大角度界面对002c-5mn低碳板条马氏体钢解理裂纹扩展的影响

大角度界面对002c-5mn低碳板条马氏体钢解理裂纹扩展的影响

0结构的表征:板条束和亚板条块低碳板条的马氏钢因其良好的强度和抗疲劳动性而受到广泛关注。细化晶粒不但可以提高钢的强度,还可以有效地降低韧脆转变温度,进一步改善钢的韧性。然而,低碳板条马氏体具有复杂的多尺度亚结构,其韧性的组织控制单元仍然存在争议[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。低碳板条马氏体的多尺度亚结构包括原奥氏体晶粒、板条束、板条块、亚板条块、板条。根据Kurdjumov-Sachs(K-S)晶体学关系,一个原奥氏体晶粒中最多存在24种马氏体变体,用V和相应的数字表示。根据惯习面的不同,变体V1~V6,V7~V12,V13~V18,V19~V24分为4种板条束;一个板条束内部最多存在6种变体,这些变体可以组成若干个排列方向大致相同但晶体学取向截然不同的板条块;板条块由若干取向几乎一致的板条组成,板条块内部通常还会包括两个亚板条块。大多数的原奥氏体晶界、板条束界和所有的板条块界均为大角度界面,原奥氏体晶粒、板条束、板条块都属于“晶粒”范畴上的板条马氏体亚结构;两个亚板条块取向差的理论值为10.53°,但通过背散射电子衍射(EBSD)等技术测得的亚板条块界的实际取向差通常为5°~10°,因此亚板条块界和板条界均为小角度界面。研究低碳板条马氏体韧性的组织控制单元,通常是采用光学显微镜(OM)或扫描电子显微镜(SEM)观察冲击断口及剖面,分析显微组织对解理裂纹扩展方向的影响。前人的研究工作表明,亚板条块界、板条界等小角度界面一般都不会改变解理裂纹扩展的主体方向。而一般的大角度界面被认为能有效地阻碍解理裂纹的扩展,很多研究也观察到低碳板条马氏体钢中解理裂纹在板条束界会发生大角度转折。因此,板条束被认为是控制板条马氏体韧性的组织单元。然而,有研究者观察到解理裂纹在马氏体板条束内部也发生大角度转折。一个板条束的内部包含多个板条块,板条块是板条马氏体中最小的组织单元。解理裂纹在板条束内部的大角度转折可能对应于板条块界。不同于OM和SEM只能区分原奥氏体晶粒和板条束结构,EBSD能同时区分原奥氏体晶粒、板条束和板条块等多尺度的晶粒结构,是非常有效的取向表征手段。因此,EBSD技术在马氏体亚结构的表征和组织强韧性分析中得到了广泛的应用。然而,对于马氏体钢解理裂纹扩展的EBSD表征报道很少。为了分析具有复杂多尺度亚结构的低碳板条马氏体钢韧性的组织控制单元,作者以新开发的0.02C-5Mn低碳合金钢(铁碳锰三元系合金钢)为研究对象,利用EBSD技术表征冲击断口附近二次解理裂纹的扩展路径,观察板条马氏体钢中大角度界面对解理裂纹扩展的影响。1试验原理及数据处理采用25kg真空感应炉冶炼得到0.02C-5Mn试验钢铸坯,其化学成分见表1。铸坯经过锻造和轧制后,切取冲击试样毛坯在1200℃保温15min后入冰盐水中冷却淬火;然后将冲击试样毛坯精加工成7.5mm×10mm×55mm的V型缺口冲击试样,在液氮中(-196℃)冷却后进行低温冲击试验,得到100%解理断裂面,冲击试验参照GB/T229-2007进行。在冲击断口中间沿冲击方向且与缺口垂直处剖取3mm厚的纵截面金相试样,利用树脂镶样后进行常规机械抛光,经体积分数为3%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用OlympusGX51型光学显微镜(OM)观察冲击断口前沿的裂纹扩展路径;经电解抛光(电解抛光液为体积分数10%高氯酸酒精,抛光电压20V,抛光时间8s)后,用FEIQuanta650FEG型热场发射扫描电子显微镜配备的OxfordNordlysF+电子背散射衍射仪(EBSD)观察断口附近二次解理裂纹的扩展路径,然后通过EBSD上的数据处理软件HKLChannel5对裂纹扩展路径上的马氏体界面类型进行分析。采用的数据中EBSD标定率均在80%以上。2试验结果与讨论2.1原混合体的晶界和板条块界从图1可以看出,裂纹穿越板条束界和原奥氏体晶界时发生了大角度转折,转折后的扩展方向完全不同于转折前的方向,与王春芳等的观察结果一致;裂纹在板条束内部也会发生大角度转折,转折对应的界面可能是板条块界,与Inoue等、李昭东的观察结果类似。