供稿|燕際軍,石明浩,張朋彥 / YAN Ji-jun, SHI Ming-hao, ZHANG Peng-yan
作者單位:1. 本鋼技術(shù)研究院,遼寧 本溪 117000;2. 東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110004
針狀鐵素體(Acicular Ferrite,AF)在鋼中特定的夾雜物上形核,尺寸細(xì)小并以大角晶界相互交錯,提高了材料的力學(xué)性能,特別是沖擊韌性[1-2]。這種組織最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用于低合金鋼焊縫中,因?yàn)楹缚p金屬中豐富的夾雜物為針狀鐵素體轉(zhuǎn)變提供了有利條件。后來人們利用針狀鐵素體組織來提高鋼材焊接熱影響區(qū)(HAZ)韌性,并成為大線能焊接鋼開發(fā)的重要手段[3]。并且基于通過對非金屬夾雜物的控制實(shí)現(xiàn)針狀鐵素體組織調(diào)控的理念提出氧化物冶金(Oxide Metallurgy)和夾雜物工程(Inclusion Engineering)[4-6]的概念。
近年來,已經(jīng)把氧化物冶金技術(shù)應(yīng)用于鑄件、連鑄薄帶、厚板、型鋼的開發(fā)中,并取得了顯著進(jìn)展[7-11]。與其相關(guān)的基礎(chǔ)研究也不斷擴(kuò)展和深入,包括針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變熱力學(xué)和動力學(xué)、形態(tài)學(xué)、晶體學(xué),以及夾雜物的控制和形核機(jī)理等[12-13]。常用的對形核有效的夾雜物有TiOx、CaO、MgO、VN、CuS、MnS、尖晶石等的單相或復(fù)合夾雜物。
鋯(Zr)一直以來主要用于硫化物夾雜的變質(zhì)處理。隨冶煉技術(shù)的發(fā)展硫化物得到精確控制,Zr變質(zhì)作用的重要性降低。但,Zr氧化物促進(jìn)針狀鐵素體形核的能力引起人們的關(guān)注,研究表明其對提高材料性能有積極作用[14-20],對其更深入的研究非常必要。而且,對含Zr低碳鋼不同溫度下針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變行為研究較少,本文通過相變儀實(shí)驗(yàn)和組織觀察,研究了Zr處理低碳鋼不同等溫條件下針狀鐵素體組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn),提供Zr處理鋼相變動力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
—在2018洛杉磯車展上,針對媒體提問的采用轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)技術(shù)的馬自達(dá)跑車何時亮相,馬自達(dá)動力總成研發(fā)總監(jiān)給出了以上回答
本實(shí)驗(yàn)用鋼在實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐中熔煉并真空澆鑄成40 kg圓柱形鋼錠。測得實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為C 0.10%,Si 0.19%,Mn 1.50%,P 0.007%,S 0.006%,Als 0.025%,Zr 0.05%,Ti 0.015%,N 0.0039%,O 0.0016%。鋼錠加熱至1200℃在熱軋機(jī)上進(jìn)行開坯,坯料再加熱至1200℃進(jìn)行熱軋,軋制溫度范圍為900~1100℃,終軋厚度為12 mm。
以軋態(tài)鋼板為原料加工等溫?zé)崽幚韺?shí)驗(yàn)試樣,等溫處理實(shí)驗(yàn)在Formastor-FⅡ型全自動相變儀上進(jìn)行,試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長10 mm、直徑3 mm的圓柱,在試樣一端加工凹槽焊接熱電偶。實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如圖1所示,試樣在真空環(huán)境下加熱至1150℃,保溫3 min后吹氬氣,以80℃/s的速度分別冷卻至700、650、600、550、500℃并恒溫180 s,之后以80℃/s的速度冷卻至室溫,采用高精度高速膨脹儀記錄試樣軸向膨脹量。試樣沿縱剖面切開,經(jīng)機(jī)械研磨拋光,用4%硝酸酒精侵蝕顯示微觀組織,用光學(xué)顯微(OM)和掃描電鏡(SEM)觀察各工藝試樣的組織形貌,并對試樣夾雜物成分能譜分析(EDS)。
