（材料加工工程专业论文）热机械处理对连铸连轧含砷nb、ti和cr微合金化cmn钢微观结构和性能的影响.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 敝作挂名：龃l 啡论文作者签名：红! ! 日期： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本。允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名 指导教师签名 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 a s 作为钢中的有害元素伴随着薄板坯连铸连轧的整个过程，本文主要研究的是热机械 处理对不同a s 含量钢的微观组织及a s 的微观分布的影响。 利用透射电镜及俄歇电子能谱等手段分析含微量砷钢发现，经过高温下保温，a s 元素 逐渐向晶界偏聚，当保温时间较短时，舡元素以晶界偏聚为主，向外扩散较少；当保温时 间较长时，a s 元素会逐渐由晶界向基体外扩散，另一部分会重新溶入晶内，但最后a s 的分 布会达到平衡状态。热轧使得微量砷钢内a s 元素的分布更加均匀。对微砷钢的研究还发现， 9 5 0 及1 1 0 0 下保温0 5 h 水冷后组织以马氏体为主，当保温时间延长至r j 2 h 后，组织则以铁 素体为主，其中1 1 0 0 下保温2 h 水冷最终形成的铁素体较原始有明显长大；热处理过程中， 碳化物的数量随着保温温度和保温时间的增长而减少，其中c r 的碳化物最先溶解，其次是 n b ，t i 的碳化物最为稳定；样品的位错密度随着温度及时间的增长而减小，在1 1 0 0 保温 o 5 h 后位错基本消失，此时完成了再结晶过程。热轧使得较多t i 和n b 从碳化物中析出，同 时使得位错线上出现大量半共格状的小碳化物。 利用扫描电镜研究高砷钢a s 的微观分布发现，高砷钢在制作过程中a s 会向晶界偏聚； 经过热处理，a s 元素除了向晶界偏聚，部分a s 也会向氧化膜扩散，其中在氧化膜附近的晶 界处a s 含量最高。 关键词：a s , 偏聚；位错；碳化物 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa l w a y sg o e sa l o n gw i t l i1 1 1 i ns l a bc a s t i n ga n dr o l l i n gp r o c e s sa sah a r m f u ld e m e n t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ee f f e c to nm i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n dt h ec h a n g eo fa s m i c r o d i s t r i b u t i o nu n d e r g od i f f e r e n th e a tt r e a t m e n ta n dh o tr o l l i n gp r o c e s s f r o mt h es t u d yo ft r a c e - a ss t e e lu s i n gt e ma n da e s ，i ti sf o u n do u t ：a ss e g r e g a t e st ot h e g r a i nb o u n d a r i e sg r a d u a l l ya f t e rd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n t ；w h e nt h eh e a tp r e s e r v a t i o nt i m ei s s h o r t ，t h e r ei sn od i f f u s i o nt ot h eo u t w a r d ；a f t e ral o n gt i m e ，a sd i f f u s e st ot h eo u t s i d ef r o mt h e g r a i nb o u n d a r ya l o n gw i t hd i s s l o v i n gi n t ot h eg r a i nu n t i lt h ec o n t e n to fa sr e a c h e sab a l a n c e h o t r o l l i n gp r o c e s sm a k e st h em i c r o d i s t r i b u t i o no fa sb em o r eu n i f o r m i ti sa l s of o u n dt h a tt h e s t r u c t u r ec h a n g e st om a r t e