苑少強(qiáng)，楊躍輝，張曉娟

（1.唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山063000；2.新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

鋼坯在加熱及零件在焊接過程中都要經(jīng)過相變及奧氏體長大粗化過程。在以往的研究中，側(cè)重考慮對(duì)等溫過程中的晶粒長大，原因是實(shí)驗(yàn)過程容易控制。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，特別是焊接過程中加熱速度很快，而且高溫保溫時(shí)間一般不足1s，因此，研究快速升溫過程中的晶粒長大過程具有重要的實(shí)際意義。已有的研究工作表明，F(xiàn)e－40Ni合金在很大溫度范圍內(nèi)與鋼中奧氏體層錯(cuò)能相近［1］。近年來，國際上開始利用面心立方Fe－Ni合金來模擬研究高溫下鋼中奧氏體的行為［2－5］。本文就 Fe－40Ni－Ti合金的連續(xù)加熱過程中的晶粒長大進(jìn)行分析，并對(duì)其曲線進(jìn)行了擬合，獲得了反映變溫加熱過程中晶粒長大趨勢(shì)的數(shù)學(xué)模型。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

合金在25kg真空感應(yīng)爐上冶煉，真空澆注并快冷，鑄錠重新加熱到1 200℃后熱鍛成直徑16mm圓棒，合金的化學(xué)成分為（Wt.%）：Ni 40.73，S 0.008 5，P 0.009 2，N 0.004 7，Ti 0.069，其余為Fe。將圓棒制成長度為25mm圓柱試樣，當(dāng)溫度升至預(yù)設(shè)溫度時(shí)打開爐門，將試樣放入，回溫后迅速取出水淬，然后進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。試樣磨面經(jīng)硫酸銅－鹽酸溶液侵蝕15s后，在OLYMPUS正置金相顯微鏡觀察晶粒形貌及長大過程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 合金連續(xù)加熱過程中的形貌特征

由于Fe－40Ni合金中Ni的含量達(dá)到了40%以上，因此具有面心立方結(jié)構(gòu)的晶體將保持到室溫不發(fā)生結(jié)構(gòu)相變。圖1（a）為800℃時(shí)Fe－40Ni－Ti合金的金相組織，同鍛造態(tài)的室溫相比較，晶粒沒有明顯長大，大小類似。從中可以看出，奧氏體晶粒大小不一，局部具有孿晶特征。較高放大倍數(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，奧氏體組織內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)不明顯。加熱不同溫度的金相圖片分別由圖1（b），（c），（d）顯示。從整個(gè)金相形貌特征來看，晶粒均呈現(xiàn)多邊形結(jié)構(gòu)，溫度升高，晶粒鑄件長大，由于采用了新型的侵蝕劑，可以顯示晶粒的取向，如圖中黑白間隔所示。在1 300℃高溫時(shí)，如圖（d）所示，晶粒已經(jīng)明顯粗化，晶粒大小不一，完全不同于加熱800℃時(shí)晶粒均勻密布現(xiàn)象。

2.2 合金連續(xù)加熱過程中的晶粒長大曲線

圖1顯示通過金相圖片可以連續(xù)觀察實(shí)驗(yàn)合金加熱過程中的形貌變化，主要是晶粒的大小變化；圖2是合金在連續(xù)取點(diǎn)7個(gè)時(shí)的晶粒隨溫度的長大曲線。由此可以得到如下規(guī)律：合金從800℃到1 100℃左右時(shí)，晶粒尺寸長大平穩(wěn)，沒有跳躍和突變，從100μm到250μm。但是當(dāng)溫度達(dá)到1 160℃以后，晶粒異常長大，特別是1 200℃以后，更加明顯。究其原因，主要與合金中TiN析出的顆粒有關(guān)［6］。一般認(rèn)為，TiN是合金凝固過程中形成的高溫析出相，但是當(dāng)合金在成型后鍛造或軋制過程中發(fā)生較大的應(yīng)變，在合金再結(jié)晶與析出的競爭中，發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)析出，這樣，凝固過程中形成的較大的TiN和應(yīng)變誘導(dǎo)析出較小的析出相都對(duì)位錯(cuò)或者晶界發(fā)生阻礙作用。當(dāng)溫度升至1 100℃左右時(shí)，應(yīng)變誘導(dǎo)析出相幾乎溶解，晶界被釘扎突然釋放，導(dǎo)致晶粒長大突變；而1 300℃時(shí)曲線突然上升完全是熱激活成為晶界遷移的主要因素，當(dāng)然此時(shí)凝固過程中形成的較大的TiN顆粒也逐漸部分溶解。

2.3 討論

從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度分析，奧氏體晶粒的長大是一種熱激活、擴(kuò)散和界面反映控制的物理冶金過程，主要表現(xiàn)為晶界的遷移［7］。因此當(dāng)保溫時(shí)間為給定值時(shí)（本研究的保溫時(shí)間可視為0），可采用如下Arrhenius描述［8］：

式中：d為晶粒尺寸，μm；A為常數(shù)；Q為奧氏體長大激活能，J／mol；R為氣體常數(shù)8.314（J／mol·K）；T為絕對(duì)溫度，K。

上式兩端取自然對(duì)數(shù)，可得晶粒尺寸的自然對(duì)數(shù)（lnd）與1／T呈線性關(guān)系，而兩者之間的斜率即為奧氏體晶粒長大激活能Q。對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理并回歸分析可得如下結(jié)果：A為28 567，Q為50 724J／mol。因此，變溫加熱過程中晶粒的長大模型可用下式表示：

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.963，表明具有高度的相關(guān)性。

將計(jì)算值和實(shí)測值進(jìn)行比較，如圖3所示。從圖3中的計(jì)算值與實(shí)際值來看，基本趨勢(shì)符合較好，但在1 160℃左右時(shí)，理論值高于實(shí)際測量值，這是因?yàn)榇四Ｐ臀纯紤]鋼中第二相析出粒子的影響，即忽略了合金中的TiN析出，而其對(duì)晶界及位錯(cuò)移動(dòng)的“釘扎”作用是非常明顯的。在加熱的初期由于溫度較低，晶界本身的激活和遷移作用較小，雖然此時(shí)“釘扎”作用存在；在高溫時(shí)熱激活起到了決定性作用，“釘扎力”幾乎消失，因而在合適的溫度時(shí)，“釘扎”對(duì)遷移的阻力明顯，導(dǎo)致晶粒長大隨時(shí)間的滯后發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）Fe－40Ni－Ti合金在加熱過程中沒有發(fā)生相變，晶粒呈多邊形結(jié)構(gòu)，在連續(xù)加熱過程中，1 160℃左右時(shí)晶粒長大曲線發(fā)生拐點(diǎn)。這是由于高溫下熱激活作用顯著增強(qiáng)，而TiN析出粒子逐步粗化，“釘扎”作用減弱，導(dǎo)致晶?？焖匍L大。

（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明：在只考慮熱激活的情況下，本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)晶粒長大模型可用式（2）表示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)為0.963，表明模型的相關(guān)性較好。

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