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        固溶和時(shí)效處理對(duì)Fe-Mn-Al-C輕質(zhì)鋼組織和硬度的影響

        2022-04-09 02:45:10黃貞益李景輝
        金屬熱處理 2022年3期

        孫 建,黃貞益,李景輝,王 萍

        (1.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002;2.銅陵學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 銅陵 244061)

        Fe-Mn-Al-C系輕質(zhì)鋼一直是近些年的研究熱點(diǎn),該體系鋼不僅有著高的強(qiáng)度和優(yōu)異的韌性(屈服強(qiáng)度0.4~1.0 GPa,抗拉強(qiáng)度0.6~2.0 GPa,伸長(zhǎng)率30%~100%)[1-7],而且擁有著較低的密度。Frommeyer等[7-8]指出,鋼中每添加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的Al,其密度會(huì)降低1.3%,因此對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減重具有重要研究意義,在汽車工業(yè)、航空航天、國防建設(shè)等領(lǐng)域有著非常廣闊的發(fā)展前景。Fe-Mn-Al-C系輕質(zhì)鋼中基本合金元素Al含量為2%~12%,Mn含量為2%~30%,C含量為0.05%~2%,再配以Si、Ni、Mo、Nb、V、Ti等合金元素進(jìn)行成分優(yōu)化,設(shè)計(jì)出強(qiáng)塑性較為優(yōu)異的輕質(zhì)鋼。根據(jù)熱軋態(tài)主要組成相該體系鋼可分為單一奧氏體鋼、單一鐵素體鋼、奧氏體基雙相鋼和鐵素體基雙相鋼[7]。

        奧氏體基Fe-Mn-Al-C系輕質(zhì)鋼一般采用固溶處理和時(shí)效處理相結(jié)合的熱處理方式[9-12],固溶處理通常是為后續(xù)的時(shí)效處理作前期組織準(zhǔn)備,把各合金元素及第二相充分溶解到基體當(dāng)中去,起到均勻化組織和獲得過飽和固溶體的作用。時(shí)效處理再選擇合適的溫度及時(shí)間,來調(diào)控鋼中第二相(κ-碳化物以及MC等)析出的形態(tài)、大小、分布以及體積分?jǐn)?shù),以實(shí)現(xiàn)所需的組織和性能。κ-碳化物是該體系鋼經(jīng)過固溶和時(shí)效處理時(shí),在奧氏體基體當(dāng)中析出,其析出機(jī)制目前尚無確切定論,大量研究表明,κ-碳化物是以調(diào)幅分解的方式在奧氏體中共格析出[2,9-14],這是目前學(xué)界最普遍的一個(gè)認(rèn)識(shí)。此外,新的研究表明[15],F(xiàn)e-20Mn-9Al-3Cr-1.2C輕質(zhì)鋼在時(shí)效過程中,未發(fā)現(xiàn)調(diào)幅分解過程中的元素配分現(xiàn)象,奧氏體中κ-碳化物晶核是通過形核機(jī)制直接形成的,這一發(fā)現(xiàn)突破了原有晶內(nèi)納米κ-碳化物形成機(jī)制的認(rèn)知。綜上,固溶和時(shí)效處理工藝對(duì)Fe-Mn-Al-C系輕質(zhì)鋼的組織和性能產(chǎn)生重要影響,固溶時(shí)效處理工藝對(duì)輕質(zhì)鋼析出相的影響還需繼續(xù)進(jìn)行廣泛研究。因?yàn)楹线m的熱處理工藝可以達(dá)到優(yōu)化材料性能的目的,然而工藝不當(dāng)也能惡化材料性能[16],所以探究固溶時(shí)效處理對(duì)該體系鋼的影響有著十分必要的意義。

        本文對(duì)含一定量Si和V的Fe-Mn-Al-C輕質(zhì)鋼進(jìn)行了固溶和時(shí)效處理,采用XRD、OM、SEM等分析手段對(duì)時(shí)效后的試驗(yàn)鋼進(jìn)行了組織和硬度分析,為該體系鋼后續(xù)的成分優(yōu)化設(shè)計(jì)以及熱處理工藝提供一定的參考價(jià)值。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        試驗(yàn)鋼采用真空感應(yīng)電爐熔煉為50 kg鋼錠,化學(xué)成分如表1所示。鋼錠切去冒口,鍛造加熱溫度1160 ℃,保溫1.5 h,始鍛溫度1140 ℃,終鍛溫度900 ℃以上,鍛造成橫截面尺寸為30 mm×100 mm方坯,水冷至室溫。軋制加熱溫度1200 ℃,保溫時(shí)間2 h,開軋溫度1050 ℃以上,終軋溫度850 ℃以上,7道次軋制成4.5 mm厚板坯,然后空冷至室溫。線切割切取15 mm×20 mm(沿軋制方向)規(guī)格試樣分別經(jīng)950、1000、1050 ℃固溶處理1 h后水冷,然后分別在450、500、550 ℃下保溫5 h后空冷,工藝如圖1所示。金相樣品磨制、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行腐蝕,將表面腐蝕液沖洗干凈,在UMT203i 型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。采用Bruker D8AdvanceX射線衍射儀(Cu靶Kα射線進(jìn)行掃描)對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行物相分析,測(cè)試角度范圍10°~110°,步速5°/min,工作電壓40 kV,加速電流200 mA。在華銀布洛維硬度計(jì)上測(cè)定試驗(yàn)鋼的布氏硬度。采用排水法測(cè)得試驗(yàn)鋼密度為7.23 g/cm3。

