素體中的析出可使鋼得到顯著強(qiáng)化.含銅高純低碳鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性等多種優(yōu)良的性能.隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的變革，銅在鋼中的應(yīng)用得到了廣泛的重視，含銅高強(qiáng)IF鋼和耐蝕性良好的船舶用鋼相繼問世［1－3］，它們的共同特點(diǎn)是鋼中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%，并充分利用了銅的析出強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)度水平有了大幅度提高.目前，對(duì)時(shí)效過程中銅析出已經(jīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究［4－6］，但對(duì)于連續(xù)冷卻過程中銅析出少有研究.作者已發(fā)現(xiàn)在連續(xù)冷卻過程中含銅鋼內(nèi)有明顯的相間沉淀產(chǎn)生［7］.但由于連續(xù)冷卻過程中會(huì)得到不同的組織，目前關(guān)于組織對(duì)銅析出的影響尚無明確的研究，本章將借助Gleeble－1500對(duì)不同組織中的銅析出行為進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用鋼化學(xué)成分如表1所示.1#鋼在10 kg真空感應(yīng)爐上冶煉，真空鑄錠并快冷，爾后在1000℃加熱鍛造成直徑15 mm的圓棒，在此圓棒上取樣加工成不同試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn).2#和3#鋼在20 kg真空感應(yīng)爐冶煉，破真空鑄錠并水冷，之后在1000℃加熱鍛造.經(jīng)過兩階段軋制成12 mm厚鋼板.

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

1#樣品預(yù)先在950℃固溶30 min，保溫后水淬.φ10 mm×15 mm樣品以20℃/s的速度加熱到1 200℃，保溫300 s，然后以10℃/s的速度冷至850℃，保溫1 s，變形30%，變形速率為1/s，再以1℃/s的速度連續(xù)冷卻到室溫，其中分別在700、680、650℃時(shí)進(jìn)行中間溫度水淬取樣，如圖1(a)所示.

2#、3#樣品銅含量接近，為了研究組織對(duì)銅析出行為的影響，在3#鋼中加入了較多的合金元素，目的在于使兩種鋼在相同的冷卻速度下得到不同的組織.兩種樣品預(yù)先在950℃固溶30 min，保溫后水淬.加工成φ10 mm×15 mm的樣品并以20℃/s的速度加熱到1200℃，保溫300 s，然后以10℃/s的速度冷至850℃，保溫1 s，再以0.5、1和 5℃/s的速度連續(xù)冷卻到室溫，如圖1(b)所示..

圖1 熱模擬工藝示意圖

熱模擬后樣品沿?zé)犭娕己更c(diǎn)垂直軸向切開，一端切出厚 0.3 mm薄片，經(jīng)機(jī)械磨光到0.08 mm，沖成直徑為3 mm的圓片，用5%高氯酸乙醇溶液電解雙噴減薄至穿孔，溫度為－30℃，電壓為50 V.另一半樣品拋光后用3%硝酸乙醇溶液浸蝕.并在表面洛氏維氏硬度計(jì)上測(cè)定維氏硬度，選用載荷30 kg.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖2硬度曲線可以看出，1#鋼1℃/s的速度連續(xù)冷卻到室溫取樣硬度為207HV，隨著取樣溫度的升高，硬度逐漸升高，680℃比700℃取樣硬度略低.有研究表明［7］，F(xiàn)e－2.0Cu合金在以1℃/s冷速冷卻時(shí)產(chǎn)生大量的析出顆粒，隨著取樣溫度的降低，試樣在高溫區(qū)停留時(shí)間更長(zhǎng)，更有利于銅顆粒的富集與析出.但是，硬度曲線隨取樣溫度的降低硬度隨之降低，一定受到了其他因素的影響，為了進(jìn)一步研究，對(duì)1#鋼不同溫度中間淬火樣品進(jìn)行了金相觀察，如圖3所示.

