含铌钢再加热和晶粒粗化成份及微观结

含铌钢再加热和晶粒粗化时成分及微观结构的变化（美）E.J.Palmiere,C.I.Garcia,A.J.DeArdo（匹兹堡大学）摘要叙述温度对再加热状态下微合金钢奥氏体的显微组织和成份的影响。关键词再加热温度晶粒粗化温度溶解度积含铌钢CompositionalandMicrostructuralChangesWhichAttendReheatingandGrainCoarseninginSteelsContainingNiobiumE.J.Palmiere,C.I.Garcia,A.J.DeArdoAbstractThisworkdescribestheeffectoftemperatureonboththemicrostructureandcompositionofmicroalloyedsteelausteniteintheas-reheatedcondition.FourlaboratorysteelsofsimilarClevelswereanalyzedinthisinvestigation.ThreesteelshaddifferentNbconcentrationsatconstantNlevelsandthefourthexhibitedadifferentinNconcentration.Theaverageprior-austenitesizewasdeterminedusingquantitativemetallogaphictechniquesasafunctionofreheattemperature.ThecorrespondingamountofNbinaustenitewasdeterminedfromatomprobeanalysis.Resultsfromthisinvestigationindicatethatatelevatedtemperatures,representativeoftypicalreheatingpractice,asimilaramountofNbissolubleinaustenitethanwhatwouldhavebeenpredictedfromanyexistingsolubilityrelationforNbCxinaustenite.ThesolubilityofNbandCinausteniteforthelow-Nsteelsisbytherelation:Log[Nb][C]=2.06-6700/T.additionally,itisshownthatundissolvedNbCxparticlesarepresentinausteniteapproximately125℃abovethegrain-coarseningtemperature.1前言从Nb对奥氏体3个临界温度的影响情况，可以了解Nb等微合金元素对热机械处理奥氏体反应的影响程度。这3个温度是晶粒粗化温度TGC、再结晶停止温度TRXN及相变温度Ar3或BS[1～4]。虽然它们对质变机械处理的效果都很重要，但本研究的重点仅放在TGC上。TGC被定义为异常晶粒粗化或二次再结晶开始的温度，这个温度可以看作是晶粒粗化驱动力与阻止边界移动钉扎力达到平衡时的温度。驱动力与原始晶粒尺寸成反比，而钉扎力则与质点体积分数和半径之比有关。因此，钉扎力受奥氏体中第二相质点的热力学稳定性控制[5，6，7]。由于板坯或方坯的再加热是形变过程的起始阶段，因而了解TGC与TRXN再加热温度产关系是很重要的。从而，根据钢在高于还是低于TGC下再加热，可得出极不相同的显微结构和微合金页码，1/11含铌钢再加热和晶粒粗化成份及微观结构的变化2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\含铌钢再加热和...溶解程度。再加热的实施通常是根据最终产品的要求来决定的。例如，韧性极为重要的产品（如高强度钢板），可在低于TGC下进行再加热，这样可将晶粒粗化控制为最小。在这种情况下，第二相质点在奥氏体中相对保持为未溶解状态，并且不会在随后的加工过程中重新析出而起强化作用。因此，像高强度钢板这样的产品就可以通过晶粒和亚晶细化而兼有高强度和低冲击转变温度的益处[1]。反之，韧性不如强度那么重要的产品（如带钢），则可在高于TGC下进行再加热。因此，虽然带钢在TRXNTGC下的加工期间，晶粒可能发生某些粗化，但大部分微合金化元素被固溶到奥氏体内。固溶体中的这些元素在形变时以及（或者）在铁素体或贝氏体相变后就可起析出强化作用[8～11]。但是，只有通过了解TGC和影响它的那些元素，才能选择特定的再加热操作。本研究中考虑了Nb、C和N在奥氏体中的溶解行为及它们对奥氏体的TGC的影响。1.1Nb的碳氮化物在奥氏体中的溶解度y－NbCx的晶体结构可以用2个相互穿插的面心立方(fcc)点阵来表示，Nb原子或Nb原子空穴占据一组点阵位置，而C原子或C原子空穴占据另一组点阵位置[17]。化合物δ－NbNy也呈现同样的晶体结构[13]。化合物NbCx和NbNy具有完全的固溶度，这使得它们形成一种碳氮化物NbCxNy，此处x等于C/Nb原子比，y等于N/Nb原子比，而1-(x+y)等于空穴的原子比。Storms和Krikorian曾报导[14]，NbCxNy（下文称Nb(CN)）的点阵参数随空穴浓度和C/N比而变化。Balasubramanian等人[15]最近用双亚点阵模型进行的研究也证明了在奥氏体中NbCx溶解度变化是点阵位排列的函数。随着占据第二相间隙亚点阵位的C原子减少，NbCx和在奥氏体中的溶解度提高。因此，当在NbCx中的x从1降低时，奥氏体中化合物的溶解度增加。从过去30年所进行的许多研究工作可以明显地看到Nb作为钢中微合金化元素的重要性。研究主要集中于Nb的一碳化物[12，15～27]，一氮化物[12，15，16，22，24，28，29]和碳氮化物[12，15，30～34]在奥氏体中的溶解度。