普通低碳钢形变诱导铁素体晶内和晶界的析出行为 - 图文-

1、普通低碳钢形变诱导铁素体晶内和晶界的析出行为杨忠民,赵燕,王瑞珍,车彦民,马燕文(钢铁研究总院结构材料所,北京100081摘要:利用TEM ,萃取和X 2ray 衍射方法分析了利用形变诱导铁素体和铁素体再结晶机制获得超细晶铁素体的晶内和晶界析出碳化物的成分和析出行为。证明晶内以M 3C 形成弥散析出,晶界以层片状形式析出和碳为短程扩散行为。关键词:超细晶铁素体;碳化物析出中图分类号:TG 113112文献标识码:A 文章编号:025426051(2001022*材料的超塑性受诸多因素影响,其中有应变速率、变形温度、晶粒度、组织状态等。在超塑性测试时选择合适的超塑温度和应变速率是非常重要的。各种

2、超塑材料,它们的超塑变形温度区域及应变速率取值范围存在一定差别,即使同类超塑材料,由于处理工艺不同造成微观组织的差异,在相同试验条件下,它们之间也会呈现不同的超塑性。一般认为,影响超塑性因素都直接和间接地影响超塑性变形的能力和应变速率敏感性指数m 值的变化2。虽然应变速率和变形温度对超塑性影响很大,但这两个参数对超塑性的作用还依赖于材料本身的微观组织。超塑性好的材料,通常具有细晶、等轴及组织稳定条件,而喷射成形技术制备的材料,一般都具备上述几个特点。传统工艺由于冷却速度较慢,易产生成分偏析、组织粗大,制备的GCr15钢难以获得喷射成形材料如此细化的珠光体和马氏体微观组织。一般要求超塑性材料晶粒

3、直径在0155 m 左右,高于10m 的晶粒组织难于实现超塑性。本研图3喷射成形GCr15钢试样TEM 形貌像(a 喷射态(b 二次油淬Fig.3TEM micrograph of GCr15steel prepared by spray forming(a as 2sprayed (b twice oil 2quenched究选用未经超塑处理喷射成形铸态试样的伸长率达119%,这一结果优于冶金铸造工艺制备的GCr15钢,这与其优良的微观组织不无关系。普遍认为,超塑性好的材料,应变速率敏感性指数m 值都比较高。本研究测得二次油淬试样的m 值为0159,根据这一数值来估算,二次油淬试样的超塑性似

4、乎尚未达到预期的理想值,可能有几方面原因:第一,本试验选择的变形温度可能偏高,使得碳化物溶解量增加而导致碳化物量减少,从而会削弱高温拉伸条件下碳化物阻止晶粒长大的作用。一般认为,细小碳化物弥散分布,能起到阻止晶粒长大的钉扎作用,而晶粒长大会严重地影响材料的超塑性。在GCr15钢中形成的(Fe ,Cr 3C 是一种复杂碳化物,其性能稳定,在热变形过程中抑制了铁素体晶粒的长大;第二,选用的GCr15钢是用喷射成形工艺制备的,该工艺一个不可忽视的缺陷是制备的坯料含有一定的空隙(或缩孔,通常使用时需要进行热挤压或热等静压处理。经过二次油淬处理,虽然晶粒和颗粒得到细化,但该工艺带来的缺陷仍未得到改善,这

5、种组织不均匀性对超塑性也会产生影响;第三,尽管对超塑性试样涂刷了防高温氧化涂料,但拉伸后发现,试样表面氧化程度并非明显改善,很有可能部分氧进入材料内部而形成致脆氧化物,据此推测,氧化可能是导致超塑性达不到理想值的又一重要原因。上述分析尚待进一步研究和验证。需要指出的是,由于超塑性变形不同于通常意义上的金属塑性变形,后者的变形主要发生在晶粒内部,如滑移、双晶、扭曲等,其原子的相对移动量不易超过两个原子的间距,因而这种经典的塑性变形机制不可能产生大的伸长率。即使在高温拉伸条件下,虽然扩散作用及晶界滑移在增加,但因高温而引起的晶粒变粗趋势亦同步增加,从而影响了材料的超塑性。超塑变形时,晶界滑动、晶粒

6、易位、晶粒转动等起了主要作用。许多研究表明,超塑变形的主要变形机制是一种晶界行为。4结论喷射成形GCr15钢铸态及二次油淬超塑处理的试样具有如此细化的微观组织,是传统工艺难以获得的。未经超塑处理喷射成形铸态试样的伸长率优于冶金铸造工艺制备的GCr15钢,这与其优良的微观组织不无关系。二次油淬试样超塑性尚未达到预期值与喷射成形工艺带来的缺陷及超塑性试验条件的选择有关。参考文献:1王笑天.金属材料学M .北京:机械工业出版社,1987:88.2何景素,等.金属的超塑性M .北京:科学出版社,1986:44.5金属热处理2001年第2期Precipitation Behavior of Ferrit

7、e in G rain and inG rain Boundary Induced by DeformationYAN G Zhong 2min ,ZHAO Yan ,WAN G Rui 2zhen ,CHE Yan 2min ,MA Yan 2wen(Division of Structure Materials ,Central Iron &Steel Research Institute ,Bei j ing 100081,China Abstract :Utilizing the methods of TEM ,extraction and X 2ray diffraction ,th

8、e analysis have been done about the chemical com ponent of carbide and behavior of precipitation in the ultra fine grain ferrite and grain boundary by mechanism of deformation induced ferrite and recrystallization mechanism of ferrite.The results proved that the precipitation of dissemination of car