圖2 1#樣品不同溫度中間淬火樣品硬度曲線

利用金相顯微鏡對(duì)不同溫度取樣進(jìn)行觀察，如圖3所示.樣品以1℃/s的速度連續(xù)冷卻到室溫的金相組織照片如圖3(a)所示，主要發(fā)生了鐵素體相變，轉(zhuǎn)變組織為多邊形鐵素體及少量珠光體組織，其中原奧氏體晶界消失.當(dāng)650℃進(jìn)行中間淬火時(shí)，多邊形鐵素體數(shù)量減少，鐵素體晶粒相互連接，存在40%左右奧氏體未轉(zhuǎn)變，快冷時(shí)轉(zhuǎn)變成板條貝氏體及少量的馬氏體(圖3(b)).圖3(c)為680℃進(jìn)行中間淬火時(shí)試樣的金相照片，該溫度與先共析鐵素體相變溫度較為接近，主要是在原奧氏體晶界上出現(xiàn)了沿晶鐵素體，該溫度下未轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)在60%左右.晶界上形成的鐵素體沿晶界生長(zhǎng)，它們之間斷續(xù)相連.700℃中間淬火的金相照片如圖3(d)所示，該溫度基本為相變開始溫度，因此，形成的體素體更少.可見650℃以前轉(zhuǎn)變的組織是擴(kuò)散型相變.在仿晶界鐵素體形成的過程中，由于溶質(zhì)原子進(jìn)一步向未轉(zhuǎn)變奧氏體富集，鐵素體與奧氏體之間的界面溶質(zhì)元素濃度更高，鐵素體轉(zhuǎn)變受到抑制.

圖3 1#樣品中間淬火樣品金相照片

根據(jù)熱模擬數(shù)據(jù)(圖4)可以看出，1#鋼鐵素體相變開始溫度在700℃左右，因此，當(dāng)在此溫度進(jìn)行取樣時(shí)，由于奧氏體進(jìn)行快冷，因此，得到大量的馬氏體板條與貝氏體組織;而當(dāng)取樣溫度低于鐵素體相變溫度時(shí)，會(huì)存在取樣之前預(yù)先轉(zhuǎn)變部分鐵素體，未轉(zhuǎn)變部分在快冷時(shí)形成馬氏體與貝氏體.隨著取樣溫度的降低鐵素體的轉(zhuǎn)變更加充分，因此，鐵素體的體積分?jǐn)?shù)隨之升高(圖3).

圖4 1#鋼1℃/s冷卻熱膨脹曲線

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，在鐵素體開始相變初期，鐵素體體積較少.透射電鏡觀察如圖5所示，在700℃進(jìn)行取樣時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，鐵素體處于形核初期并未形成連續(xù)性整塊的鐵素體晶粒，其中還有大量殘余奧氏體，在隨后的快速冷卻過程中形成馬氏體組織，其中并未發(fā)現(xiàn)析出物顆粒，而與之相鄰的少量鐵素體中出現(xiàn)了析出物顆粒.在680℃進(jìn)行取樣(圖5(b))時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有少量鐵素體出現(xiàn)，盡管體積分?jǐn)?shù)仍然較低，但鐵素體形貌已經(jīng)較為完整，已經(jīng)形成連續(xù)完整的塊狀組織.由圖5(b)可以看到，上方馬氏體部分并沒有發(fā)現(xiàn)析出顆粒.圖5(b)下方為鐵素體，可以看出，此時(shí)體素體晶粒內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)大量的析出物，二者以晶界為邊界劃分明顯.通過對(duì)650℃取樣的樣品進(jìn)行透射電鏡觀察(圖5(c))可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)鐵素體內(nèi)出現(xiàn)了大量的析出物顆粒，并且析出物分布呈條帶狀排列，可以肯定這些析出物是在鐵素體相變過程中由于溶解度的不同而形成的相間析出.當(dāng)樣品以1℃/s冷卻至室溫后，通過透射電鏡觀察(圖5(d))可以看到，析出物數(shù)量大，并且鐵素體顆粒體積分?jǐn)?shù)很高，這是因?yàn)楦邷貐^(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng)，鐵素體得以充分的相變，隨著快速的冷卻，碳經(jīng)過充分的擴(kuò)散，在鐵素體的邊界處形成一些珠光體組織.

