含Zr低碳鋼中針狀鐵素體等溫轉變行為

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. 本鋼技術研究院，遼寧 本溪 117000；2. 東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，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，尺寸細小并以大角晶界相互交錯，提高了材料的力學性能，特別是沖擊韌性[1-2]。這種組織最早發現和應用于低合金鋼焊縫中，因為焊縫金屬中豐富的夾雜物為針狀鐵素體轉變提供了有利條件。后來人們利用針狀鐵素體組織來提高鋼材焊接熱影響區(HAZ)韌性，并成為大線能焊接鋼開發的重要手段[3]。并且基于通過對非金屬夾雜物的控制實現針狀鐵素體組織調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，已經把氧化物冶金技術應用于鑄件、連鑄薄帶、厚板、型鋼的開發中，并取得了顯著進展[7-11]。與其相關的基礎研究也不斷擴展和深入，包括針狀鐵素體的轉變熱力學和動力學、形態學、晶體學，以及夾雜物的控制和形核機理等[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合夾雜物。

鋯(Zr)一直以來主要用于硫化物夾雜的變質處理。隨冶煉技術的發展硫化物得到精確控制，Zr變質作用的重要性降低。但，Zr氧化物促進針狀鐵素體形核的能力引起人們的關注，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變行為研究較少，本文通過相變儀實驗和組織觀察，研究了Zr處理低碳鋼不同等溫條件下針狀鐵素體組織轉變特點，提供Zr處理鋼相變動力學實驗基礎。

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實驗方法

本實驗用鋼在實驗室真空感應爐中熔煉并真空澆鑄成40 kg圓柱形鋼錠。測得實驗鋼的化學成分(質量分數)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℃在熱軋機上進行開坯，坯料再加熱至1200℃進行熱軋，軋制溫度范圍為900~1100℃，終軋厚度為12 mm。

以軋態鋼板為原料加工等溫熱處理實驗試樣，等溫處理實驗在Formastor-FⅡ型全自動相變儀上進行，試樣標準尺寸為長10 mm、直徑3 mm的圓柱，在試樣一端加工凹槽焊接熱電偶。實驗工藝參數如圖1所示，試樣在真空環境下加熱至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，經機械研磨拋光，用4%硝酸酒精侵蝕顯示微觀組織，用光學顯微(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 實驗鋼等溫處理工藝示意圖

結果與討論

不同溫度下的組織轉變

圖2 不同溫度下恒溫180 s的組織轉變金相照片

試樣中夾雜物尺寸絕大部分在0.5~3 μm范圍內，由于熱軋加工除個別MnS為主的夾雜物產生變形外，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。夾雜物表面某點的成分為MnS、ZrO2或MnS與Zr、Al、Ti的氧化物的復合物，但其整體成分構成應更復雜。Zr的氧化物能夠促進針狀鐵素體的形成已經被許多文獻實驗所證實，Zr氧化物夾雜的形核機理多認為與MnS的復合析出有關[17-20]。文獻[16]指出Ti和Zr的復合氧化物促進針狀鐵素體形核，而單純的ZrO2則不能形核。Zr與O的親和力強，ZrO2熔點高密度也較大，能夠大量細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，提高奧氏體向鐵素體的轉變溫度，因此能促進針狀鐵素體形核。雖然到目前為止夾雜物對針狀鐵素體的形核機理仍未完全確定，但本實驗中采用Zr處理對針狀鐵素體轉變起到了明顯的促進作用。

根據圖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]利用高溫顯微鏡進行原位觀察針狀鐵素體高溫轉變的結果一致。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變非常迅速，可以推斷其轉變機制和貝氏體相似，屬于切變型轉變。

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夾雜物對針狀鐵素體的影響

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，占據整個奧氏體晶粒，使得奧氏體晶界不明顯。轉變初期，沿著奧氏體晶界處形成大量的先共析鐵素體，在晶粒內部觀察到少量的晶內多邊形鐵素體形核，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域，從而起到了細化奧氏體晶粒的作用。

圖3 實驗鋼中促進晶內鐵素體形核的夾雜物能譜：(a) 600℃；(b ~ d) 500℃

結束語

(1) 本實驗中針狀鐵素體的轉變開始溫度為600~650℃。針狀鐵素體轉變非常迅速，其轉變機制和貝氏體相似，屬于切變型轉變。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。

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(2) Zr處理低碳鋼中夾雜物多為球形，尺寸細小分布彌散，明顯促進了針狀鐵素體轉變，Zr氧化物上針狀鐵素體形核與MnS或其他氧化物的復合析出有關。

攝影 左文燕