n s i t ea f t e rr e a c t i o n sa t9 5 0 a n d1 lo o f o ro 5 h r sc o o l i n gw i t hw a t e r ；, w h e nt h et i m ee x t e n d i n gt o2 h r s ，i tc h a n g e st of e r r i t e ，w h i c hg r o w su po b v i o u s l ya tll0 0 * c ；t h e c o n t e n to fc a r b i d e sd e c r e a s e sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fh o l d i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e , w h i c h s t a r tf r o mt h ec a r b i d e so f c ra n dn b ；t h ec a r b i d e so ft ia r es t a b l e a f t e rt h eh e a tt r e a t m e n t , d i s l o c a t i o nd e n s i t yd e c r e a s e sg r a d u a l l y i ta l m o s td i s a p p e a r sa f t e raf u r t h e rr e a c t i o na t1i0 0 。c ；a l t h es a m et i m et h er e c r y s t a l l i z a t i o nh a sf i n i s h e d h o tr o l l i n gp r o c e s sm a k e sal o to ft ia n dn b p r e c i p i t a t e ；a n dal o to f s m a l lc a r b i d e sa r i s ea tt h ed i s l o c a t i o n a f t e rt h es t u d yo fh i g h a ss t e e lu s i n gs e m ，w ec a nf i n dt h a ta ss e g r e g a t e st ot h eg r a i n b o u n d a r yd u r i n gt h ep r o c e s so fm a k i n gh i g h - a ss t e e l a f t e rt h eh e a tt r e a t m e n t ，a sa l w a y sm o v e s t ot h eo x i d ef i l mb e s i d e sc o n g r e g a t i n gi nt h eg r a i nb o u n d a r y t h ec o n t e n to fa si st h eh i g h e s ti n t h eg r a i nb o u n d a r yn e a r b yt h eo x i d ef i l m k e y w o r d s ：a s ；s e g r e g a t i o n ；d i s l o c a t i o nd e n s i t y ；c a r b i d e s 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i 】： 第一章文献综述1 1 1 薄板坯连铸连轧介绍1 1 1 1 薄板坯连铸连轧工艺简介1 1 1 2 薄板坯连铸连轧技术世界范围内发展现状2 1 1 3 薄板坯连铸连轧技术在我国的发展状况3 1 1 4 薄板坯连铸连轧发展趋势4 1 1 5 薄板坯连铸连轧微合金化发展5 1 2 连铸连轧过程中微观组织变化5 1 2 1 塑性变形与晶粒5 1 2 2 钢中的位错6 1 2 3 连铸连轧钢中的碳化物j 7 1 3 连铸连轧钢中的砷7 1 3 1 砷的一般特性8 1 3 2 钢中砷元素的来源8 1 3 3 砷对钢性能的影响9 1 3 4 砷的去除方法1 l 1 3 5 国内外对钢中砷的研究现状1 2 1 4 本项目的研究意义与主要内容1 3 1 4 1 本项目的研究背景1 3 1 4 2 本项目的研究内容1 4 1 4 3 本项目的研究意义1 4 第二章材料制备与实验方法1 6 2 1 实验材料制备1 6 2 2 热处理方案1 6 2 3 轧制方案1 7 2 4 检测分析1 7 2 4 1 金相观察1 7 2 4 2 扫描电镜j 1 8 2 4 3 透射电镜1 8 2 4 4 俄歇电子能谱分析1 8 第页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 5 显微硬度1 9 