圖5 1#鋼中間淬火樣品透射電鏡照片

為了比較在相同的冷卻速度下鐵素體與貝氏體內(nèi)含銅相的析出行為，分別對(duì)2#、3#鋼進(jìn)行了連續(xù)冷卻試驗(yàn).由圖6(a)金相照片可以看到，2#鋼在冷卻速度1℃/s冷卻時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體組織.而3#鋼由于添加了大量的合金元素，奧氏體區(qū)域被擴(kuò)大，鐵素體區(qū)減小，貝氏體相變溫度提高，因此，在較低的冷速下也能得到貝氏體組織，如圖6(b)、(c)所示，其中以粒狀貝氏體為主，且含有少量板條狀貝氏體，但晶粒內(nèi)的板條束不明顯.當(dāng)冷卻速度增加到5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要以板條狀貝氏體為主及一部分粒狀貝氏體(圖6(d))，原始奧氏體晶界清晰，不同方向的板條束將原奧氏體晶粒分割成不同區(qū)域.

圖6 連續(xù)冷卻金相照片

通過透射電子顯微鏡可以更加直觀地看到連續(xù)冷卻后的組織形貌(圖7)，盡管2#、3#鋼銅含量接近，但在連續(xù)冷卻過程中銅的析出行為卻并不相同.當(dāng)2#鋼在1℃/s冷速冷卻時(shí)(圖7(a))，鐵素體基體中產(chǎn)生大量的銅析出顆粒，顆粒呈條帶狀排列.當(dāng) 3#鋼冷卻速度為 0.5℃/s時(shí)(圖7(b))，所產(chǎn)生的組織多粒狀貝氏體，原奧氏體晶界較為明顯，其中位錯(cuò)密度較低.當(dāng)冷卻速度為1℃/s時(shí)(圖7(c))，所產(chǎn)生的組織仍多為粒狀貝氏體，但其間位錯(cuò)密度已經(jīng)有了較大的增加.當(dāng)冷卻速度為5℃/s時(shí)，板條狀組織明顯增多，如圖7(d)所示為三叉晶界處形貌，圖上方和左部均為板條狀組織，而圖右側(cè)則存在一部分粒狀貝氏體組織.經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，盡管連續(xù)冷卻后所形成的組織略有不同，但其間并未發(fā)現(xiàn)明顯的析出物存在.

圖7 連續(xù)冷卻透射照片

3 討論

在鐵素體相變過程中，由于在鐵素體與奧氏體中溶解度的不同，使原子通過γ/α界面進(jìn)行擴(kuò)散［8］.在連續(xù)冷卻過程中，隨著原子在γ/α界面的富集，相間沉淀會(huì)在鐵素體/奧氏體界面形核［9］.這種析出物呈條帶狀排列，如圖3(c)所示，可以看到在馬氏體中并沒有析出物顆粒存在，這是因?yàn)轳R氏體相變是無擴(kuò)散相變之一，相變時(shí)沒有穿越界面的原子無規(guī)行走或順序跳躍，因而新相(馬氏體)承襲了母相的化學(xué)成分和晶體缺陷，屬于切變相變，并且馬氏體長(zhǎng)大速率一般較大，有的甚至高達(dá)105cm/s［10］，這些條件都不利于銅原子的富集和析出，因此，馬氏體在連續(xù)冷卻過程中并無析出現(xiàn)象(圖8(a)).而鐵素體形核速率相對(duì)較慢并且屬于擴(kuò)散相變，銅原子可以在鐵素體與奧氏體之間遷移.由于銅在兩相中存在濃度差，因此，隨著相界的移動(dòng)，銅在晶界處富集并且析出，形成一系列相間沉淀(圖8(b)).

