304/Q235B熱軋復(fù)合板界面的顯微組織特征

王 震，葉靜靜，張慶安，張慶峰，焦四海

(1.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海201900）

單一金屬材料由于自身性能特點(diǎn)的限制使其難以滿足特種行業(yè)對(duì)材料特殊使用性能的要求[1-2]。不銹鋼復(fù)合板是以碳鋼或低合金鋼為基層、不銹鋼為覆層，通過軋制、爆炸等復(fù)合方式制備而成的。因覆層材料具良好的抗腐蝕性，又具基層材料低成本與良好塑韌性的優(yōu)點(diǎn)，致使不銹鋼復(fù)合板成功應(yīng)用于核電、水電、壓力容器、石油、化工、裝飾等行業(yè)領(lǐng)域[3-4]。

目前生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合板的方法主要為熱軋法，這種方法不僅效率高、成本低，還可彌補(bǔ)爆炸復(fù)合技術(shù)的生產(chǎn)缺陷[5-6]。但熱軋復(fù)合板結(jié)合界面的高溫氧化易導(dǎo)致氧化物雜質(zhì)存在，從而降低了復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度[7-8]。界面結(jié)合強(qiáng)度是評(píng)判復(fù)合板質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，界面顯微組織是影響界面力學(xué)性能的主要因素[9-10]。因此，學(xué)者們對(duì)不銹鋼復(fù)合板的顯微組織特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：不銹鋼/碳鋼復(fù)合板界面的組織一般為不銹鋼基體、界面復(fù)合區(qū)（即過渡層）、脫碳區(qū)和碳鋼基體4 個(gè)區(qū)域[11-15]。其中過渡層較薄、僅幾微米，致使其透射電鏡樣品的制備較為困難，鮮少有學(xué)者對(duì)過渡層的組織特征進(jìn)行深入研究，但過渡層的顯微組織對(duì)界面力學(xué)性能影響很大。為此，筆者以304/Q235B熱軋復(fù)合板界面為對(duì)象，采用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等手段研究304/Q235B復(fù)合板界面的顯微組織，尤其是過渡層的顯微組織特征。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為304/Q235B熱軋復(fù)合板，厚度為44 mm。其中：304不銹鋼厚度為4 mm；Q235B碳鋼厚度為40 mm。實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分,w/%Tab.1 Chemical compositions of test steels,w/%

1.2 金相顯微鏡及掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)用復(fù)合鋼板切割成10 mm×10 mm×10 mm方塊試樣，分別用200#、400#、600#、800#砂紙打磨，后用酒精洗滌干凈。在拋光機(jī)上機(jī)械拋光試樣的橫截面，直到呈鏡面，并保證拋光面和其對(duì)面平行。及時(shí)用水沖洗拋光試樣，用濕棉布輕輕擦拭拋光表面的殘留水跡，用膠頭滴管滴幾滴酒精至試樣表面，并用吹風(fēng)機(jī)以45°角斜吹試樣，去除酒精保證試樣完全干燥；用直流穩(wěn)壓電源電解腐蝕試樣，腐蝕劑為體積比1∶10的高氯酸和醋酸溶液，待試樣周圍冒細(xì)小氣泡(約10 s)后取出；接著用手指涂抹洗滌劑擦洗試樣腐蝕表面，再用清水沖洗，多次反復(fù)，直至表面無黑暗色斑塊，用吹風(fēng)機(jī)吹干。采用ZEISS Axiovert 40 mAT光學(xué)金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用NOVA NANO SEM430掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察復(fù)合板過渡層的顯微組織特征與厚度等，并對(duì)界面區(qū)域進(jìn)行線掃描能譜(energy disperse spectroscopy,EDS)分析，觀察合金元素在界面區(qū)域的分布。

1.3 透射電鏡實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)用復(fù)合鋼板沿厚度方向切割成10 mm×10 mm×0.8 mm 的片狀試樣(包含過渡層)，分別用80#、200#、400#、600#、800#砂紙對(duì)其進(jìn)行減薄，減薄至30 μm左右時(shí)，用沖片器沖片。沖片時(shí)盡量使過渡層界面在直徑為3 mm的圓片中間，然后使用Gatan 691離子減薄儀對(duì)圓片試樣進(jìn)行定點(diǎn)制備薄區(qū)，減薄成功后使用FEI Tecnai G2 F20場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(transmission electron microscopy,TEM)對(duì)試樣進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 界面顯微組織特征