        表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        圖1 試驗(yàn)鋼固溶和時(shí)效處理工藝示意圖

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 原始組織

        圖2為熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼金相和掃描組織以及XRD測(cè)試結(jié)果。由圖2可知,熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼組織為單相奧氏體,在奧氏體基體中存在退火孿晶,孿晶沿著奧氏體晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng),部分貫穿于整個(gè)奧氏體晶粒,有的則終止在奧氏體晶內(nèi)。在試驗(yàn)鋼的XRD譜圖中可以發(fā)現(xiàn),衍射峰強(qiáng)度較高的為奧氏體(γ)的(111)、(200)晶面,如圖2(c)所示。

        圖2 試驗(yàn)鋼的原始組織

        2.2 固溶和時(shí)效處理對(duì)試驗(yàn)鋼組織的影響

        圖3為試驗(yàn)鋼在不同熱處理?xiàng)l件下的顯微組織,由圖3可知,在經(jīng)過不同溫度的固溶和時(shí)效處理后,試驗(yàn)鋼的基體相較于熱軋態(tài)沒有發(fā)生變化,仍為單相奧氏體,且在奧氏體內(nèi)仍然存在著一定數(shù)量的退火孿晶。由圖3(a,b)和圖3(c~e)可以觀察到,在同樣的固溶處理?xiàng)l件下,隨著時(shí)效溫度的升高,試驗(yàn)鋼的奧氏體晶粒尺寸并沒有明顯的變化,說明此時(shí)效處理?xiàng)l件對(duì)試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸影響較弱,間接地說明了時(shí)效處理對(duì)試驗(yàn)鋼的影響效果體現(xiàn)在了第二相的析出方面,也就是奧氏體中過飽和固溶體的調(diào)幅分解以及合金元素配分析出。由圖3(a,c),圖3(b,d)以及圖3(e,f)可以看出,在相同時(shí)效溫度下,隨著固溶溫度的升高,奧氏體晶粒尺寸長(zhǎng)大明顯,孿晶數(shù)量逐漸減少,奧氏體晶界逐漸趨向于平直化,當(dāng)固溶溫度由950 ℃升高到1000 ℃時(shí),晶粒尺寸范圍由10~50 μm擴(kuò)大到50~100 μm。在1050 ℃固溶時(shí),奧氏體晶粒尺寸最大,為50~200 μm。

        圖3 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度固溶和時(shí)效后的顯微組織(OM)

        為進(jìn)一步分析時(shí)效處理過程中,試驗(yàn)鋼第二相的析出情況以及種類,進(jìn)行了掃描電鏡分析(SEM),如圖4所示。由圖4(a,b)和圖4(c~e)可以觀察到,在950 ℃和1000 ℃內(nèi)進(jìn)行固溶時(shí),在同一固溶處理溫度下,隨著時(shí)效溫度的提高,試驗(yàn)鋼組織中呈亮白色析出物數(shù)量逐漸增多,且分布由零星點(diǎn)狀式趨于片狀聚集式分布在奧氏體基體相上。當(dāng)固溶溫度為1050 ℃、時(shí)效溫度為550 ℃時(shí),試驗(yàn)鋼奧氏體基體中很難再發(fā)現(xiàn)零星點(diǎn)狀式的析出物,而相鄰的析出物相互連接在一起,發(fā)展成為了鏈狀式分布,如圖4(f)中方框區(qū)域所示。

        圖4 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度固溶和時(shí)效后的SEM照片

        經(jīng)過EDS分析基體中析出物的成分,結(jié)果如圖5所示。EDS結(jié)果表明,亮白處析出相與基體相并無太大差別,不同的是,亮白色析出物中C和V的含量相對(duì)較高,可以分析白色顆粒為[(Fe,Mn)AlC]類κ-碳化物及VC等,因?yàn)閂為強(qiáng)碳化物形成元素,時(shí)效時(shí)從晶內(nèi)析出,當(dāng)析出量適當(dāng)時(shí)可以起到釘扎晶界、細(xì)化晶粒的作用。