根据界面取向差和晶体旋转轴,同时结合板条排列和界面形态,可以判断各种界面的类型。原奥氏体晶界一般呈弧形,其界面取向差的大小随机,旋转轴也无特定值。而原奥氏体晶粒内部的板条束界和贯穿板条束内部的板条块界一般呈平直状。根据K-S晶体学关系,板条束界的取向差理论值为14.88°,20.61°,21.06°,47.11°,49.47°,50.51°,51.73°,57.21°,其旋转轴具有一定的规律。而板条块界的取向差理论值为49.47°和60°,其旋转轴为〈011〉或〈111〉方向。对图2中所有裂纹扩展路径上的马氏体界面类型通过EBSD数据处理软件HKLChannel5进行分析,分析结果列于表2中。图2(b)中粗实线和箭头代表裂纹扩展的实际方向,粗虚线代表裂纹扩展的总体方向,而细虚线和数字则分别代表不同的界面及其编号。由图2和表2可知,二次解理裂纹在原奥氏体晶界和板条束界均发生了大角度转折;而除了板条块界(5)和(6)以外,二次解理裂纹在其余的板条块界处也都发生了大角度转折,且板条块界(1)和(4)分别改变了裂纹在板条束内扩展的主体方向。另外,二次解理裂纹在大的板条块内部扩展穿越板条块界(9)和(10)时发生了两次大角度转折,之后总体的扩展方向仍未改变,这可能是由于该解理裂纹穿越小板条块的前后在大板条块内部选择了同一个解理面。由图3和表3可见,二次解理裂纹在绝大部分板条块界(除(1)以外)处或附近都发生了大角度转折,改变了裂纹在板条束内的主体扩展方向。2.2不同界面的解理裂纹扩展方向是否可能材料的解理断裂应力与组织之间的关系可以表示为:式中:σf为解理断裂应力;d为有效晶粒尺寸;Kf为材料的相关参数。材料的韧脆转变温度TB也与有效晶粒尺寸d存在如下关系:式中:T0和KB分别为材料的相关参数。因此,通过观察板条马氏体中各种亚结构界面对解理裂纹扩展路径的影响,可以确定控制板条马氏体解理断裂的组织单元,为调控板条马氏体亚结构以进一步提高板条马氏体钢的低温韧性提供依据。由上文可知,试验钢中解理裂纹或二次解理裂纹除了在原奥氏体晶界和板条束界发生大角度转折以外,还在板条束内部发生大角度转折,即在绝大部分的板条块界处也发生大角度转折。由于观察断口剖面解理裂纹扩展方向是局部的分析手段,尽管在OM和EBSD观察中都得到了相同的结果,且其他研究工作也观察到了类似的现象,但仍然不具备统计意义,不足以比较出不同界面改变解理裂纹扩展方向的能力。因此,以下通过比较不同变体中理想解理面{110}的取向差,进一步分析比较不同界面改变解理裂纹扩展方向的能力。{100}面是马氏体钢中较易发生解理断裂的晶面,因此相邻晶粒间{100}面的取向差大小将决定该晶界在晶体学上改变解理裂纹扩展方向的能力。由图4可知,选择变体V1~V6组成的板条束与另一个板条束内任意一变体如V7,根据K-S关系作出这7种马氏体变体的{100}面在原奥氏体(001)基面上的投影,对板条束间、板条块间{100}面的取向差大小进行比较。例如,V2-(100)与V1-(010)即板条块间{100}面的取向差和V7-(010)与V1-(010)即板条束间{100}面的取向差非常相近。从表4中可以看出,V1与V4亚板条块对一般存在于同一个板条块内,二者{100}面的取向差最小只有7.44°;除了V1与V4以外,V1与其他变体都分属不同的板条块,因此V1与其他变体{100}面的最小取向差代表了板条块间{100}面的最小取向差。根据表4,V7与另一个板条束内V1-V6间即板条束间的{100}面取向差和V1-V6间即板条块间的取向差都大致相当。因此,从晶体学上看,板条块界与板条束界改变解理裂纹扩展方向的能力相近。一个原奥氏体晶粒包含多个板条束,一个板条束包含多个板条块,因此板条块是板条马氏体钢中最小的晶粒单元。通常板条束界是指原奥氏体晶粒内部分离板条束结构的界面,而事实上原奥氏体晶界也是围成板条束结构的大角度界面之一,它也可以看作是特殊的板条束界。同样,通常板条块界也特指板条束内分离板条块结构的界面,但事实上原奥氏体晶界和板条束界也是围成板条块结构的大角度界面之一,它们也可以看做是特殊的板条块界。此外,上述的结论