第三章热处理对含微量砷钢微观组织影响2 0 3 1 热处理对含微砷钢组织的影响2 0 3 2 结果分析2 2 3 3 本章小结2 3 第四章热处理与轧制对含微砷钢位错和碳化物的影响2 4 4 1 热处理和轧制对含微砷钢碳化物的影响2 4 4 2 热处理和轧制对含微砷钢位错的影响2 6 4 3 热处理与轧制对含微砷钢二次碳化物的影响2 8 4 4 不同热处理样品性能测试3 0 4 5 本章小结3 1 第五章热处理及轧制对含微量砷钢砷的微观分布影响3 2 5 1 不同热处理对含微砷钢中砷元素微观分布的影响3 2 5 2 同一温度下不同热处理方式对a s 元素微观分布的影响3 4 5 3 本章小结3 7 第六章热处理对高砷钢a s 微观分布的影响3 8 6 1 热处理对高砷钢晶粒影响3 8 6 2 热处理对高砷钢a s 微观分布影响3 9 6 3 本章小结4 l 第七章结论4 2 参考文献4 3 致谢4 5 发表论文4 6 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 薄板坯连铸连轧介绍 1 1 1 薄板坯连铸连轧工艺简介 第一章文献综述 薄板坯连铸连轧的概念最早是在上世纪六十年代提出的，它在钢铁工业的提出是基于 以下几个原则【l 】：1 ) 提高工序连续性，最大限度地减少钢铁生产的加工工序；2 ) 尽可能 的减少能源消耗，去除轧制前的能量补充，降低车l s j j 过程的能源消耗；3 ) 最大限度保证 薄板坯的温度均匀性，提高薄板坯温度在长度、宽度、厚度三个方向的均匀性，从而保证 性能和板形的良好。薄板坯连铸连轧技术是二十几年来世界钢铁工业的重要技术进步之 一，改变了传统的生产流程，同时实现了技术的结构优化。 传统的热轧带钢的生产流程为：将钢水连铸成2 0 0 2 5 0 m m 的板坯，经冷却、重新加热、 粗轧、精轧等过程得到热轧带钢。从流程来看，把钢水铸成较大厚度的板坯然后冷却，准 备车l s j j 时需要重新加热，一冷却一加热中间这些过程就会消耗很多的能源，这对于钢铁企 业来说是不小的成本。 与传统流程不同的是，薄板坯连铸连轧技术将钢水铸成厚度在8 0 m m 以下的可以直接 进入热连轧精轧机组轧制的板坯( 就实际生产来讲厚度l o - 6 0 m m 为最佳) ，它不经过冷却 直接热装入辊底式炉均热进行保温，然后进入少机架的热连轧机组。这既可以方便炼钢、 连铸和轧制的匹配，又能有效地保证产品的质量，相比传统热轧带钢生产来看又节约了大 量的能源消耗。目前，根据生产厂家的需要，薄板坯的设计厚度最大已超过1 5 0 m m 。 薄板坯连铸连轧生产是一个紧凑、连续、高效、节能、高技术集成的连续宽带钢生产 工艺，相对传统热轧板生产技术，它的工艺简化、设备少、生产线短；生产周期短，能耗 低；产品纵向和横向精度高。整个工艺流程可以简单的分为：炼钢炉一炉外精炼装置一薄 板坯连铸机一均热炉一热连轧机组等五部分组成，下图为薄板坯连铸连轧工艺流程： 图1 1 薄板坯连铸连轧工艺流程 薄板坯连铸连轧的关键技术是结晶器、浸入式水口、保护渣、液心压下、结晶器震动、 电磁制动等。从生产流程来看，薄板坯连铸连轧整个流程没有停顿，减去了粗轧( 部分生 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 产线加装了单机架的粗轧机) ，减少了精轧，并且缩短了加热炉，加热炉主要是负责温度 的均匀化。该工艺的连铸机与轧机在线连接，高温铸坯直送轧制，因此与传统的热轧工艺 来比，其能耗少、烧损低、低成本、轧线布置紧凑、轧线短，而且生产投资成本也相对低 f 2 】。因此，近些年薄板坯连铸连轧技术在世界范围内得到了迅速的推广，生产工艺也在进 行的不断地改进与更新。 1 1 2 薄板坯连铸连轧技术世界范围内发展现状 最早应用的薄板坯连铸连轧生产技术是德国s m s ( 西马克公司) 开发的c s p ( c o m p a c t s t r i pp r o d u c t i o n ) 技术，第一条c s p 生产线于1 9 8 9 年在美国纽柯公司克拉福兹莱钢厂正式 投入使用，设计年产量为8 0 万吨；随着技术的不断进步以及钢铁生产的要求，目前已投 入工业化生产的还有达涅利公司研发的f t s r 技术、德马克公司的i s p 技术、住友金属公 司的q s p 技术和奥钢联的c o n r o l l 技术等。下图1 2 1 5 为几种薄板坯连铸连轧生产线 工艺布置示意刚3 】： 图1 2c s p 工艺生产线布置示意图 纛蠢牺 啊m 钟嘲 i o 最廷 a l ( , c t 糟嚣瓶 i 一 s 图1 7 砷对板材时效敏感性的影响 另外有研究表明，当钢中的砷元素达到一定值时，会导致成分的严重偏析，改变晶粒 组织结构，使得晶界附近的偏聚更多的a s ，导致产生晶界脆性，从而破坏金属连续性；文 献1 2 5 】发现，钢中含有硅和锰等元素时，残余元素a s 可能会引起第二类回火脆性，主要原 因是由于其偏析及在晶界的聚集能力。 