陳 劍 李余飛 趙永橋 劉 昭 熊輝輝 張恒華

（省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072）

Nb微合金鋼中析出相演變過程研究

陳 劍 李余飛 趙永橋 劉 昭 熊輝輝 張恒華

（省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072）

為了探索保溫時(shí)間對(duì)析出過程碳化物團(tuán)簇組織演變的影響，利用電阻加熱法將試樣加熱至1 200℃，固溶10 min后淬火，然后在700℃保溫不同時(shí)間，并利用3DAP、XRD和電阻率等手段對(duì)其進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著保溫時(shí)間的延長，組織中鐵素體含量逐漸增加，而電阻率、點(diǎn)陣常數(shù)a，c和c／a軸比均出現(xiàn)了明顯的減?。槐?0 min左右時(shí)，電阻率值最低，且試樣中C、Nb原子較淬火態(tài)出現(xiàn)了明顯的偏聚團(tuán)簇現(xiàn)象，c／a軸比趨于1，說明此時(shí)NbC碳化物析出比較充分。

保溫時(shí)間 Nb微合金鋼 析出相 演變

固溶淬火態(tài)Nb微合金鋼在回火保溫的過程中，隨著保溫時(shí)間的延長，碳化物會(huì)不斷地析出，彌散分布于基體表面，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，對(duì)強(qiáng)化性能起到非常重要的作用［1-4］。

然而，對(duì)于碳化物的團(tuán)簇形成機(jī)制及演變過程研究較少，借助于三維原子探針技術(shù)（3DAP）的發(fā)展，國內(nèi)外也進(jìn)行相關(guān)的研究。Wilde等［5］用3DAP研究了3種含碳不同的低碳鋼樣品中的Cottrell氣團(tuán)，將樣品加熱到1 000～1 100℃淬火，在室溫時(shí)效以獲得碳原子在位錯(cuò)及界面上的偏聚。劉文慶等［6］利用3DAP研究了固溶淬火態(tài)不同的回火時(shí)間和回火溫度下碳化物偏聚團(tuán)簇的變化情況，探索其析出長大規(guī)律。此外，借助XRD測(cè)試可知隨著碳化物從基體中不斷的析出，點(diǎn)陣常數(shù)a、c會(huì)發(fā)生不斷的變化，保溫析出的過程中，試樣的電阻率同樣會(huì)隨著碳化物的析出發(fā)生一定的變化［7-9］。Park JS等研究了Nb等微合金元素的固溶析出過程對(duì)電阻率的變化影響。

本文結(jié)合XRD衍射光譜測(cè)試以及直流四電極測(cè)電阻法，運(yùn)用三維原子探針（3DAP）研究電阻加熱固溶淬火態(tài)試樣在700℃保溫不同時(shí)間對(duì)試樣組織形貌、碳化物分布、點(diǎn)陣常數(shù)、電阻率和硬度的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)材料為某鋼廠提供的鑄態(tài)微合金鋼F40，其化學(xué)成分如表1所示。

為了考查保溫時(shí)間對(duì)Nb微合金鋼F40析出相演變的影響，試驗(yàn)先將鋼樣用電阻加熱法加熱至1 200℃，固溶10 min后立即淬火，然后在700℃回火，保溫一定時(shí)間（0、5、15、30、60 min）后水冷，并對(duì)所得試樣進(jìn)行測(cè)試分析。

表1 F40試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of tested steel F40（mass fraction） %

1.2 測(cè)試方法

（1）顯微組織測(cè)試分析：割取2 mm×2 mm×3 mm金相試樣鑲嵌后，打磨拋光，用4%硝酸酒精腐蝕后，使用光學(xué)顯微鏡（尼康LV150）觀察其顯微組織。

（2）三維原子探針（3DAP）分析：取淬火態(tài)及保溫30 min試樣，切割成尺寸0.5 mm×0.5 mm×15 mm，采用兩步電解拋光方法得到試驗(yàn)所需要的針尖狀試樣，并對(duì)其進(jìn)行分析。

（3）XRD分析：采用XRD分析儀對(duì)不同保溫時(shí)間的試樣進(jìn)行物相分析，采用日本理學(xué)公司D＼max-2200 X射線衍射儀進(jìn)行XRD測(cè)試，最大額定輸出為18 kW，測(cè)試尺寸為10 mm×10mm×3mm。

（4）電阻率測(cè)試：取5種不同保溫時(shí)間的試樣進(jìn)行電阻率測(cè)試，切割試樣尺寸為3 mm×3 mm×50 mm，通過測(cè)試電阻換算成電阻率，其換算公式為：ρ＝RS／L（ρ為電阻率，S為橫截面積，R為電阻，L為導(dǎo)線的長度）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

