低碳低合金钢中晶内铁素体与组织控制

低碳低合金钢中的晶内铁素体与组织控制吴开明（武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,应用物理系，武汉430081）摘要对晶内铁素体的发现、发展及其与组织控制的关系进行了简要的回顾与评述。重点讨论了晶内铁素体的形核机制和影响因素。简要地介绍了晶内铁素体的三维形态和长大动力学。最后，从晶内铁素体的形核、长大、形态和分布等方面分析了晶内铁素体对低碳微合金钢组织细化的重要作用和影响。关键词钢，低合金钢，显微组织，晶内铁素体，贝氏体，三维形态，长大动力学，组织控制中图法分类号TG111,TG142INTRAGRANULARFERRITEANDMICROSTRUCTURECONTROLINLOWCARBONMICROALLOYEDSTEELSWUKaiming(K.M.Wu)KeyLaboratoryforFerrousMetallurgyandResourcesUtilizationofMinistryofEducation,DepartmentofAppliedPhysics,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081.Correspondent:WuKaiming,professor,Tel:[phone],Fax:[phone],E-mail:[e-mail]uralScienceFoundationofChina(No.50471107)Manuscriptreceived2006-02-xxABSTRACTThediscoveryandcurrentadvancesofintragranularferriteanditsrelationwithmicrostructurecontrolarereviewed.Thenucleationmechanismsandinfluencingfactorsontheformationofintragranularferritearediscussed.Three-dimensionalmorphologyandgrowthkineticsofintragranularferritearebrieflyintroduced.Finally,theimportantroleandeffectofintragranularferritewereanalyzedonthemicrostructurerefinementforlowcarbonmicroalloyedsteelsfromtheviewpointofnucleation,growth,morphologyanddistribution.KEYWORDSsteel,lowalloyedsteel,microstructures,intragranularferrite,bainite,three-dimensionalmorphology,growthkinetics,microstructurecontrol---------------------------------------------------------------------------------------------------∗国家自然科学基金资助项目50471107收到初稿日期：2006-02-xx，收到修改稿日期：作者简介：吴开明，男，1966年生，教授，博士---------------------------------------------------------------------------------------------------细化晶粒是既能提高钢强度，又能提高钢韧性的方法。传统的细化晶粒方法是通过加工来细化原始奥氏体晶粒，然后在原始奥氏体晶界和晶粒内形成铁素体和/或者贝氏体。近年来，通过在钢中分布（人为加入和/或者冷却过程中产生的）微细夹杂物和/或者析出物作为非均匀形核地点来形成晶内铁素体。这种方法一直被用来细化焊接热影响区的组织[1-6]，近年来越来越多地用来细化钢的基体组织，以改善其韧性。本文将结合文献和本人开展的工作，围绕低碳低合金钢中晶内铁素体的形核、长大、特性及其与组织控制的关系进行简要评述。1钢的组织控制发展现状金属材料的性能（尤其是力学性能）随着组织的不同而变化很大，因此为了获得所需的性能，选择合适的合金化元素和采用合适的工艺从而得到最佳组织至关重要。控制组织是以相变（包括凝固）、析出、再结晶为基础，尤其是将其同热处理有机结合，已成为有效的组织控制手段。上个世纪六十年代开发的控制轧制和快速冷却等工艺技术已经在工业上获得了很大的成功，但目前只能将奥氏体晶粒细化至约10μm。为了大幅度提高材料的各种性能，尤其是强度和韧性，其晶粒直径必须在1μm以下。近年来，钢铁界提出了组织微细化的各种设想[7]。作为新的晶粒细化技术，目前正在开发的主要有以下几种：超强压下—急冷技术、形变诱导相变技术、多轴加工技术、强磁场相变、利用微细夹杂物/析出物形成晶内铁素体等。最后的一种方法用于改善大线能量焊接时热影响区的韧性，或用于改善机械结构用热锻造非调质钢的韧性。该方法是细化晶粒的重要方法，尤其是对于薄板坯连铸技术，无法使用大压下量热轧时，该方法将显得更加重要。形变诱导相变是奥氏体在加工期间快速向铁素体转变的行为。由于形变诱导相变形成的铁素体晶粒随变形温度的降低而变小，因此在稍高于Ar3的温度区域进行变形时，可以获得细小的铁素体晶粒。利用强加工诱导相变处理时，在不改变试样温度的过程中，也可能连续发生奥氏体向铁素体转变，将此作为生产超细钢的方法。由形变诱导相变形成的铁素体晶粒的热力学性能不稳定，晶粒长大的驱动力很大，在变形保温数秒钟后就会急速长大[8]。当施加多方向变形时，使结晶取向不同的各晶粒都发生均匀变形，可获得晶粒大小均匀、且具有大角晶界的铁素体组织[8,9]。