        圖5 試驗(yàn)鋼經(jīng)950 ℃固溶和500 ℃時(shí)效后的EDS結(jié)果

        研究認(rèn)為[3,18],在低Al和低C的情況下,κ-碳化物的析出化學(xué)驅(qū)動(dòng)力不足,κ-碳化物的形成需要Al元素和C元素在奧氏體基體內(nèi)擴(kuò)散,換言之,κ-碳化物的形成速率由合金內(nèi)Al和C的擴(kuò)散速度決定。所以輕質(zhì)鋼內(nèi)Al和C的含量直接影響了固溶和時(shí)效處理時(shí)第二相的析出效果。試驗(yàn)鋼Al和C含量基本滿足了κ-碳化物的析出化學(xué)驅(qū)動(dòng)力要求。而V強(qiáng)碳化物形成元素的加入,會(huì)對(duì)κ-碳化物的析出動(dòng)力產(chǎn)生影響。通常,時(shí)效處理過程中第二相的析出,會(huì)提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度、硬度,起到第二相強(qiáng)化作用,但這并非絕對(duì),其還受到析出物的析出形態(tài)、大小、分布以及數(shù)量等因素的影響,與此同時(shí),奧氏體晶粒大小所產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化效果,以及奧氏體內(nèi)的孿晶所產(chǎn)生的孿晶強(qiáng)化效果等因素會(huì)共同影響試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。

        2.3 固溶和時(shí)效處理對(duì)試驗(yàn)鋼硬度的影響

        試驗(yàn)鋼在不同固溶和時(shí)效處理?xiàng)l件下的硬度分布見圖6,可以看出,950 ℃固溶1 h、500 ℃時(shí)效5 h時(shí),硬度達(dá)到最大值202.7 HBW,而1050 ℃固溶1 h、550 ℃時(shí)效5 h時(shí),試驗(yàn)鋼硬度最低為157.8 HBW。因此固溶和時(shí)效處理對(duì)試驗(yàn)鋼的硬度影響較為明顯,在相同的時(shí)效工藝下,試驗(yàn)鋼的硬度隨著固溶溫度的升高而降低,在相同的固溶工藝下,隨著時(shí)效溫度的升高,試驗(yàn)鋼硬度呈增大趨勢(shì)。此外,熱處理狀態(tài)下試驗(yàn)鋼的硬度較熱軋態(tài)均出現(xiàn)了明顯降低。

        圖6 試驗(yàn)鋼在不同固溶和時(shí)效條件下的硬度值分布

        結(jié)合試驗(yàn)鋼的OM和SEM分析結(jié)果,隨著固溶溫度的升高,試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸增大,從前文所述Hall-Petch細(xì)晶強(qiáng)化角度理解,試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸增大,硬度值降低,這與試驗(yàn)鋼硬度值測(cè)試結(jié)果相一致。在同一固溶溫度下,隨著時(shí)效溫度的升高,試驗(yàn)鋼的硬度呈增大趨勢(shì),根據(jù)圖4可知,隨著時(shí)效溫度的升高,析出相形態(tài)由零星點(diǎn)狀式變?yōu)槠瑺罹奂?,即第二相析出增?qiáng),說明隨著時(shí)效溫度的升高,析出強(qiáng)化效果得到一定提高。

        通常,第二相κ-碳化物及VC強(qiáng)碳化物等析出對(duì)輕質(zhì)鋼的力學(xué)性能有著重要影響,其形貌細(xì)小且彌散地分布在基體中,會(huì)顯著提高基體強(qiáng)度且?guī)缀醪粨p害韌性,如果尺寸過大或分布不均勻,不僅對(duì)鋼的韌性損傷較嚴(yán)重,還會(huì)降低其強(qiáng)度。此外,對(duì)于Fe-Mn-Al-C系輕質(zhì)鋼固溶和時(shí)效熱處理來說,在固溶過程中的固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、孿晶強(qiáng)化[19]以及時(shí)效處理時(shí)的析出強(qiáng)化,這些強(qiáng)化機(jī)制共同對(duì)試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。對(duì)于該體系輕質(zhì)鋼后續(xù)還需進(jìn)一步優(yōu)化固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間,以得到優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

        3 結(jié)論

        1)隨著固溶溫度的升高,試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸隨之增大,在1050 ℃固溶時(shí),晶粒尺寸范圍達(dá)到50~200 μm。在同一固溶溫度下,時(shí)效溫度的升高對(duì)試驗(yàn)鋼的晶粒長(zhǎng)大影響不明顯。

        2)時(shí)效處理時(shí)試驗(yàn)鋼中有第二相析出,隨著時(shí)效溫度的升高,析出相形貌逐漸由零星點(diǎn)狀式到片狀聚集式分布,再到鏈狀形態(tài)分布在奧氏體基體內(nèi)。

        3)試驗(yàn)鋼的硬度隨著固溶溫度的升高而降低,隨著時(shí)效溫度升高,試驗(yàn)鋼硬度呈增大趨勢(shì),在熱處理試驗(yàn)范圍內(nèi),950 ℃固溶1 h、500 ℃時(shí)效5 h時(shí),硬度達(dá)到最大值202.7 HBW。

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