庄汉洲掣2 6 】研究发现，含砷钢在焊接过程中砷会向焊缝扩散，从而使得焊缝处的强度 有所提高，但也会使热影响区的低温冲击韧性稍有降低。 研究【27 】表明，砷对钢的机械性能的影响程度与钢的含碳量有很大的关系，钢中含碳量 越低，则砷的影响越明显，对于一般用途的低碳钢，a s 的含量应该控制在o 0 2 0 0 4 5 之 间。下图为a s 对低碳钢力学性能的影响图1 2 副： 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 表1 3 日本含砷特殊钢 从表1 3 可以看出，此系列的耐蚀钢均含有一定量的a s 元素和c u 元素，说明这两种 元素单独或与其他相关元素起作用来可以提高这些钢种的耐腐蚀性，不过具体的抗腐蚀的 原因还未完全清楚。 1 3 4 砷的去除方法 综上砷对钢性能的影响来看，除了特殊情况外，大多数时候a s 对钢来说是有害元素， 所以有效控制砷元素的含量对提高钢的性能十分必要。对于一些特殊用途的钢，比如石油 钻杆用钢、大型发电机转子钢等甚至要求钢中不含砷元素，可见除砷对于钢的性能的提高 有很大的影响。 钢铁生产过程是从铁矿石的烧结开始，所以砷的去除也最开始于铁矿石的烧结过程， 下面两式为烧结过程中含砷矿的化学方程式： 9 0 0 - 1 0 0 0 度 f e a s 0 4 凡3 0 4 ( s ) + a s 2 0 3 ( 暑，个+ 2 q g ) 个 9 0 0 度以上 f e a s sj f e s ( j ) + f e 2 0 3 ( g ) + a s 2 0 3 ( 窖) 个 氧化c 氛 从式中可以看出，不同的f e - a s 化合物需要在不同的气氛下烧结，形成a s 的氧化物， 从而达到除砷的目的。梁桂生【i 列等人研究发现，烧结过程的除砷率达到3 2 6 2 ，可见烧结 过程并不能完全除砷，这个过程所去除的砷一部分进入烧结粉尘，部分散发入大气中。 在1 3 2 节中我们讲过a s 的氧化物容易与c a o 结合成稳定的c a a s 2 0 3 ，不易去除，虽然在 烧结过程中有一部分随着烟尘排除去，但钢还会残余较多数量的砷。 烧结完后就是炼铁与炼钢过程，早期国外的研究表明【2 乳3 1 】在铬铁合金中，用c a c 2 c a f 2 作为脱砷剂处理高铬铁水，会使得铁水中的砷含量降低，脱砷率可以达到8 0 。但是，此 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 方面的研究对象多为高铬钢，因为铬元素有助于铁液的脱砷。 董元篪【3 2 】等人发现c a o 基碱性熔渣能对铁液进行脱砷，主要为还原反应，脱砷率可以 达到5 3 ，具体的脱砷反应式为： 3 ( c a o ) + 2 a s 】+ 3 c = ( c a 3 a s 2 ) + 3 c o ( g ) 重庆大学的刘守平【3 3 】等进一步的研究了c a o 碱性熔渣脱砷的效果、反应产物及热力学 条件等，他们发现在大气气氛下，其对铁水有1 0 1 5 的除砷率，加入a l 粉等还原剂会大 大提高脱砷效果；同时他们发现，铁水的脱砷效果还与其中所含的s 的含量有关，s 含量 越低，脱砷效果越好。下式为其研究的脱砷反应： 3 c a o + 2 a s 】- ( c a 3 a s 2 ) + 3 0 】 2 a s 】+ 3 ( 0 2 。) = 2 ( a s 卜) + 3 0 】 梁桂生【l8 】等人总结出，经过炼铁过程，除砷率达到4 8 3 3 ，同时分析表明，炉渣中几 乎不含砷，砷一部分进入铁液，另一部分随着煤气排出。 研究【矧表明，炼钢过程也是通过加入一定的碳化钙通过还原反应来去除残余a s 元素， 这与炼铁过程的除砷方法类似，但这种方法只能去除其中一部分的a s 元素，同时还伴随 着钢液的部分损失，并不能完全去除a s 元素。对于* l n 阶段，尽管许多学者研究了a s 对 不同的钢性能的影响，但是对轧制过程除砷的研究基本没有，而且并未形成一套成熟的理 论，因而在钢铁轧制线上也未有专门的除砷设备。 1 3 5 国内外对钢中砷的研究现状 目前国内外对钢中砷元素的研究取得了一定的成果【3 5 4 1 1 ，对钢中a s 元素的一些性质也 有了一定的了解，下图为f e a s 状态图【4 2 】： 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 x a 甜 h 挑l 5 如 一 i p * , r l fl i t 矗l 乳 l曩ah ll | ) ! 、 l l d - c 器。t ，舾 f 7 1 1 i 憎， 矿 h 、 州 o 、甓 ， 钇7 ， 哆j耐 y 1 f b 曩 ” 一 r ， 、i 丝 ， 、r l 瞻 i i ki 酣，a 图1 9f e a s 状态图 从图1 9 中可以看到，a s 在a - f e 中的溶解度最大，在8 3 5 时可达到1 0 ，随着温度 的降低，溶解度也在逐渐降低，到室温时其溶解度在0 5 以下。 另外，人们研究了残余a s 元素对与不同钢种力学性能等方面的影响，找到了一些a s 元素的影响规律。 