9、bon in grain in the form of M 3C ,in grain boundary in the form of layer.The behavior of carbon diffusion is short range.K ey w ords :ultra 2fine grain ferrite ;carbide precipitation 作者简介:杨忠民(1965,男,黑龙江人,博士,高级工程师,主要从事低碳钢微米组织的物理冶金机理和工艺技术的研究,发表论文20篇。联系电话:010*基金项目:国家重大基础研究项目(G 1998061501收稿日期:2000205218

10、利用形变诱导铁素体相变和铁素体再结晶机制获得超细晶组织,成为目前提高钢材性能的主要研究方向之一。对于形变诱导铁素体的形成机制和超细晶获得机制,本文作者进行了研究。认为形变诱导铁素体相变是以非扩散型块型相变为主的包括针状铁素体转变在内的动态转变机制,超细晶的获得是由形变诱导铁素体相变和铁素体动态再结晶(包括动态恢复机制同时作用的结果。由于形变诱导铁素体的获得是在相变点Ar 3附近变形导致铁素体非扩散型块型析出的结果,因此形变诱导铁素体为非平衡态过饱和铁素体,不是碳原子长程扩散控制机制的结果。由于铁素体块型相变为晶界激活机制,碳原子在晶界将会有析出而出现局部平衡。在变形中随着变形量的增加,已经析出

11、的铁素体将会发生动态再结晶和晶粒的长大等组织变化过程,铁素体内的过饱和碳原子必然会以不同的方式在铁素体晶内和晶界出现析出行为。Hodgson 1等在文章中提到过铁素体晶界的碳化物的析出粒子。碳化物析出的存在必然会影响到超细晶材料的宏观性能,因此有必要对其析出行为进行深入的研究。本文作者以普通碳素钢Q235为研究对象,通过对在G leeble 热模拟实验机上获得的超细晶材料和通过轧制获得的超细晶材料的微观组织的研究,证明了以上分析的正确性。1试验方案选择工业用普通碳素钢Q235在G leeble 热模拟实验机上低温变形的试样和孔型轧机上低温轧制的线材,用作试验材料,在TEM 上分析。材料的变形温

12、度区间870750,总变形量75%,变形后立即水淬。Q235钢的成分见表1,微观组织见图1,晶粒尺寸约为4m 。图2为图1材料的TEM 照片,可以看到铁素体晶内和晶界析出。对晶内和晶界的析出物,采用了EDX 能谱分析、TEM 明暗场+衍射分析和萃取+X 线衍射等方式进行确定。表1试验用钢的成分(质量分数,%T able 1Composition of the tested steel (w t ,%CSiMnPSAlTiON0118012101600101601020010082010*0059图1Q235钢830两道次变形75%+水淬后的组织Fig.1Microstructure of Q2

13、35steel deformed at 830twice with 75%strain then quenched inwater图2Q235钢晶内晶界碳化物析出(TEM Fig.2Carbide precipitation in grain and grain boundary of steel Q235(TEM 6金属热处理2001年第2期2结果与分析 如图2所示,碳化物在晶内和晶界以不同的形貌析出,晶内碳化物是以粒子形式析出,晶界碳化物以片状形式为主析出。轧制的超细晶板材和棒材的微观组织同样具有图2的形貌特征。碳化物在晶界析出表明碳原子没有发生晶间的长程扩散,而是扩散到晶界为止,并在晶界

14、析出达到了局部平衡。这一现象作者认为是块型铁素体的晶界激活机制造成的结果,即碳原子的短程扩散和在晶界的局部平衡。从图2可看出,晶内出现了位错线绕过析出粒子的形貌特征。这一现象由两种原因引起:由于位错线的攀移导致碳化物粒子在位错线周围的析出,形成位错环;现有碳化物粒子在晶内析出,随着铁素体的进一步变形或者原有位错线的攀移运动出现上述现象。具体原因还需进一步的分析。对晶界晶内的析出物进行了明暗场和能谱分析,见图3、4。能谱分析表明晶界为碳化物。为了确定晶内析出物,对其进行了电子衍射,衍射花样和标定见图5、6。衍射图为二次衍射图谱。标定的结果为(Fe ,Mn 3C 合金渗碳体。萃取+X 射线衍射方法

15、证明,其结构式Fe 2193Mn 0107C 。同时有微量的TiN 粒子存在。析出粒子尺寸为420nm 。 观察轧制试样和热模拟试样显微粒子在铁素体晶内析出时发现,不是所有的铁素体晶内均有粒子析出,而且析出粒子的方式也不同,显示了形变诱导铁素体的动态变化的发展过程。由于块形铁素体是晶界激活机制,在晶界可能具有局部平衡导致渗碳体的片状析出,不排除铁素体动态再结晶和长大过程中碳原子在晶界的局部扩散作用。对于没有发生大量弥散晶内析出的铁素体,可能是在冷却过程中相变的结果。冷却过程中形成的粒子析出与时效粒子析出对材料性能影响的差别,还需要进行深入的研究工作。拉伸试验表明:大量弥散析出物的存在, 并没有

16、大幅提高材料的性能。可能是由于弥散沉淀析出的碳原子主要以共格的GP 区形式存在的结果,还需进一步的试验分析。同时以 图3Q235钢铁素体晶内析出物50000(a 明场像(b 暗场像Fig.3Precipitate in ferrite of steel Q23550000(a bright field (b dark field图4Q235钢中析出生物能谱分析(EDX (a 晶内析出物(b 晶界析出物Fig.4EDX spectrum of the precipitate in steel Q235(a in grain (b in grain boundary图5晶内析出物衍射花样Fig.5Diffractim spectrum of the precipitate in grain图6铁素体基体指标图(a 与M 3C 指标图(b Fig.6Indexing of ferrite (a and M 3C (