圖1為固溶淬火試樣在700℃保溫不同時(shí)間后的顯微組織。圖1（a）為淬火態(tài)試樣組織，具有典型板條束組成的馬氏體組織形貌。圖1（b）、1（c）、1（d）和（e）分別表示保溫5、15、30、60 min試樣的顯微組織，可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長，鐵素體的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，組織形貌均具有類似的鐵素體和回火馬氏體的雙相形貌。保溫過程中，組織中位錯(cuò)線消失，形成了鐵素體；部分馬氏體中位錯(cuò)重排成二維網(wǎng)絡(luò)，形成分割狀亞晶界，保持板條形狀。

2.2 三維原子探針（3DAP）分析

圖2為三維原子探針（3DAP）分析得到的C和Nb元素在三維空間的分布圖。其中淬火態(tài)試樣的測(cè)試空間范圍為59 nm×58 nm×183 nm，700℃保溫30 min態(tài)的測(cè)試空間范圍為20 nm×20 nm×280 nm。可知，在淬火態(tài)試樣中，Nb原子難以擴(kuò)散遷移，因此分布比較均勻，只有C原子出現(xiàn)比較輕微的偏聚甚至沒有偏聚，這是由于C原子半徑較小，低溫下也可以短距離擴(kuò)散形成偏聚。且用MSEM也沒有檢測(cè)到任何析出顆粒，說明淬火態(tài)試樣中并不存在任何碳化物析出相。

然而在700℃保溫30 min態(tài)試樣中，可以發(fā)現(xiàn)比較明顯的C、Nb偏聚區(qū)。這是由于保溫30 min，C、Nb原子擴(kuò)散充分，形成了大量的NbC顆粒析出相。

用MSEM表征這些碳化物時(shí)，在20 nm×20 nm×280 nm區(qū)域內(nèi)共檢測(cè)到43個(gè)NbC聚集的粒子，數(shù)量密度大致為4×1023個(gè)／m3，與文獻(xiàn)［11］描述的基本一致，說明700℃保溫30 min后NbC碳化物可以充分析出。

2.3 XRD衍射光譜分析

圖1 試樣在700℃保溫不同時(shí)間的顯微組織Fig.1 Microstructures of the samples after holding at700℃for different times

圖2 700℃不同保溫時(shí)間各原子析出過程的團(tuán)簇分布Fig.2 Clusters distribution in the precipitation process for each atom under differentholding times

圖3 試樣在1 200℃下的固溶淬火態(tài)馬氏體衍射峰圖Fig.3 Diffraction peaks map of sample with solid solution quenched martensite at1 200℃

圖3為試樣在1 200℃固溶淬火態(tài)馬氏體晶面位置。由圖可知，（110）、（200）、（211）和（220）晶面均為馬氏體晶面，對(duì)應(yīng)的衍射角2θ分別為45.114°、65.259°、82.578°和99.007°。由于衍射峰變化較小，為了獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，選取（220）晶面進(jìn)行小角度范圍的XRD掃描分析（掃描范圍97°～102°，掃描速度0.5（°）／min）。圖4為（220）晶面衍射峰的變化曲線?？梢钥闯?，隨著保溫時(shí)間的延長，衍射峰會(huì)向右即大角度方向偏移一定的角度，當(dāng)保溫30 min后，其偏移角度趨于緩和。主要原因在于，700℃保溫前期，C、Nb等元素以碳化物的形式從馬氏體基體中不斷析出，使得晶格畸變減小，衍射角的角度向大角度方向發(fā)生一定的偏移。當(dāng)保溫時(shí)間大于30min時(shí)，基體中的C、Nb等元素已經(jīng)得到了比較充分的析出，變化趨于平緩。然而由于低碳鋼中碳含量偏低，在XRD圖譜上并不能出現(xiàn)明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)合雙峰分離模型［7-9］，通過分峰迭代計(jì)算出低碳鋼淬火態(tài)的馬氏體結(jié)構(gòu)的a、c值及c／a比值如表3所示，對(duì)應(yīng)曲線如圖5所示。結(jié)合表3和圖5可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長，點(diǎn)陣常數(shù)a、c的值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，然而點(diǎn)陣常數(shù)a的變化幅度較小，當(dāng)保溫時(shí)間逐漸延長時(shí)，點(diǎn)陣常數(shù)c值逐漸趨于a值，C、Nb原子對(duì)點(diǎn)陣常數(shù)的影響消失。主要原因在于隨著保溫時(shí)間的增加，碳化物析出使得基體中的C、Nb固溶度降低，使得畸變降低，從a／c比值可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間超過30 min后，a／c逐漸趨向1。因此可以通過觀察a、c值的變化來大致分析保溫時(shí)間對(duì)碳化物析出過程演變的影響。