除砷方面，对于钢中a s 元素的去除，大多数的研究主要集中在烧结、炼铁和炼钢部分， 其中炼铁和炼钢部分的去除方法基本相同，大都采用还原气氛除砷。尽管这其中的每一部 分都能去除一定含量的a s ，但直到钢的轧制阶段，一般情况下总会含有或多或少的a s 元 素，并不能完全去除。 目前国内外学者对钢轧制阶段a s 元素的微观变化分布等的研究还比较少，研裂4 3 。4 5 】 等所研究的是残余元素对钢性能的影响，而且其中的一些研究并不是专门针对a s 元素与 钢性能的联系，还包括其他几种残余元素的共同影响，这样其研究对a s 来说就缺少针对 性。所以无论从理论还是实践，人们还没有找到一套比较成熟的方法用来控制在轧制阶段 钢中的残余a s 元素，也没有专门的生产设备来去除轧制阶段钢中的a s 。因此，本课题的 研究具有一定的理论价值，可以为轧制阶段除砷提供一些依据。 1 4 本项目的研究意义与主要内容 1 4 1 本项目的研究背景 2 0 0 3 年以来，国内钢铁企业数量与规模迅速膨胀，钢铁产能有了大幅度的提高，对不 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 可再生资源铁矿石的需求也持续的增长，而对于我国的钢铁企业，矿石除了本国的生产以 外，大量的铁矿石依赖进口，下表为近几年我国进口铁矿石数量： 表1 4 近几年我国进口铁矿石数量 从表中数据可以看到，2 0 0 9 年进口数量比2 0 0 8 年提高了近5 0 ，是2 0 0 3 年进口数量 的4 倍多。过多铁矿石的进口导致矿石价格疯长，特别是国外铁矿山企业对矿石价格的控 制，使得国内的钢企缺少自主权，导致其在不断发展的同时遭受成本危机，矿石价格的大 幅上扬给企业带来了很大的压力。 随着钢铁工业的迅猛发展，国内各铁矿矿山的开采量也在不断地加大，对于钢企来说， 尽可能的依靠本国产铁矿石是有效降低生产成本的一个重要方法。我国南方含砷量较高的 矿山所占比例比较大，储量也很高，这些铁矿石品位相对进口矿来说较低，这给各钢铁企 业出了新的难题，充分利用本国品位低铁矿的同时还要保证生产出的钢的质量。 国内外各钢铁企业在钢铁生产过程除砷主要集中在前面的烧结与冶炼阶段，而且从效 果来看并未完全去除。对于后面轧制阶段钢中残余砷的偏聚、走向、析出等的研究目前还 比较少，如果能够了解钢中残余砷的微观分布规律，有利于人们控制砷的微观分布，减少 砷的有害影响，或在轧制过程中进一步减少、去除砷。 1 4 2 本项目的研究内容 本次项目的研究对象主要是两部分：涟钢c s p 轧制板带含微量砷钢及自己制作的高砷 钢，具体的研究内容分为以下几点： 1 ) 热处理对含微量砷钢微观组织的影响。 2 ) 热处理对含微量砷钢a s 的微观行为的研究。 3 ) 热轧对含微量砷钢微观组织及a s 元素分布的研究。 4 ) 热处理对高砷钢a s 的微观行为研究。 其中全文三到五章的研究对象为含微量砷钢，第六章的研究对象则是高砷钢。 1 4 3 本项目的研究意义 钢铁工业的发展使得我国铁矿石的需求量大大增加，而国外矿山频频提高我国进口铁 矿石的价格，这使得钢企的成本不断增加，有效地利用本国的铁矿石资源成为钢铁企业降 低生产成本的一个重要途径。 本课题来源于导师的国家自然科学基金项目“钢铁连铸连轧过程中残余a s 在晶界和氧 化层内的聚集行为及后续电磁退火对其微观再分布的影响”，研究原材料取自涟源钢铁公司 c s p 热轧板带含微量砷钢，这与钢的实际生产相联系。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 通过本课题的研究，我们可以了解热处理与轧制对钢中残余a s 元素的微观分布影响情 况，以及此过程引起的钢微观组织的变化，进而研究微观变化带来的钢的性能的变化。这 为钢企在钢铁的连轧阶段尽可能的提高钢的性能提供了一定的理论依据。 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 实验材料制备 第二章材料制备与实验方法 本课题实验材料主要分为两部分：含微量砷钢和高砷钢。 含微量砷钢是取自涟钢c s p 生产线热轧板，其它化学成分如下表所示： 表2 1 样品元素含量( w t o o ) 高砷钢是在本系实验室内自行制作的，大体上采用在含微量砷钢板内加入铁粉与砷粉 混合然后烧结并热轧的方法，具体步骤为：首先取上述厚度约6 m m 的含微量砷钢若干， 在钢板表面利用钻床钻许多直径约1 2 5 m m 、深度3 m m 的小洞：利用电子天枰精确的称取 一定数量的铁粉与砷粉，按照砷含量1 、5 及1 0 等的比例进行混合后填入事先钻好的 洞内( 由于单质砷具有一定的毒性，所以在称量、装填等实验过程中需要采取佩戴口罩、 手套等防护手段) ；将填好混合粉末的钢板放入温度1 1 5 0 1 2 的炉内保温l o m i n 进行烧结， 尽可能的使粉末烧结结实( 由于砷在高温时容易挥发，所以保温温度不宜过高和过长) ： 将烧结后的钢板直接放入热轧机进行一个道次的单向轧制，轧制到3 m m 左右，最后在空 气中冷却。 