圖8 1#鋼680℃中間淬火樣品透射電鏡照片

通過對(duì)650℃取樣的樣品進(jìn)行透射電鏡觀察(圖9)可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)鐵素體內(nèi)出現(xiàn)了大量的析出物顆粒，且析出物分布呈條帶狀排列(圖9(a)).析出物排列與鐵素體晶界方向有著相同的方向，這是典型的相間析出排列方式［11］，可以肯定這些析出物是在鐵素體相變過程中由于溶解度的不同而形成的相間析出.經(jīng)過能譜分析發(fā)現(xiàn)銅含量為18.5%，可以定性為富銅相析出物.經(jīng)過電子衍射標(biāo)定發(fā)現(xiàn)析出物并非ε－Cu顆粒.可以看出，在連續(xù)冷卻過程中，組織對(duì)析出物影響較為明顯.當(dāng)冷卻速度較慢并且產(chǎn)生鐵素體的組織類型中，隨著鐵素體相變的產(chǎn)生，銅顆粒隨著相界的移動(dòng)而產(chǎn)生，這是由于銅在鐵素體和奧氏體中的溶解度不同，在溶解度較小的鐵素體一方銅原子來不及及時(shí)地?cái)U(kuò)散，因此，在銅原子富集的晶界處析出，其分布狀態(tài)為沿著鐵素體/奧氏體晶界方向呈條帶狀排列.快速冷卻所產(chǎn)生的馬氏體以切變形式完成相變，因此，并無析出物產(chǎn)生.當(dāng)冷卻速度較慢，但由于添加合金元素而使得相變產(chǎn)物為貝氏體的組織中，由于同樣的原因并未產(chǎn)生析出物顆粒［12］.2#、3#鋼銅含量相近，但3#鋼添加了較多的合金元素仍不能促使銅顆粒在貝氏體中的析出，可見組織對(duì)銅的相間析出有較大的影響.

圖9 1#鋼650℃中間淬火樣品透射電鏡照片

4 結(jié)論

1)1#樣品經(jīng)過1℃/s冷速冷卻，在不同的溫度進(jìn)行中間淬火，發(fā)現(xiàn)在鐵素體相變點(diǎn)之前并未出現(xiàn)銅析出顆粒，當(dāng)取樣溫度低于鐵素體相變點(diǎn)時(shí)，在鐵素體內(nèi)出現(xiàn)銅析出顆粒，并且析出物以相間沉淀方式析出.在沒有發(fā)生鐵素體相變的部分，快速冷卻后轉(zhuǎn)化為馬氏體，其間并無銅析出顆粒.

2)2#樣品經(jīng)過1℃/s冷速冷卻，鐵素體組織內(nèi)存在大量銅析出顆粒，呈條帶狀排列.而與2#鋼銅含量相近的3#樣品經(jīng)過不同的冷卻速度冷卻后，由于合金元素的添加，在冷速較慢的情況下相變組織主要為貝氏體，由于貝氏體鐵素體以切變方式轉(zhuǎn)變，不會(huì)出現(xiàn)原子的重新分布，因此，并未產(chǎn)生銅析出現(xiàn)象.

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Influence of microstructure on precipitation of steel bearing copper

LI Chuang，WANG Xue-min，SHANG Cheng-jia，WU Hui，HE Xin-lai
(School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China，E-mail:lichuang1981@yahoo.com.cn)

To investigate the precipitation behavior of Cu-bearing steels during continuous cooling，different microstructure resulting from different cooling rates and temperature of interrupted cooling and quenching was obtained.The optical microscope and TEM were employed to study the influence of microstructure on the precipitation process.The results show that when the microstructure is ferrite the second-phase precipitates occurs.However there are no obvious precipitates in bainite and martensite.When the microstructure is complex，the precipitates are observed in the ferrite only.The second-phase precipitates are copper-rich particles which are formed by the way of inter-phase precipitation.

continuous cooling;interrupted cooling;ferrite;bainite;martensite;inter-phase precipitation

TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)04－0006－05

2010－07－09.

國家科技研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008AA03Z501).

李 闖(1981－)，男，博士研究生.

(編輯 呂雪梅)