高錳鋼微觀偏析行為研究

莊昌凌，程 鋁，楊光凱

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025）

高錳鋼中的TWIP鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能被人們視作理想的汽車材料[1，2]。但是高錳TWIP鋼高錳、高鋁的成分設(shè)計(jì)卻很容易在凝固過程產(chǎn)生質(zhì)量問題[3]，其中凝固過程產(chǎn)生的偏析問題尤其引人關(guān)注。高錳TWIP鋼的偏析不僅會導(dǎo)致性能不均勻性突出，表面質(zhì)量變差，而且可能引起晶界脆化，增加裂紋發(fā)生的概率。高錳TWIP鋼的偏析問題可以從宏觀與微觀的角度來研究，考慮到高錳TWIP鋼微觀偏析相關(guān)研究不多，本文主要針對高錳TWIP鋼微觀偏析行為開展研究，主要通過實(shí)驗(yàn)室冶煉高錳TWIP鋼鑄錠，切樣制樣后用光學(xué)顯微鏡觀察，并采用電子探針進(jìn)行點(diǎn)、線、面分析，從而得到元素的微觀偏析情況，弄清高錳TWIP鋼中元素的微觀偏析行為，為減輕偏析造成的危害提供理論借鑒。

1 高錳鋼中的偏析現(xiàn)象

高錳TWIP鋼是以高錳、高鋁為特征的成分設(shè)計(jì)體系，錳含量高達(dá)16%以上，鋁含量也大于0.5%，雖然這種成分設(shè)計(jì)讓該新鋼種具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，但是卻很容易在凝固過程產(chǎn)生偏析問題。這種偏析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是溶質(zhì)在固液兩相中的不均勻分配，導(dǎo)致凝固前期與凝固后期的鋼液某元素的濃度不同，從而導(dǎo)致一定范圍的成分不均勻性。高錳TWIP鋼的偏析現(xiàn)象對產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響，不僅體現(xiàn)在力學(xué)性能差異上，有文獻(xiàn)表明錳偏析會造成軋制過程的黑帶現(xiàn)象，使產(chǎn)品表面質(zhì)量變差，而且偏析現(xiàn)象會造成溶質(zhì)元素聚集產(chǎn)生晶界析出，使產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響。

為了弄清高錳TWIP鋼中元素的微觀偏析行為，以便采取合適的措施改善產(chǎn)品質(zhì)量，采用中頻感應(yīng)爐冶煉了3爐不同成分的TWIP鋼鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分如下圖所示。

表1 高錳TWIP鋼化學(xué)成分，wt%

2 高錳鋼中元素的微觀偏析行為

2.1 光學(xué)顯微鏡觀察

三爐高錳TWIP鋼鑄錠經(jīng)過切樣、制金相樣、磨樣拋光后，采用20%濃度的硝酸酒精浸蝕后，在光學(xué)顯微鏡下可以清晰地觀察到枝晶形貌。

上圖1是光學(xué)顯微鏡下觀察到的枝晶形貌，圖1（a）（b）是鑄錠中心區(qū)域樣品的枝晶形貌，圖1（c）（d）是位于鑄錠邊部的枝晶形貌。從圖1（a）和圖1（b）中可以看出，位于鑄錠中心區(qū)域的樣品等軸晶明顯，偶爾觀察到樹枝晶；而圖1（c）和圖1（d）可見明顯的樹枝晶，枝晶比較粗大，能夠清晰看到二次枝晶。從光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果看，樣品A、樣品B和樣品C在鑄錠邊部同一位置取樣表現(xiàn)出類似的規(guī)律，即發(fā)現(xiàn)較多的粗大樹枝晶，等軸晶則較為少見。同時(shí)發(fā)現(xiàn)樣品A、樣品B和樣品C隨著錳含量降低，枝晶大小呈現(xiàn)變小的趨勢，二次枝晶間距也要小一些。因?yàn)橹чg距越大，產(chǎn)生的微觀偏析會更嚴(yán)重；反之，枝晶間距越小，枝晶越密集，偏析會有所減輕。故在高錳鋼的生產(chǎn)中，增加錳元素的含量，會造成枝晶粗大，枝晶間距變大，更容易出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。