2 2 热处理方案 对于含微量砷钢，根据已知的理论以及c s p 板带生产线的实际情况，我们制定以下热 处理方案，如下表所示： 表2 2 含微砷钢热处理实验方案 对于高砷钢，采取的热处理方案如下表所示： 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 热处理实验是在本系实验室内完成。 2 3 轧制方案 轧制实验是为了研究热轧对含微砷钢微观组织及a s 微观分布的影响，方案制定是与前 面热处理部分相呼应，具体方案为：将厚度6 m m 的含微量砷钢板放入9 5 0 的电炉内保温 0 5 h ，然后用热轧机分别轧制到2 m m 和l m m 。轧制实验是在本系实验室内完成，采用的 轧机为单机架双辊热轧机。 2 4 检测分析 本次课题的检测手段主要有：金相分析、扫描电镜分析、透射电镜分析及俄歇电子能 谱分析。其中利用金相分析来了解含微砷钢和高砷钢组织和晶粒等的变化情况；利用扫描 电镜主要是来分析高砷钢的组织及a s 微观分布情况；透射电镜用来分析含微砷钢的组织、 位错、碳化物、二次析出物等以及触的微观分布情况；俄歇电子能谱主要是用了分析微 砷钢舡的微观分布变化。此外，采用了显微硬度测试来检测不同热处理后含微砷钢的力 学性能变化。 2 4 1 金相观察 金相分析是金属材料研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨 面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成 分、组织和性能间的定量关系。制作金相样品是在本系实验室内完成的，具体步骤如下： 将原始样品及各种实验处理后的样品进行切割加工成合适大小，经镶样、打磨、抛光等工 序。对于组织的观察，我们利用4 浓度的硝酸酒精进行腐蚀，直到能看到比较明显的金 相组织，然后用清水洗净并吹干，最后在金相显微镜下进行观察拍照，并进行分析。 我们还研究了不同热处理方式对微砷和高砷钢样品晶粒度的影响，此时需要利用饱和 苦味酸溶液束进行腐蚀，具体步骤为：根据苦味酸的溶解度我们先配制好饱和的苦味酸溶 液( 在配制过程中要采取定的防护措施，因为苦味酸是有毒物质) ，并加入少许的洗洁 精( 作为表面活性剂，降低饱和苦味酸的表面能) ，然后将配制好的溶液在电炉上加热到 8 0 左右，接着将抛光好待观察的样品放入加热的溶液中煮，不同的样品煮的时间不一， 大约为5 1 0 m i n ，直到能够比较清晰地观察到样品的奥氏体晶粒。煮好的样品要放在清水 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 下冲洗干净，防止苦味酸残留，接着用酒精擦拭掉表面的污物，最后进行观察与分析。 2 4 2 扫描电镜 为了在更大倍数下观察高砷钢的微观组织、检测其化学成分，研究不同热处理后砷的 微观分布情况，我们选取扫描电镜( s e m ) 及能谱分析( e d s ) 等手段。 更高放大倍率下的显微组织观察在带有x - 射线能谱装置( e d s ) 的f s e m ( n o v a n a n d - 4 0 0 ) 型扫描电子显微镜上进行。扫描电镜的样品制备与金相样品制备基本相同，腐 蚀液也是用4 硝酸酒精溶液及饱和苦味酸溶液；当需要用二次电子成像时，腐蚀时间比金 相要长1 一- 2 m i n ，当用背散射电子成像时，可以不腐蚀。对显微组织中各种相的大致成分 以及试样中的微区成分分析可以用扫描电镜自带的x - 射线能谱仪进行。 s e m 是利用细聚焦电子束在试样表面扫描激发出代表样品表面特征的信号成像的。常 用来观察样品表面形貌和检测样品表面的成份分布情况。扫描电镜的图像分辨率可达l n m ， 放大倍数可达2 x 1 0 5 倍。 2 4 3 透射电镜 透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照 相底片上进行观察。透射电镜因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。 透射电镜在钢铁材料中的应用主要有：1 ) 钢铁材料微观组织形貌观察。例如，基于 对合金元素在热机械加工中的作用、变化及热加工对组织影响规律的认识，可以更深入理 解材料的性能；2 ) 位错、各种缺陷的观察；3 ) 析出相的观察，形态、大小、分布，并结 合能谱进行成分分析；4 ) 电子衍射进行微区的取向、晶体结构分析，并结合能谱进行成 分分析；5 ) 相界面的观察和分析。 含微砷钢透射电镜样品的制备：首先取合适大小的微砷钢样品在镶样机进行镶样，然 后用砂轮机打磨至厚度为2 0 0 1 t m 左右，再用砂纸细磨；将磨好的式样切割成q 3 m m 的圆片， 用超声钻或p u n c h e r 将t p 3 m m 薄圆片从材料薄片上切下来；预减薄，使用凹坑减薄仪可将 薄圆片磨至1 0 9 m 厚，用研磨机磨( 或使用砂纸) ，磨至几十i t m ；最后进行终减薄。