这种加工方法可比单向变形工艺进一步提高金属内部的形变积累，从而加速铁素体的形核速度。利用多向变形技术，提高了加工形变的积累，促进奥氏体向铁素体相变，并强制引发晶内湍流，达到破粹晶粒的作用。这种技术可制备超细晶粒钢，但是如何应用于工业生产尚存在难点。强磁场与温度、压力、化学成分等因素一样，是影响金属相变的主要因素。但由于获得强磁场存在很多困难，使其研究领域受到限制。最近，超导体的迅速发展促进了对强磁场下各种现象的研究工作。在细化晶粒方面，Bhadeshia等[10]利用30T的超强磁场得到了片层间距为50nm的超细珠光体，而在没有磁场的条件下的组织则为贝氏体和马氏体的混合组织。最近，Enomoto等[11]研究了磁场对先共析铁素体转变动力学的影响，结果表明，不管是在居里点以下还是以上，磁场的存在都会加速转变动力学。机械热处理（TMCP）技术是二十世纪六十年代发展起来的集轧制成型及热处理于一体的全面提高金属材料力学性能的先进冶金生产工艺技术，具有流程简单、节能经济（无须再淬火-回火），在提高强度的同时明显提高材料韧性的特点。TMCP工艺包括控制奥氏体组织、微合金元素析出、再加热-轧制-冷却过程的组织结构，以及合金设计、冶炼过程纯净度控制、夹杂物控制、除气等一系列控制过程。用该工艺技术制造的钢目前已广泛用于造船、管线、以及海洋结构、高层建筑、桥梁等许多结构。TMCP最初的目的是通过对奥氏体热变形达到细化铁素体晶粒，实现提高强度及抗晶间断裂的目的。TMCP的冶金特点是最大限度地利用了Nb、Ti等微合金化元素，Nb在再加热、轧制及冷却过程中起不同的作用。Nb最重要的作用是在轧制过程中阻止奥氏体的再结晶。这样，为在非再结晶区轧制和加速冷却的组合提供了一个很大的范围。近年来，在TMCP工艺中在非再结晶区内加工对组织与性能的影响备受关注。文献[12]报道了Fe-0.15%C-0.3%Si-1.3%Mn钢在800°C非再结晶温度用不同压力轧制后在不同温度下等温保持30秒，在奥氏体晶界和奥氏体晶粒内铁素体形核的数量，铁素体晶粒数目随着加工压力的增大而迅速增长。当相变温度较低时这种趋势特别明显，使得通过加速冷却降低相变温度对细化铁素体晶粒非常有利。贺信莱[13-17]等人在含Nb、Ti等多元微合金化钢的TMCP工艺中，在轧后进行驰豫一定时间后再快速冷却后发现，钢的组织进一步细化，钢的强度和韧性明显提高，其可能的原因之一就是利用在相变前产生晶内铁素体来分割原始奥氏体晶粒。最近，作者与贺信莱等人[18，19]利用纳米硬度、组织的原位回火和三维重建等手段对上述组织细化的机理进行了进一步的研究与分析。2晶内铁素体的形核机制近年来，在利用钢中的夹杂物和析出物来形成晶内铁素体方面进行了很多研究。关于晶内铁素体的形核机制目前尚无统一的认识。表1列出了夹杂物促进形核的主要文献。从该表中可以看出，两种主要的形核机制为：一种是夹杂物周围奥氏体中化学成分的变化促进形核；另一种是夹杂物/析出物与铁素体核心共格，从而降低形核势垒促进形核。其它的机制为：由于夹杂物与奥氏体的热收缩不一致引起的应变能，以及溶质原子或杂质元素偏聚在夹杂物表面促进形核。2.1由于形成溶质贫乏区增加相变的驱动力促进形核Mabuchi等[5]利用FE-TEM-EDS纳米探针分析了结构钢中大线能量焊接时热影响区晶内铁素体的形成机制。文章认为在Mn、Si氧化物上析出MnS形成约50nm的贫Mn区可促进晶内铁素体的形核(Mn、Si氧化物与铁素体是非共格的)。Gregg和Bhadeshia[20]也报道了直接向钢中加入夹杂物的方法研究它们对形成晶内针状铁素体的影响。他们发现在夹杂物周围形成的贫Mn或贫C区促进晶内针状铁素体的形核。Shim[21]将夹杂物与钢进行热压连接在一起的方法，研究了夹杂物对晶内针状铁素体的形核的影响。文章认为：Ti2O3周围的贫Mn区是晶内铁素体非均匀形核的主要原因，并且证实了在高温下Ti2O3吸收Mn从而形成贫Mn区。贫Mn区的宽度随奥氏体化温度的降低而变窄，从而大大影响Ti2O3的形核能力。Shim等[22]后来又用实验证实了这一点，并且证明在不含Mn的钢中，Ti2O3对于晶内铁素体的形成没有效果，这进一步证明了Ti2O3周围的贫Mn区确实是铁素体形核的重要原因。Hanamaru[23]等用共焦扫描激光显微镜(ConfocalScanningLaserMicroscope)实时观察了铁素体在非金属夹杂物上的形核，并且发现奥氏体—铁素体转变的过冷度与热力学计算相符合。Enomoto[24]用计算机模拟了低碳锰钢在连续冷却过程中MnS周围的贫Mn区在通常冷速下可达约1μm。表2[25]列出了夹杂物和析出物引起的溶质贫乏区，从而导致对Ae3温度的影响。以上研究表明，夹杂物周围形成溶质贫乏区，铁素体的形核驱动力增加，促进了晶内铁素体的形核。表1在夹杂物/析出物上形成晶内铁素体的文献报道Table1Reportsontheformationofintragranularferriteoninclusions/precipitatesinthereferencesInclusionsMicro-structureSteelsProposedmechanismRefs.TiN,Ti(C,N)FerriteWeldablelowCarbonsteelCarbondepletionlayerforTi(C,N)26,27VN,VN(C,N)FerriteHot-forgingMediumcarbonsteelLowinterfacialenergy28-31MnS(+TiN)FerriteWeldablelowcarbonsteelMndepletionlayerplusepitaxy6BN(+REM)FerriteWeldablelowCarbonsteel32Fe23(B,C)6,Fe3(B,C)FerriteWeldablelowcarbonsteelCarbon