圖1 304/Q235B復(fù)合板界面的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographic photographs of interface in 304/Q235B clad plate

圖1為不同放大倍數(shù)下304/Q235B復(fù)合板結(jié)合界面處的金相照片。由圖1可以看出：碳鋼與不銹鋼結(jié)合良好，微觀組織中未發(fā)現(xiàn)未焊合的部分，也未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷；復(fù)合板結(jié)合界面處形成一條明顯的界面過渡層；復(fù)合板界面左側(cè)為304不銹鋼基體，組織為奧氏體；界面右側(cè)為Q235B碳鋼基體，組織為鐵素體+珠光體；靠近過渡層的碳鋼區(qū)存在脫碳層，組織為鐵素體。由此可見，304/Q235B復(fù)合板試樣的顯微組織由四部分組成，從左向右依次為304 不銹鋼中的奧氏體組織、過渡層、靠近過渡層的Q235B 鋼脫碳層（鐵素體組織）和Q235B鋼基體中的鐵素體+珠光體組織。這與蔣君[15]報(bào)道的真空熱軋復(fù)合不銹鋼復(fù)合板界面組織特征整體上是一致的。

為進(jìn)一步觀察304/Q235B復(fù)合板界面過渡層和脫碳層的厚度，采用掃描電鏡對(duì)界面組織進(jìn)行分析。圖2為不同放大倍數(shù)下304/Q235B復(fù)合板結(jié)合界面的掃描電子顯微照片。從圖2可看出：過渡層的平均厚度約5 μm，Q235B鋼脫碳層的平均厚度約50 μm。但是，過渡層的組織無法辨認(rèn)，這是由于界面過渡層厚度很小，且樣品腐蝕過程中導(dǎo)致過渡層存在溝槽，掃描電鏡觀察時(shí)由于放電效應(yīng)使得過渡層組織難以清晰觀察，需采用透射電鏡進(jìn)一步分析。

圖2 304/Q235B復(fù)合板界面掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM photographs of interface in 304/Q235B clad plate

2.2 界面元素?cái)U(kuò)散

為進(jìn)一步分析界面過渡層的組織特征，先用能譜分析儀對(duì)界面的元素分布情況進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3。從圖3可發(fā)現(xiàn)：不銹鋼復(fù)合板界面附近出現(xiàn)了Cr、Ni、C等元素的擴(kuò)散區(qū)，這是由于不銹鋼側(cè)和碳鋼側(cè)的化學(xué)成分不同，界面兩邊合金元素存在較高的濃度梯度，致使304/Q235B復(fù)合板熱軋復(fù)合時(shí)合金元素發(fā)生擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散區(qū)；不銹鋼側(cè)Cr、Ni元素含量明顯高于碳鋼側(cè)，使得不銹鋼側(cè)Cr、Ni元素在熱軋過程中由不銹鋼側(cè)向碳鋼側(cè)擴(kuò)散，最終Cr、Ni 元素形成明顯的分布曲線。從分布曲線可看出，Cr 的擴(kuò)散距離大于Ni，這是由于Cr的擴(kuò)散能力強(qiáng)于Ni所致。合金元素在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)可由菲克定律的推導(dǎo)公式計(jì)算得到[16]

式中：D0為頻率因子（是常量）；Q 為擴(kuò)散激活能；R 為氣體常數(shù)；T 為實(shí)驗(yàn)溫度。根據(jù)金屬熔化潛熱能的大小可得出Cr的擴(kuò)散激活能大于Ni[17]。則由式(1)可知Cr的擴(kuò)散系數(shù)大于Ni，由此證明Cr的擴(kuò)散能力比Ni強(qiáng)。

