含Zr低碳鋼中針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變行為

供稿|燕際軍，石明浩，張朋彥 / YAN Ji-jun, SHI Ming-hao, ZHANG Peng-yan

作者單位：1. 本鋼技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000；2. 東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110004

針狀鐵素體(Acicular Ferrite，AF)在鋼中特定的夾雜物上形核，尺寸細(xì)小并以大角晶界相互交錯(cuò)，提高了材料的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性[1-2]。這種組織最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用于低合金鋼焊縫中，因?yàn)楹缚p金屬中豐富的夾雜物為針狀鐵素體轉(zhuǎn)變提供了有利條件。后來人們利用針狀鐵素體組織來提高鋼材焊接熱影響區(qū)(HAZ)韌性，并成為大線能焊接鋼開發(fā)的重要手段[3]。并且基于通過對非金屬夾雜物的控制實(shí)現(xiàn)針狀鐵素體組織調(diào)控的理念提出氧化物冶金(Oxide Metallurgy)和夾雜物工程(Inclusion Engineering)[4-6]的概念。

近年來，已經(jīng)把氧化物冶金技術(shù)應(yīng)用于鑄件、連鑄薄帶、厚板、型鋼的開發(fā)中，并取得了顯著進(jìn)展[7-11]。與其相關(guān)的基礎(chǔ)研究也不斷擴(kuò)展和深入，包括針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、形態(tài)學(xué)、晶體學(xué)，以及夾雜物的控制和形核機(jī)理等[12-13]。常用的對形核有效的夾雜物有TiOx、CaO、MgO、VN、CuS、MnS、尖晶石等的單相或復(fù)合夾雜物。

鋯(Zr)一直以來主要用于硫化物夾雜的變質(zhì)處理。隨冶煉技術(shù)的發(fā)展硫化物得到精確控制，Zr變質(zhì)作用的重要性降低。但，Zr氧化物促進(jìn)針狀鐵素體形核的能力引起人們的關(guān)注，研究表明其對提高材料性能有積極作用[14-20]，對其更深入的研究非常必要。而且，對含Zr低碳鋼不同溫度下針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變行為研究較少，本文通過相變儀實(shí)驗(yàn)和組織觀察，研究了Zr處理低碳鋼不同等溫條件下針狀鐵素體組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，提供Zr處理鋼相變動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

—在2018洛杉磯車展上，針對媒體提問的采用轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的馬自達(dá)跑車何時(shí)亮相，馬自達(dá)動(dòng)力總成研發(fā)總監(jiān)給出了以上回答

實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)用鋼在實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐中熔煉并真空澆鑄成40 kg圓柱形鋼錠。測得實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為C 0.10%，Si 0.19%，Mn 1.50%，P 0.007%，S 0.006%，Als 0.025%，Zr 0.05%，Ti 0.015%，N 0.0039%，O 0.0016%。鋼錠加熱至1200℃在熱軋機(jī)上進(jìn)行開坯，坯料再加熱至1200℃進(jìn)行熱軋，軋制溫度范圍為900~1100℃，終軋厚度為12 mm。

以軋態(tài)鋼板為原料加工等溫?zé)崽幚韺?shí)驗(yàn)試樣，等溫處理實(shí)驗(yàn)在Formastor-FⅡ型全自動(dòng)相變儀上進(jìn)行，試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長10 mm、直徑3 mm的圓柱，在試樣一端加工凹槽焊接熱電偶。實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如圖1所示，試樣在真空環(huán)境下加熱至1150℃，保溫3 min后吹氬氣，以80℃/s的速度分別冷卻至700、650、600、550、500℃并恒溫180 s，之后以80℃/s的速度冷卻至室溫，采用高精度高速膨脹儀記錄試樣軸向膨脹量。試樣沿縱剖面切開，經(jīng)機(jī)械研磨拋光，用4%硝酸酒精侵蝕顯示微觀組織，用光學(xué)顯微(OM)和掃描電鏡(SEM)觀察各工藝試樣的組織形貌，并對試樣夾雜物成分能譜分析(EDS)。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼等溫處理工藝示意圖