圖1 實(shí)驗(yàn)鋼等溫處理工藝示意圖
圖2 不同溫度下恒溫180 s的組織轉(zhuǎn)變金相照片
試樣中夾雜物尺寸絕大部分在0.5~3 μm范圍內(nèi),由于熱軋加工除個別MnS為主的夾雜物產(chǎn)生變形外,絕大部分夾雜物為球形或接近球形,Zr處理對夾雜物尺寸分布和形態(tài)控制作用明顯。對夾雜物成分EDS分析如圖3所示。夾雜物表面某點(diǎn)的成分為MnS、ZrO2或MnS與Zr、Al、Ti的氧化物的復(fù)合物,但其整體成分構(gòu)成應(yīng)更復(fù)雜。Zr的氧化物能夠促進(jìn)針狀鐵素體的形成已經(jīng)被許多文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)所證實(shí),Zr氧化物夾雜的形核機(jī)理多認(rèn)為與MnS的復(fù)合析出有關(guān)[17-20]。文獻(xiàn)[16]指出Ti和Zr的復(fù)合氧化物促進(jìn)針狀鐵素體形核,而單純的ZrO2則不能形核。Zr與O的親和力強(qiáng),ZrO2熔點(diǎn)高密度也較大,能夠大量細(xì)小地分布在鋼液中而不上浮,在冷卻過程中能夠作為MnS(及其他夾雜物)的析出核心。MnS的析出在夾雜物周圍可形成貧Mn區(qū),提高奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度,因此能促進(jìn)針狀鐵素體形核。雖然到目前為止夾雜物對針狀鐵素體的形核機(jī)理仍未完全確定,但本實(shí)驗(yàn)中采用Zr處理對針狀鐵素體轉(zhuǎn)變起到了明顯的促進(jìn)作用。
根據(jù)圖2中(c)和(h)所示,針狀鐵素體的形核開始溫度在600~650℃之間,這與Zhang X F等人[21]利用高溫顯微鏡進(jìn)行原位觀察針狀鐵素體高溫轉(zhuǎn)變的結(jié)果一致。先共析鐵素體的形成溫度高于針狀鐵素體組織,在較高溫度時在奧氏體晶界處先形核長大。由圖2中(d)和(i)可以看出針狀鐵素體轉(zhuǎn)變非常迅速,可以推斷其轉(zhuǎn)變機(jī)制和貝氏體相似,屬于切變型轉(zhuǎn)變。
馬麗亞狠狠地說:“哼,不要高興得太早了,我們就騎驢看唱本,走著瞧吧!”馬麗亞說完,狠狠剜了竹韻一眼氣沖沖而去,那一眼剜得竹韻頭皮發(fā)麻。
圖2 為不同溫度下恒溫180 s的金相組織。隨著恒溫溫度的降低針狀鐵素體的含量增加,在500℃時,占據(jù)整個奧氏體晶粒,使得奧氏體晶界不明顯。轉(zhuǎn)變初期,沿著奧氏體晶界處形成大量的先共析鐵素體,在晶粒內(nèi)部觀察到少量的晶內(nèi)多邊形鐵素體形核,如圖2中(c)和(h)所示。隨著溫度的降低,針狀鐵素體迅速形核長大,形成四周放射狀的典型針狀鐵素體組織,如圖2中(d)和(i)所示。圖2中(e)和(j)為500℃的針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變組織,可以看出針狀鐵素體迅速形核長大,抑制了先共析鐵素體在晶界處的形核長大,針狀鐵素體特殊的形狀特征將奧氏體晶粒分割成較小的區(qū)域,從而起到了細(xì)化奧氏體晶粒的作用。
圖3 實(shí)驗(yàn)鋼中促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核的夾雜物能譜:(a) 600℃;(b ~ d) 500℃
(1) 本實(shí)驗(yàn)中針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變開始溫度為600~650℃。針狀鐵素體轉(zhuǎn)變非常迅速,其轉(zhuǎn)變機(jī)制和貝氏體相似,屬于切變型轉(zhuǎn)變。先共析鐵素體的形成溫度高于針狀鐵素體組織,在較高溫度時在奧氏體晶界處先形核長大。
快要走到體育館的門口時,校長突然停下來,對愛德華說:“你去給客人們講講那里的陳列品吧?!毙iL說完沖我們意味深長地笑笑,停下腳步,跟正在做樓體保潔的工作人員閑聊起來。愛德華突然興奮不已,他跑過去,指點(diǎn)著門口陳列架上的陳列品,滔滔不絕地告訴我們哪個獎杯是哪次比賽得來的,哪件球衣是哪個校友在哪場大賽中穿過的……我們問他,你怎么對這些信息掌握得這么全面準(zhǔn)確呀?他得意地一笑說:“我是學(xué)校橄欖球隊(duì)的。你們看我領(lǐng)帶上繡的這個圖案,這就是橄欖球隊(duì)的標(biāo)志?!?/p>
(2) Zr處理低碳鋼中夾雜物多為球形,尺寸細(xì)小分布彌散,明顯促進(jìn)了針狀鐵素體轉(zhuǎn)變,Zr氧化物上針狀鐵素體形核與MnS或其他氧化物的復(fù)合析出有關(guān)。
攝影 左文燕