实验 是在j e m 2 1 0 0 f 型场发射透射电镜上进行的。 2 4 4 俄歇电子能谱分析 俄歇电子能谱分析仪主要是进行表面元素的定性分析。入射电子束和物质作用，可以 激发出原子的内层电子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以x 光的形式放 出，即产生特征x 射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是 俄歇电子。对于一个原子来说，激发态原子在释放能量时只能进行一种发射：特征x 射线或 俄歇电子。原子序数大的元素，特征x 射线的发射几率较大，原子序数小的元素，俄歇电 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 子发射几率较大，当原子序数为3 3 时，两种发射几率大致相等。因此，俄歇电子能谱适 用于轻元素的分析。 我们利用俄歇电子能谱分析主要是分析含微砷钢奥氏体晶界及晶内的元素分布、含量 等情况，所以制样的重点是要清楚的得到各种样品的奥氏体晶界，具体的实验方案为：将 退火后的各种样品加工成尺寸略小于5 x 5 x 5 m m 大小的样品，然后经镶样、打磨及抛光。 抛光后所进行的腐蚀与2 4 1 中金相试样观察晶粒度的方法相同。制备好的样品在日本 u l v a c p h i 公司生产的p h i 7 0 0 纳米扫描俄歇系统上进行测试，采用同轴电子枪和c m a 能量分析器，电子枪高压为5 k v , 能量分辨率为l ；入射角为3 0 0 ，分析室真空度优于为 3 9 1 0 9 1 b r r 。 2 4 5 显微硬度 显微硬度是用来测试含微砷钢的力学性能，本次实验的材料为低碳c s p 热轧板，所以 硬度的测量采用维氏显微硬度的方法。实验是在本学院金相实验室进行的，实验设备为明 石显微维氏硬度计。 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章热处理对含微量砷钢微观组织影响 3 1 热处理对含微砷钢组织的影响 钢的微观组织与钢材的性能有着很大的联系，此部分研究了热处理工艺对含微量砷钢 组织的影响。下图为热轧态原始样品的金相显微组织： 图3 1 原始状态金相组织 从图3 1 的金相照片可以看到，原始样品组织主要为块状铁素体，其铁素体晶粒大小 比较均匀，尺寸大约1 0 几微米。 下图( a ) 和( b ) 分别为9 5 0 c 下保温0 5 h 后水冷样品的板面和截面金相照片： 图3 29 5 0 ( 2 保温0 5 h 水冷后金相组织 从图3 2 可以看出，经过此热处理后组织主要转变为板条马氏体，此外还含有少量的铁 素体和珠光体。 下图为9 5 0 下保温2 h 水冷后样品的会相照片，其中( a ) 和( b ) 分别为板面和截面金 相： 武汉科技大学硕士学位论文第2 l 页 图3 39 5 0 保温2 h 水冷后金相组织 从图3 3 金相照片来看，经过在9 5 0 。c 较长时间2 h 的保温然后水冷，样品的组织主要为 块状的铁素体和少量点状或块状珠光体，这些等轴状铁素体大小比较均匀，平均直径约 l o i t m ，无畸变。 保温温度提高到1 1 0 0 ，下图( a ) 和( b ) 为样品在11 0 0 下保温0 5 h 水冷后板面和截 面金相照片： 图3 4l l o o c 保温0 5 h 水冷后金相组织 从图3 4 可以看出，经过1 1 0 0 保温0 5 h 后水冷，其金相组织主要为板条马氏体以及 少量的铁素体和珠光体，此外还含有少量的残余奥氏体。 下图( a ) 和( b ) 分别为1 1 0 0 保温时间增加到2 h 水冷后样品的板面和截面的金相显 微照片： 第2 2 页武汉科技大学硕士学位论文 图3 51 1 0 0 保温2 h 水冷后金相组织 从图3 5 来看，经过1 l o o 下更长时间保温并水冷后，组织变为较大块状、大小不太 均匀的铁素体及少量的珠光体，铁素体与原始样品相比有了明显的长大。 3 2 结果分析 原始样品组织为大小比较均匀的块状铁素体和少量的珠光体组成；9 5 0 保温o 5 h 后 水冷的金相组织变为板条状的马氏体，另外含有少量铁素体及珠光体，当保温时间延长到 2 h 时，组织变为大小均匀且与原始样品尺寸相近的块状铁素体和少量珠光体；1 1 0 0 ( 2 保温 0 5 h 后水冷，金相组织为马氏体及少量先共析铁素体、珠光体和残余奥氏体，当保温时间 延长到2 h ，金相组织转变为大的块状铁素体和少量珠光体。 根据已有理论依据分析，上述组织转变原因主要是与钢中的位错密度、所含合金元素 以及碳化物等的变化情况有关。在短时间保温情况下，由于强碳化物形成元素的存在，合 金中的碳有很大一部分是以碳化物的形式存在于合金中，这对珠光体的形核是不利的；合 金在热轧过程中的大变形，使其中的位错密度较高，且存在变形条带，这使得钢中碳化物 聚集在位错处及附近，因而铁素体转变为板条状的马氏体。