結(jié)果與討論

不同溫度下的組織轉(zhuǎn)變

圖2 不同溫度下恒溫180 s的組織轉(zhuǎn)變金相照片

試樣中夾雜物尺寸絕大部分在0.5~3 μm范圍內(nèi)，由于熱軋加工除個(gè)別MnS為主的夾雜物產(chǎn)生變形外，絕大部分夾雜物為球形或接近球形，Zr處理對夾雜物尺寸分布和形態(tài)控制作用明顯。對夾雜物成分EDS分析如圖3所示。夾雜物表面某點(diǎn)的成分為MnS、ZrO2或MnS與Zr、Al、Ti的氧化物的復(fù)合物，但其整體成分構(gòu)成應(yīng)更復(fù)雜。Zr的氧化物能夠促進(jìn)針狀鐵素體的形成已經(jīng)被許多文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，Zr氧化物夾雜的形核機(jī)理多認(rèn)為與MnS的復(fù)合析出有關(guān)[17-20]。文獻(xiàn)[16]指出Ti和Zr的復(fù)合氧化物促進(jìn)針狀鐵素體形核，而單純的ZrO2則不能形核。Zr與O的親和力強(qiáng)，ZrO2熔點(diǎn)高密度也較大，能夠大量細(xì)小地分布在鋼液中而不上浮，在冷卻過程中能夠作為MnS(及其他夾雜物)的析出核心。MnS的析出在夾雜物周圍可形成貧Mn區(qū)，提高奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度，因此能促進(jìn)針狀鐵素體形核。雖然到目前為止夾雜物對針狀鐵素體的形核機(jī)理仍未完全確定，但本實(shí)驗(yàn)中采用Zr處理對針狀鐵素體轉(zhuǎn)變起到了明顯的促進(jìn)作用。

根據(jù)圖2中(c)和(h)所示，針狀鐵素體的形核開始溫度在600~650℃之間，這與Zhang X F等人[21]利用高溫顯微鏡進(jìn)行原位觀察針狀鐵素體高溫轉(zhuǎn)變的結(jié)果一致。先共析鐵素體的形成溫度高于針狀鐵素體組織，在較高溫度時(shí)在奧氏體晶界處先形核長大。由圖2中(d)和(i)可以看出針狀鐵素體轉(zhuǎn)變非常迅速，可以推斷其轉(zhuǎn)變機(jī)制和貝氏體相似，屬于切變型轉(zhuǎn)變。

馬麗亞狠狠地說：“哼，不要高興得太早了，我們就騎驢看唱本，走著瞧吧！”馬麗亞說完，狠狠剜了竹韻一眼氣沖沖而去，那一眼剜得竹韻頭皮發(fā)麻。

夾雜物對針狀鐵素體的影響

圖2 為不同溫度下恒溫180 s的金相組織。隨著恒溫溫度的降低針狀鐵素體的含量增加，在500℃時(shí)，占據(jù)整個(gè)奧氏體晶粒，使得奧氏體晶界不明顯。轉(zhuǎn)變初期，沿著奧氏體晶界處形成大量的先共析鐵素體，在晶粒內(nèi)部觀察到少量的晶內(nèi)多邊形鐵素體形核，如圖2中(c)和(h)所示。隨著溫度的降低，針狀鐵素體迅速形核長大，形成四周放射狀的典型針狀鐵素體組織，如圖2中(d)和(i)所示。圖2中(e)和(j)為500℃的針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變組織，可以看出針狀鐵素體迅速形核長大，抑制了先共析鐵素體在晶界處的形核長大，針狀鐵素體特殊的形狀特征將奧氏體晶粒分割成較小的區(qū)域，從而起到了細(xì)化奧氏體晶粒的作用。

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼中促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核的夾雜物能譜：(a) 600℃；(b ~ d) 500℃

結(jié)束語

(1) 本實(shí)驗(yàn)中針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變開始溫度為600~650℃。針狀鐵素體轉(zhuǎn)變非常迅速，其轉(zhuǎn)變機(jī)制和貝氏體相似，屬于切變型轉(zhuǎn)變。先共析鐵素體的形成溫度高于針狀鐵素體組織，在較高溫度時(shí)在奧氏體晶界處先形核長大。

快要走到體育館的門口時(shí)，校長突然停下來，對愛德華說：“你去給客人們講講那里的陳列品吧?！毙ｉL說完沖我們意味深長地笑笑，停下腳步，跟正在做樓體保潔的工作人員閑聊起來。愛德華突然興奮不已，他跑過去，指點(diǎn)著門口陳列架上的陳列品，滔滔不絕地告訴我們哪個(gè)獎(jiǎng)杯是哪次比賽得來的，哪件球衣是哪個(gè)校友在哪場大賽中穿過的……我們問他，你怎么對這些信息掌握得這么全面準(zhǔn)確呀？他得意地一笑說：“我是學(xué)校橄欖球隊(duì)的。你們看我領(lǐng)帶上繡的這個(gè)圖案，這就是橄欖球隊(duì)的標(biāo)志?！?/p>

(2) Zr處理低碳鋼中夾雜物多為球形，尺寸細(xì)小分布彌散，明顯促進(jìn)了針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，Zr氧化物上針狀鐵素體形核與MnS或其他氧化物的復(fù)合析出有關(guān)。

攝影 左文燕