含釩高錳奧氏體鋼中碳化釩纖維狀沉淀的透射電鏡觀察

王 崗，覃作祥

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

碳化釩的纖維沉淀現(xiàn)象多出現(xiàn)在含釩低合金鋼的等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程，往往是與γ→α轉(zhuǎn)變相界的遷移有關(guān)［1-2］，當(dāng)奧氏體—鐵素體界面生長(zhǎng)速度很慢時(shí)，碳化物的生長(zhǎng)方向平行于奧氏體—鐵素體界面推進(jìn)方向，生成指向α/γ界面的細(xì)條狀纖維沉淀［3］，同時(shí)在珠光體鐵素體中也存在部分相間沉淀與珠光體之間的纖維狀沉淀，這種纖維沉淀是在γ→α轉(zhuǎn)變的最后階段通過(guò)長(zhǎng)范圍的擴(kuò)散而生成［4］，共晶分解模型中認(rèn)為當(dāng)奧氏體—碳化物界面、奧氏體—鐵素體界面的生長(zhǎng)速度較大時(shí)才會(huì)形成纖維狀碳化物［5］.顯然碳化釩在奧氏體鋼的纖維狀析出不同于這種低合金鋼中沉淀機(jī)制.目前，有關(guān)碳化釩沉淀粒子在奧氏體鋼中形成纖維狀析出的報(bào)道相對(duì)較少，Ainsley等人［6］對(duì)Fe-Mn-V-C奧氏體鋼不連續(xù)沉淀粒子析出用透射電鏡分析觀察時(shí)指出:碳化釩粒子的沉淀形態(tài)由邊界結(jié)構(gòu)決定，纖維狀沉淀析出是在筆直晶界處形成，認(rèn)為筆直晶界處具有低的多樣性，存在高密度的重合位置點(diǎn)陣，有利于形成有規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)狀纖維沉淀，但不能說(shuō)明晶粒內(nèi)細(xì)長(zhǎng)的纖維狀沉淀析，朱乃平［7］也曾在Fe-Mn-Al系奧氏體鋼中觀察到纖維狀析出，但并沒(méi)有解釋這種特殊沉淀形態(tài)的形成原因.為此，本文探討了碳化釩沉淀粒子在Fe-Mn基奧氏體鋼中形成纖維沉淀的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)和影響因素.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用的合金均采用工業(yè)純鐵、電解錳(經(jīng)熔化去氣處理)、工業(yè)純鋁、純鉻、純釩等作為冶煉原料，在中頻感應(yīng)爐充氬氣保護(hù)條件下冶煉，澆鑄成12 kg的鑄錠，合金的化學(xué)成分分別如下:Mn 為 19.45%;Al為 2.50%;C 為 0.30%;V 為1.01%;Si為 0.05%;P 為 0.007%;S 為0.024%;其余為 Fe.

在1 150℃均勻化退火，保溫2h，而后鋼錠在1150～850℃鍛成18 mm×18 mm的方棒，冷至室溫.將方棒上在1 150℃進(jìn)行固溶處理后用線切割機(jī)切出適宜大小的試樣若干，每組試樣分別進(jìn)行不同溫度、不同時(shí)間時(shí)效處理以及不進(jìn)行時(shí)效處理.

TEM樣品先經(jīng)切割后磨至30～40 μm，用沖孔器沖出φ3 mm的小圓片，最后采用Gatan離子減薄儀進(jìn)行減薄.設(shè)置離子束的起始角度為8°，減薄過(guò)程中逐漸降低離子束角度，在試樣將要穿孔時(shí)將角度減小到5°，待發(fā)現(xiàn)試樣穿孔后，再將離子束入射角度減小到4°，再減薄約15 min擴(kuò)大薄區(qū)，以便更好觀察.本實(shí)驗(yàn)TEM觀察采用JEM-2100F場(chǎng)發(fā)射透射電鏡，加速電壓200 kV.

2 結(jié)果與分析

2.1 沉淀形貌和分布

圖1 合金在650℃×20 h時(shí)效處理的TEM像

Fe-20Mn-2.5Al-0.3C-1V 合金在 650℃短時(shí)間時(shí)效，由于釩含量較低，碳化物析出量少，且顆粒非常小，很難區(qū)分，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物粒子長(zhǎng)大，粒子形狀也變規(guī)則.在對(duì)650℃ ×20 h時(shí)效處理的TEM樣品觀察可知基體中彌散析出大量點(diǎn)沉淀，同時(shí)還存在一定量位錯(cuò)沉淀，沉淀粒子尺寸僅為5～10 nm，如圖1(a)、1(b)所示.同時(shí)在局部區(qū)域觀察到短小且排列規(guī)則的纖維狀析出，如圖1(c)，從暗場(chǎng)圖1(d)可以清楚地看出這種纖維狀沉淀沿著同一方向擴(kuò)展，沉淀粒子排列十分整齊，纖維狀沉淀的長(zhǎng)度在200～500 nm.隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，沉淀粒子逐漸長(zhǎng)大，并且出現(xiàn)一定的偏聚現(xiàn)象，650℃ ×40 h時(shí)效處理后沉淀粒子尺寸達(dá)到20 nm，沉淀粒子長(zhǎng)大速度并不是很快，如圖2所示.從圖2(a)中可以觀察到具有一定寬度相互平行的層錯(cuò)沉淀且與周圍纖維沉淀的長(zhǎng)度相近，只是擴(kuò)展方向不同.