圖3 復(fù)合板界面能譜分析Fig.3 EDS analysis of interface in 304/Q235B clad plate

從圖3(b)可看出：越靠近過渡層，碳的含量越低，故難以觀察到過渡層中碳的擴(kuò)散行為。由于界面碳原子的擴(kuò)散距離很短，僅幾微米，對(duì)遠(yuǎn)處碳濃度的影響很小，因此過渡層的碳濃度分布可由菲克第二定律及半無限長(zhǎng)物體擴(kuò)散問題求解，如下式[16]

式中：D 為碳在不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)；x 為碳原子的擴(kuò)散距離；τ 為擴(kuò)散時(shí)間；w0為不銹鋼側(cè)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w1為碳鋼側(cè)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由此可知，界面附近的碳元素不斷地從碳鋼側(cè)向不銹鋼側(cè)擴(kuò)散，直到碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至w0為止。

2.3 過渡層的微觀組織

圖4 為304/Q235B 復(fù)合板過渡層的透射電鏡照片。從圖4(a)可看出：過渡層兩側(cè)邊界在微觀上呈鋸齒狀；過渡層厚度為5 μm左右，這與掃描電鏡觀察到的結(jié)果一致。由圖4(b)可發(fā)現(xiàn)：過渡層組織主要為板條馬氏體(其選區(qū)電子衍射譜如圖4(c))；馬氏體板條中存在大量位錯(cuò)和析出物。過渡層中板條馬氏體的出現(xiàn)主要與軋制復(fù)合時(shí)Cr、Ni等合金元素的擴(kuò)散有關(guān)，即合金元素和碳元素分別由不銹鋼側(cè)和碳鋼側(cè)向過渡層擴(kuò)散，從而使過渡層的C曲線向右移動(dòng)，降低了淬火的臨界冷卻速度，空冷后即可獲得馬氏體組織[18]。另外，軋制過程中復(fù)合界面處于高應(yīng)力狀態(tài)，塑性變形為其提供了機(jī)械驅(qū)動(dòng)力，使得馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)升高[19-20]。因此在冷卻過程中更易得到馬氏體組織，同時(shí)使馬氏體板條上存在高密度的位錯(cuò)。為進(jìn)一步分析馬氏體板條中的析出物，進(jìn)一步提高電鏡的放大倍數(shù)，圖5為304/Q235B復(fù)合板過渡層中馬氏體板條上析出的碳化物。

圖4 復(fù)合板過渡層的透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 TEM photographs of transition layer in 304/Q235B clad plate

圖5 304/Q235B復(fù)合板過渡層中馬氏體板條上析出的碳化物Fig.5 Carbides precipitated in the martensite lath of transition layer in 304/Q235B clad plate

從圖5(a)，(b)可觀察到，析出物呈針狀并位于馬氏體板條內(nèi)部，長(zhǎng)度約100 nm，直徑約10 nm，其中細(xì)小析出物分布具一定的規(guī)律，沿特定的位相平行分布。分析圖5(c)，(d)可發(fā)現(xiàn)，馬氏體板條中的針狀析出物為M3C型碳化物，這是由于冷卻過程中發(fā)生了馬氏體自回火現(xiàn)象[21-22]。正是由于過渡層化學(xué)成分變化和顯微組織特征使得過渡層的硬度明顯高于兩側(cè)基體硬度，如圖6所示。

3 結(jié) 論

1)304/Q235B復(fù)合板界面的顯微組織由四部分組成：304 不銹鋼基體的奧氏體；5 μm 厚的過渡層；50 μm左右的Q235B鋼脫碳層(鐵素體組織)；Q235B鋼基體的鐵素體+珠光體。

2)304/Q235B 復(fù)合板界面附近存在Cr、Ni、C 元素的互擴(kuò)散，且形成一定范圍的擴(kuò)散區(qū)。

3)304/Q235B熱軋復(fù)合板過渡層中的組織主要為板條馬氏體，馬氏體基體上存在大量位錯(cuò)和析出物，析出物為M3C型碳化物，長(zhǎng)度約100 nm，直徑約10 nm。

圖6 304/Q235B復(fù)合板界面的維氏硬度Fig.6 Vickers hardness of interface in 304/Q235B clad plate