圖1 光學(xué)顯微鏡觀察枝晶形貌

2.2 電子探針分析

圖2是電子探針點(diǎn)分析結(jié)果，分析結(jié)果表明，Mn元素在6、7點(diǎn)位置上質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，AI元素6、7點(diǎn)位置上質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，錳元素和鋁元素呈現(xiàn)出相反的偏析規(guī)律，不僅在一次枝晶在錳元素和鋁元素偏析規(guī)律相反，而且在二次枝晶上兩種元素的偏析規(guī)律也相反，表明了錳元素和鋁元素的溶質(zhì)分配系數(shù)有較大的差異性；而且，通過點(diǎn)分析可以得知元素的濃度，由此可知，樣品B中一次枝晶中Mn和AI的最大偏析程度分別是7.995%和0.728%，二次枝晶中Mn和AI的最大偏析量為5.527%和0.527%，錳元素的偏析要比鋁元素嚴(yán)重。

圖2 電子探針點(diǎn)分析結(jié)果

為了探究Mn、Al、Fe元素在特定區(qū)域內(nèi)的分布情況，利用電子探針對圖3指定區(qū)域進(jìn)行面掃描。圖中元素的含量以不同顏色來表示，顏色指示條以漸變色的形式對應(yīng)不同顏色下元素的含量，元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從左到右依次增加。從圖中可以看出，F(xiàn)e元素濃度分布相對而言比較均勻，在晶界處濃度相對偏低。Al元素偏析程度較輕，這與點(diǎn)掃描的結(jié)果一致，Al元素在二次枝晶位置上含量比較密集，Mn元素在區(qū)域內(nèi)偏析程度較為嚴(yán)重，枝晶內(nèi)部元素濃度較低，在枝晶間與枝晶邊界元素濃度高，這與Al元素的偏析情況剛好相反。

圖3 電子探針面掃描結(jié)果

經(jīng)過以上分析表明，高錳TWIP鋼中元素的微觀偏析現(xiàn)象明顯，特別是錳元素的偏析造成錳元素分布的不均勻現(xiàn)象，容易在晶界處聚集，而且還容易給后續(xù)軋制環(huán)節(jié)造成表面缺陷，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

3 產(chǎn)生原因與改善措施

微觀偏析表現(xiàn)為微觀區(qū)域上元素濃度高低不均勻現(xiàn)象，而產(chǎn)生原因與溶質(zhì)再分配規(guī)律有關(guān)。微觀偏析是合金凝固過程產(chǎn)生，在凝固過程中液相逐步轉(zhuǎn)變成固相，溶質(zhì)受限于擴(kuò)散速度的原因，很容易產(chǎn)生擴(kuò)散不充分、不完全的現(xiàn)象，不容易形成平衡結(jié)晶，所以先結(jié)晶和后結(jié)晶的元素濃度不一致。對于溶質(zhì)分配系數(shù)小于1的合金，先凝固部分的溶質(zhì)濃度低，后凝固部分溶質(zhì)濃度高，而對于溶質(zhì)分配系數(shù)大于1的合金，剛好相反。這種微觀區(qū)域內(nèi)的元素成分不均勻性就是微觀偏析。如果凝固過程中，在液相中形核后以樹枝晶的形式生長，枝干與二次枝晶也會存在成分差異，這種情況也被稱為枝晶偏析。從偏析的產(chǎn)生原因來看，由于實(shí)際生產(chǎn)過程中不太可能做到平衡凝固，所以微觀偏析的出現(xiàn)是不可避免的，但是可以通過一些方法改善這一狀況。

減輕微觀偏析的措施有：（1）細(xì)化晶粒能減輕微觀偏析的程度，所以提高冷卻速度和加入孕育劑這類有細(xì)化晶粒作用的措施都可以減輕偏析。（2）控制特定夾雜物的生成也有減輕對應(yīng)元素偏析的效果，該偏析元素是夾雜物的組成元素，生成夾雜物可以減少該元素的區(qū)域濃度。（3）合適的擠壓鑄造工藝和擴(kuò)散退火能減輕微觀偏析程度。

4 結(jié)論

（1）研究結(jié)果表明，高錳TWIP鋼隨著錳元素含量的增加，枝晶會變得粗大，二次枝晶間距也有變大的趨勢，鋼中錳含量的增加會加重元素偏析的程度。

（2）無論是一次枝晶還是二次枝晶，高錳TWIP鋼中的錳元素和鋁元素呈現(xiàn)出相反的偏析規(guī)律，表明了錳元素和鋁元素的溶質(zhì)分配系數(shù)有較大的差異性。而且分析發(fā)現(xiàn)錳元素的偏析要比鋁元素嚴(yán)重。

（3）微觀偏析是不平衡結(jié)晶的結(jié)果，通過采用提高冷卻速度、加入孕育劑這類有細(xì)化晶粒作用的措施，或者控制特定夾雜物的生成以及擴(kuò)散退火能夠減輕微觀偏析程度。