圖2 合金在650℃×40 h時(shí)效處理的TEM像

圖3 750℃×1 h時(shí)效處理的TEM像

750℃ ×1 h時(shí)效處理后樣品進(jìn)行觀察時(shí)也同樣在局部發(fā)現(xiàn)細(xì)小的纖維狀沉淀析出，如圖3(a)所示.同時(shí)在纖維狀沉淀析出處有明顯的未發(fā)生沉淀的位錯(cuò)線(圖3(b))，在14 h時(shí)效處理后由于沉淀粒子粗化，纖維狀析出并不是十分明顯，但同樣可以觀察到在筆直線上的析出，纖維狀沉淀的長(zhǎng)度達(dá)到1 000 nm.在750℃時(shí)效處理?xiàng)l件下同樣觀察到高密度層錯(cuò)沉淀，可觀察到明顯的層錯(cuò)條紋線，層錯(cuò)寬度在50～100 nm，層錯(cuò)之間也是相互平行，且每個(gè)層錯(cuò)都由單獨(dú)的不全位錯(cuò)擴(kuò)展形成，故層錯(cuò)也出現(xiàn)斷續(xù)的分離狀態(tài)(圖4(b)).

圖4 750℃×14h時(shí)效處理的TEM像

隨著時(shí)效溫度的提升，碳化釩析出速度加快，在800℃處理沒(méi)有觀察到明顯的基體點(diǎn)沉淀，主要觀察到位錯(cuò)沉淀、層錯(cuò)沉淀和具有細(xì)長(zhǎng)纖維狀的沉淀，而在高溫條件下層錯(cuò)擴(kuò)展已經(jīng)達(dá)到幾微米.800℃ ×0.2 h時(shí)效處理的樣品中TEM觀察到長(zhǎng)度達(dá)幾微米的纖維沉淀，有趣的是部分纖維狀沉淀相交，夾角在60°左右，如圖5(a)所示.同時(shí)，這種長(zhǎng)達(dá)幾微米的纖維沉淀，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，數(shù)量明顯增多，在800℃ ×5 h時(shí)效處理后觀察到高密度的細(xì)長(zhǎng)纖維析出，如圖5(b)所示.

圖5 800℃不同時(shí)效處理后的TEM像

在850℃ ×0.1 h時(shí)效處理后觀察到寬度為150 nm長(zhǎng)度達(dá)幾微米的層錯(cuò)條帶，部分層錯(cuò)帶相交，夾角在60°左右，與800℃ ×0.2 h時(shí)效樣品觀察到相交的纖維狀析出有相似的角度，如圖6(a)所示.在850℃ ×0.6 h時(shí)效處理后的TEM樣品觀察到大量位錯(cuò)沉淀中間分布著細(xì)長(zhǎng)的層錯(cuò)沉淀，同時(shí)在局部區(qū)域同樣觀察到筆直相交的層錯(cuò)，夾角為60°左右，由薄區(qū)可明顯看到細(xì)小的沉淀粒子在層錯(cuò)上有規(guī)律的線性分布(圖6(b)).

圖6 850℃不同時(shí)效處理后的TEM像

2.2 纖維沉淀分析

在高溫和較低溫下時(shí)效處理都觀察到明顯的纖維狀沉淀，較低溫下呈現(xiàn)短小態(tài)，高溫下表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)規(guī)則直線分布，但這些纖維沉淀都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即周圍都分布著位錯(cuò)沉淀，位錯(cuò)沉淀是指在沉淀粒子在位錯(cuò)線上析出，由于位錯(cuò)線一般是彎曲狀態(tài)，很少有筆直的，并且更不可能是有規(guī)則的平行直線型分布，故排除這種纖維沉淀是位錯(cuò)沉淀的可能，Ainsley等人［4］對(duì)Fe-Mn-V-C奧氏體鋼不連續(xù)沉淀粒子析出用透射電鏡分析觀察時(shí)指出:碳化釩粒子的沉淀形態(tài)由邊界結(jié)構(gòu)決定，纖維狀沉淀析出是在筆直晶界處形成，認(rèn)為筆直晶界處具有低的多樣性，存在高密度的重合位置點(diǎn)陣，有利于形成有規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)裝纖維沉淀，但不能說(shuō)明晶粒內(nèi)的纖維狀沉淀，這種纖維沉淀應(yīng)該屬于V4C3在某一晶面上擇優(yōu)析出.