圖4 （220）晶面衍射峰變化曲線Fig.4 （220）crystal plane diffraction peak curve

表3 不同保溫時(shí)間條件下晶格常數(shù)值Table 3 Lattice constant value under different heat preservation time

圖5 點(diǎn)陣常數(shù)a、c和c／a比隨保溫時(shí)間的變化圖Fig.5 Influence of heat preservation time on lattice constant a，c and c／a ratio

2.4 電阻率及硬度分析

圖6為保溫時(shí)間對(duì)電阻率和硬度的影響。試樣電阻率隨著保溫時(shí)間的延長而下降，但在30 min處出現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是由于在保溫前期，Nb、C原子以NbC形式不斷團(tuán)聚與析出，使得基體中溶質(zhì)原子含量顯著下降；引起電阻率明顯降低；另一方面，NbC相會(huì)導(dǎo)致電阻率的小幅上升，兩方面的共同作用使得電阻率下降。但在30 min左右時(shí)析出基本完成，電阻率達(dá)到最低，隨著碳化物的長大，碳化物與基體的關(guān)系從完全共格變成半共格直至最后的完全非共格，產(chǎn)生了很大畸變，又使得電阻率上升。

圖6 保溫時(shí)間對(duì)電阻率和硬度變化的影響Fig.6 Influence of heat preservation time on the resistivity and hardness

由圖6（b）可知，固溶淬火態(tài)試樣硬度值較高。因?yàn)榇慊鸬玫搅税鍡l馬氏體組織，在保溫過程中，板條馬氏體分解為鐵素體和珠光體，因而硬度值下降。隨著保溫時(shí)間的延長，硬度值先上升后下降。這是由于在保溫初期，碳化物起到了析出強(qiáng)化作用而使硬度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，保溫30 min左右時(shí)其硬度值達(dá)到最大值。但在保溫后期，碳化物長大粗化導(dǎo)致硬度值降低。

3 結(jié)論

對(duì)于一種Nb微合金鋼F40，試樣加熱至1 200℃，固溶10 min后淬火，然后在700℃保溫不同時(shí)間的試驗(yàn)得到：

（1）淬火態(tài)試樣中C、Nb分布均勻，未出現(xiàn)明顯的C、Nb團(tuán)簇，但在700℃保溫30 min試樣中C、Nb原子形成了明顯的細(xì)小團(tuán)簇，數(shù)量較多。

（2）隨著保溫時(shí)間的延長，點(diǎn)陣常數(shù)a和c均出現(xiàn)明顯的降低，軸向比c／a也同時(shí)減小，且700℃保溫30 min時(shí)，c／a比值趨于1，電阻率減至最低，說明保溫30 min時(shí)析出相對(duì)充分。

（3）試樣在1 200℃固溶10 min后淬火得到的組織形貌為板條馬氏體，隨著保溫時(shí)間的延長，馬氏體逐漸分解成鐵素體和珠光體，鐵素體含量逐漸增加。保溫30 min時(shí)，由于碳化物析出強(qiáng)化導(dǎo)致二次硬化，硬度值上升。

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收修改稿日期：2015-09-08

Research on the Evolution Process of Precipitated Phase in Nb-m icroalloyed Steel

Chen Jian Li Yufei Zhao Yongqiao Liu Zhao Xiong Huihui Zhang Henghua
（State Key Laboratory of Advanced Special Steel＆Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy＆School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China）

In order to explore the influence of heat preservation time on the evolution of clusters during carbide precipitation process，the sample was heated to 1 200℃by means of resistance heatingmethod，dissolved for 10 min，and then quenched.Finally，its temperature was controlled at about 700℃for different times，and it was investigated by 3DAP，XRD，resistivity method and so on.The experiment results showed that the content of ferrite increased gradually with the extension of heat preservation time，however，the lattice constants，including a，c and c／a ratio，were reduced significantly.The resistivity value became the lowest after 30 min soaking，and there was an obvious cluster segregation for the C，Nb atoms in the sample compared to as-quenched one.At the same time，c／a ratio tended to 1，which illustrated that the NbCwas fully precipitated at this time.

heat preservation time，Nb-microalloyed steel，precipitated phase，evolution

陳劍，男，主要從事微合金鋼控軋控冷及析出相研究，Email：chdccj＠shu.edu.cn

張恒華，教授，博導(dǎo)，己發(fā)表論文150多篇，Email：hhzhang＠shu.edu.cn