当保温时间增加到2 h 时，随 着钢中的位错密度降低，以及碳化物数量减少，基体中的含碳量升高，铁素体和珠光体优 先生成，因此组织又转变为铁素体和少量珠光体。 高温下保温时间较长时，铁素体出现明显的长大，铁素体的长大速率用z o n e r 长大方 程确赳5 1 1 ： l ，2，矗鳖v 蠡汐。，一) “产五_ 否瓦f 磊百 ( y i ：一。) ( x 二一x c 式中x ：、x ：m 、x ： 分别为碳在奥氏体中、奥氏体与铁素体界面奥氏体一侧及铁素体 一侧的摩尔浓度。其中有： x ：2 x ；( 1 一x ，) 武汉科技大学硕士学位论文第2 3 页 式中y ：为碳的初始摩尔浓度，y 。为已经转变的铁素体体积分数。 可见，铁素体的长大与碳化物有着密切的关系。当保温时间较长时，部分碳化物发生 溶解，为珠光体形核提供了一定条件。而且随着时间延长，合金发生了再结晶，铁素体变 为块状。当温度继续升高，但保温时间不长的条件下，合金中碳化物大量溶解，但溶解后 还来不及完全扩散均匀，可能存在较多的碳偏聚区域，碳含量较低区域可能会形成先共析 铁体，同时向未转变的奥氏体基体排碳，导致其周边碳含量升高。这些偏聚区域以及尚未 完全消失的位错给m a 形核提供了场所，先共析铁素体高温下长大，导致组织分布不均匀。 如果温度较高，且时间较长，碳化物充分溶解和扩散均匀，由于合金中总碳含量低，合金 中形成的珠光体量非常少。由于温度过高，合金再结晶后并发生了晶粒长大，所以我们看 到较大的铁素体相颗粒。总之，微量铌、钛和铬的存在，导致了合金中珠光体转变的滞后 ( 较未加强碳化物元素合金) 。 3 3 本章小结 通过研究不同热处理后含微砷钢微观组织，可以得到以下结论： 1 ) 样品经过9 5 0 ( 2 下保温0 5 h 水冷后组织主要为马氏体，还有少量的铁素体和珠光 体；当保温时间增加到2 h 时，组织转变为与原始样品大小相似的铁素体和少量珠光体。 2 ) 样品经过1 1 0 0 下保温o 5 h 水冷组织主要为马氏体，此外还有少量铁素体、珠光 体和残余奥氏体；当保温时间增加到2 h 时，组织主要为铁素体，且较原始样品尺寸有明 显增大。 第2 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第四章热处理与轧制对含微砷钢位错和碳化物的影响 4 1 热处理和轧制对含微砷钢碳化物的影响 下图为原始热轧态透射电镜形貌图及能谱分析： 图4 1 原始热轧态透射电镜形貌 从图4 1 ( a ) 可以看到，原始热轧态样品组织为长条状的铁素体，碳化物呈三角形或 其他不规则的形状分布在晶界与晶内，大小约5 0 0 n m 。1 5 1 t m ，尺寸比较大，而且碳化物数 量相对较多。根据4 1 b 的能谱显示，碳化物的组成主要是以t i 、n b 和c r 的碳化物为主； 另外在这些碳化物附近，m n 的含量也比较高。 下图( a ) 和( b ) 为9 5 0 下保温0 5 h 水冷后样品的透射电镜形貌图及能谱分析： l fj 哥“一“p ”雄# | 图4 29 5 0 c 保温o 5 h 水冷样品透射电镜形貌 从图4 2 ( a ) 可以看出，样品的碳化物有的类似球形，有的呈现三角形，还有一些不 规则形状的碳化物，而且尺寸大小不均匀，在5 0 6 0 0 n m 之间。碳化物的含量较原始态 所降低，从4 2 b 中可以看到此时碳化物中t i 和n b 的含量有所升高，而c r 的含量有所 武汉科技大学硕士学位论文第2 5 页 低，此外，m n 的含量也有所降低。 下图( a ) 和( b ) 为样品经过9 5 0 下保温o 5 h 然后由6 m m 轧制到l m m 后样品的透 射电镜形貌图及能谱分析： 一 一n ” 一 图4 39 5 0 1 2 保温0 5 h 轧制到l m m 透射电镜形貌 从图4 3 a 可以看出，试样经9 5 0 ( 2 下保温0 5 h 轧制到l m m 后，分布在晶内与晶界附 近的碳化物尺寸从几十到5 0 0 n m 不等，形状除了球状外，还有一些不规则形状，这与9 5 0 保温0 5 h 的样品尺寸基本一致，但数量有所增加。图4 3 b 的能谱分析显示，碳化物上的 碳含量有所提高，主要为n b 和瓢的碳化物，此时c r 元素基本消失。 下图( a ) 和( b ) 为1 1 0 0 下保温o 5 h 水冷样品的透射电镜形貌图及能谱分析 t 。， ” 图4 41 1 0 0 1 2 保温o 5 h 水冷样品透射电镜形貌 从图4 4 a 可以看到，样品的基体为等轴状的铁素体，其尺寸增加较原始态非常明显。 经过较高温度1 1 0 0 的热处理后，组织内碳化物数量明显减少，尺寸约几十到3 0 0 n m ，形 状主要为球状。从4 4 b 可以看到，碳化物中c 的含量降低非常明显，而t i 的含量有所提 高，n b 的含量基本保持不变，此外，碳化物中还含有少量的m n 。此结果说明，组织中的 碳化物的溶解是从碳化物中碳的扩散开始的，而t i 和n b 的碳化物扩散速度相对来浼慢得 多。 第2 6 页武汉科技大学硕士学位论文 总结上述结果来看，