在Fe-Mn基奧氏體鋼中碳化釩沉淀粒子的析出除基體點(diǎn)沉淀和位錯(cuò)沉淀，還存在層錯(cuò)沉淀，同時(shí)在650℃ ×40 h時(shí)效處理的TEM像觀察到具有一定寬度相互平行的層錯(cuò)沉淀且與周圍纖維沉淀的長(zhǎng)度相近，只是擴(kuò)展方向不同，而在高溫下時(shí)效處理層錯(cuò)沉淀和纖維沉淀都的長(zhǎng)度都比低溫下形成的長(zhǎng)度有十分顯著變長(zhǎng)現(xiàn)象，似乎兩者的變化處于同步狀態(tài)，同時(shí)高溫下相交的纖維沉淀的夾角與相交層錯(cuò)的夾角十分接近，都在60°左右，而層錯(cuò)在晶體學(xué)結(jié)構(gòu)上是有一定寬度筆直的條帶，層錯(cuò)沉淀通過(guò)Frank不全位錯(cuò)的不斷攀移形成，在不全位錯(cuò)不斷擴(kuò)展的同時(shí)沉淀粒子即在層錯(cuò)上形核長(zhǎng)大，層錯(cuò)上沉淀粒子的形核是與層錯(cuò)生長(zhǎng)同步進(jìn)行，這樣使在層錯(cuò)條帶上形成排列規(guī)則的沉淀粒子［8］.在低溫條件下形成的基體點(diǎn)沉淀，對(duì)不全位錯(cuò)的阻礙作用較大，形成的層錯(cuò)條帶則較短，在高溫條件下，沉淀粒子快速在位錯(cuò)上形核長(zhǎng)大，不形成彌散的基體點(diǎn)沉淀，位錯(cuò)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使全位錯(cuò)分解為不全位錯(cuò)，通過(guò)攀移形成層錯(cuò)，并伴隨沉淀粒子不斷在層錯(cuò)上形核、長(zhǎng)大.在TEM下觀察樣品時(shí)，如果層錯(cuò)條帶形成是垂直于樣品觀察平面時(shí)，則只能觀察到層錯(cuò)條帶的一個(gè)邊，就會(huì)出現(xiàn)沉淀粒子在一條線上規(guī)則排列的現(xiàn)象，同時(shí)在不同時(shí)效條件下觀察到的纖維沉淀和層錯(cuò)沉淀都是同步變化，故認(rèn)為Fe-Mn基奧氏體鋼中碳化釩纖維狀沉淀是沿著層錯(cuò)線析出所觀察到的一個(gè)邊界.

3 結(jié)論

(1)Fe-20Mn-2.5Al-1V奧氏體鋼在 650～850℃時(shí)效處理后均能觀察到纖維狀沉淀粒子析出，在時(shí)效溫度低時(shí)纖維狀沉淀粒子以短小、分散式分布，在時(shí)效溫度高時(shí)則形成高密度、細(xì)長(zhǎng)態(tài);

(2)沉淀粒子的析出對(duì)時(shí)效溫度十分敏感，恒溫下沉淀粒子的長(zhǎng)大傾向并不顯著;

(3)Fe-20Mn-2.5Al-1V奧氏體鋼中的纖維狀沉淀成因是層錯(cuò)沉淀.

［1］HONEYCOMBE R，MEHL R.Transformation from austenite in alloy steels［J］.Metallurgical Transactions A，1976，7(7):915-936.

［2］LAW N C，PARSONS S A，HOWELL P R，et al.Crystallography of carbide precipitation at transformation interfaces during austenite decomposition in a low-alloy steel［J］.Materials science and technology，1987，3(8):642-648.

［3］RICKS R A，HOWELL R.The formation of discrete precipitate dispersions on mobile interphase boundaries in iron-base alloys［J］.Acta Metall，1983，31:853-861.

［4］CHEN M Y，YEN H W，YANG J R.The transition from interphase-precipitated carbides to fibrous carbides in a vanadium-containing medium-carbon steel［J］.Scripta Materialia，2013，68(11):829-832.

［5］劉成寶，陳輝，蔡曉輝.含釩低合金高強(qiáng)鋼的沉淀析出行為［J］.山東冶金，2013，35(5):24-26.

［6］AINSLEY M，COCKS G，MILLER D.Influence of grain boundary structure on discontinuous precipitation in austenitic steel［J］.Metal Science，1979，13(1):20-24.

［7］朱乃平，張彥生，師昌緒.Fe-Mn-Al系奧氏體鋼中V4C3的沉淀行為［J］.金屬學(xué)報(bào)，1988，24(Suppl.Ⅱ):SA15-SA20.

［8］VAN ASWEGEN J，HONEYCOMBE R，WARRINGTON D.Precipitation on stacking faults in Cr-Ni austenitic steels［J］.acta metallurgica，1964，12(1):1-13.