研究结果以溶解度积的形式示于表1。溶解度积之间的差别相当大，这可能与多种原因有关。其中最主要的原因是，为得到这些溶解度所用的方法是多种多样的，而每种方法都有自己的假设和局限性。现将获得表1中溶解度积的方法分为A～E类，并简单描述如下：(A)热力学计算；(B)化学分离和析出物离析；页码，2/11含铌钢再加热和晶粒粗化成份及微观结构的变化2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\含铌钢再加热和...(C)各种温度下在H2～CH4氛围中平衡一系列不同Nb含量的钢，之后分析碳含量；(D)硬度测量；(E)对现有溶解度积统计处理。溶解度积的热力学计算通常将元素间的交互作用都忽略不计。因此，将活度系数假定为1，并且以它们的质量分数表示活度。然而，在最近的研究工作中结合Wagner交互作用参数来说明合金元素对Nb(CN)在奥氏体中溶解度的影响[15～24]。因为它包含了非单一的活度系数，这就得到了更为真实的溶解度积。虽然象化学分离和甲烷平衡这些方法能够间接地说明化学交互作用，但是它们都有自身的局限性。由分离法引起的一个问题是，非常细小的析出物可能未被分析，并且可能与确切的析出物成份存在差异[16～25]。这个问题也存在于平衡法中，因为分析碳含量时通常假定存在一个化学计量或非化学计量的化合物[25]。此外，这两种方法，包括热力学计算在内，都忽略了析出物尺寸对溶解的影响。热力学指出，小质点比大质点更易于溶解[35]。因而用由这些方法得到的溶解积预计的析出物可能比所料想的更为稳定。最后，由于硬度方法是基于这样的假设，即硬度的提高与溶解在奥氏体中并随后以Nb(CN)在铁素体中析出的Nb的含量成正比，所以这种方法是不可靠的[16]。尽管实际的确如此，但并不是钢中所有的C和N都一定与析出物相结合。此外，要将这种硬度增量与那些由于其它机理例如晶粒尺寸强化、固溶强化和位错强化带来的增量区分开来也有困难。总之，表1所表示的所有溶解度积对于一般了解Nb(CN)在奥氏体中的溶解度还是有用的。本研究的目的是为了更详尽地了解再加热时的这种行为和这种行为对奥氏体晶粒粗化的影响。2、试验步骤本研究使用试验室冶炼的低碳硅脱氧系列钢，其成份示于表2。选择Si做为脱氧剂而不用Al，是为了将AlN析出的影响减至最小，因为它可能使分析结果复杂化。所有试验钢的固溶氧含量均不大于6ppm(1ppm=10-6)。进一步的分析表明，所测得的总的残留元素的原子百分数不超过0.016%。为了提供附加的淬硬性以使淬火时形成的先共析铁素体量减至最小[36、37、38]，使用了相对高的Mn含量，这是更精确地描述可能达到的原始奥氏体晶粒尺寸所必需的。钢中S含量选择为代表最终产品的切削加工性能不是主要因素的钢级中的标准水平[39]。页码，3/11含铌钢再加热和晶粒粗化成份及微观结构的变化2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\含铌钢再加热和...P含量有意识地控制得较高，以有助于实施揭示原始奥氏体晶粒边界的金相技术。2.1材料加工基本钢（E0）的C和N的原子百分数分别为0.415%和0.032%（重量百分数分别为0.09%和0.008%）。围绕基本钢的成份依序配制了E1～E4的4种铌微合金化钢。其中3种（E1、E3和E4）有相似的N含量，而Nb量和不同的N量。因而，不论使用表1中的何种溶解度关系，这些钢都应呈现出3种不同形式的Nb在奥氏体中的溶解行为。试验钢用真空感应法溶炼，并铸成11.4～22.7kg的钢锭，经均匀化处理后轧成直径约为16mm的棒材。然后将这些棒材车削成规整的圆柱体，其直径和高度均为12.7mm，以进行再加热研究。2.2晶粒粗化研究为确定原始奥氏体晶粒尺寸和固溶Nb与温度的关系，对试样进行了等温再加热研究。在每次奥氏体化处理之前，将试样放在真空的石英管中，再充以干燥的氩气（99.9%纯度）。这样，测得每个密封管的总压力为100mTorr(1Torr=133.322Pa)。再加热研究中采用了跨越奥氏体相区的8种不同温度。最高试验温度为1300℃，而最低温度为950℃。其余6种温度在此范围内以50℃递增。选择1300℃作为再加热温度上限的理由如表3所示。表3示出开始发生Nb的一碳化物、一氮化物和碳氮化物在奥氏体中完全溶解的平均温度。表3所示温度是根据表1所列溶解度积计算出来的。根据表3的这些值，在1300℃下再加热可望能保证所有钢的析出物都能完全溶解。热力学稳定性最小的析出物（即在奥氏体中溶解度最大的析出物），预期再加热高于析出物溶解温度290℃。反之，热力学最稳定的析出物（即在奥氏体中溶解度最小的析出物），1300℃再加热则高于其析出物溶解温度46℃。各再加热温度的炉温达到平衡后，试样在该温度下奥氏体化30min。试样的加热速度率约为5℃/s。再加热后，立即将试样置于冰水槽中水淬。然后将试样切成两半。一半在Ar气氛中于500℃下回火24小时，进行这种处理是为了使固溶体中的P向奥氏体晶粒边界偏聚，以便于光学金相分析[32]；另一半圆柱体试样保留为淬火状态，供以后用原子探针和场离子显微术进行分析。场离子显微术用Ne作为成象气体在40～50K之间进行分析。原子探针分析在60K下进行。页码，4/11含铌钢再加热和晶粒粗化成份及微观结构的变化2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\含铌钢再加热和...选择这个温度是为了使施加在试样上的场致应力最小，因而能延长收集离子的探针尖的寿命。分析是在10－8～5×10－9Torr的Ne中进行的。3、结果和讨论3.1奥氏体的显微组织钢E1的原始奥氏体晶粒尺寸与再加热温度的关系示于图1。这一系列显微组织完全为马氏体，没有沿原始奥氏体晶粒边界形成先共析铁素体的痕迹。其它钢也都呈现类似的显微组织。图2为各试验钢随再加热