低碳及超低碳微铸铁组织研究的现状

低碳及超低碳微铸铁组织研究的现状

0试验研究的基础20世纪70年代，冶金工业开始采用传统的加热和正火控制生产技术，并开始向c-mn系列低碳钢中添加微氮和v。经处理后，可从300.350mm一般热态中提高到450.500mm（相当于apix70）。随后控轧技术不断进步,最突出的是在精轧终止后,对钢板施以加速冷却。该技术的成功应用使C-Mn系的Nb、V、Ti微合金钢在更低的含碳量(<0.08%)下达到更高的强度级别X80,同时具有优异的韧性和焊接性。近10年来,国外又开发了X100(≈700MPa),已开始投入使用,钢的基本成分与X80相近,只是Mn量稍有提高(1.8～2.0%),并辅以少量Mo、Ni、Cu(≈0.2%)等合金元素。低碳微合金控轧钢因其合金元素含量低,性能收益高,又无需热处理,有很好的经济性,并符合环境保护的要求,因此有广阔的应用前景。高强度管线钢的合金设计及加速冷却使钢的组织偏离传统的F+P,取而代之的是细小的铁素体和贝氏体。低碳和超低碳钢的贝氏体体类型及形态完全不同于含碳大于0.15%的常用钢种,传统的贝氏体概念已不再适用,于是对低碳钢的贝氏体组织给予了关注。1992年ISIJ出版了贝氏体组织图谱,1994年在东京曾召开了“现代低碳高强度钢显微组织新特点”的专题讨论会,这方面的研究文章也时有发表。但有关低碳贝氏体的分类及各种术语仍未能统一,本文综述这方面的研究现状。1低碳贝氏体组织有关贝氏体组织的分类方法很多,这里只介绍与低碳钢(<0.15%)有关的内容。1.1低碳钢贝氏体早期对贝氏体的认识局限于贝氏体是铁素体(F)和Fe3C的两相混合物,然而在低碳钢的贝氏体中,并不一定存在Fe3C,大森等首先提出了包含奥氏体的贝氏体分类法。他们还发现低碳钢的贝氏体总是板条状的,因此认为低碳钢的贝氏体都是上贝氏体,在上贝氏体的较高范围内,Fe3C的析出得到抑制,板条间残留了奥氏体,随转变温度的下降,Fe3C才能在板条间和板条内析出,根据第二相的性质和析出位置,把上贝氏体分成BⅠ、BⅡ、BⅢ。这个分类方法在焊接用钢及低合金高强度钢中经常采用。1.2低碳贝氏体组织ISIJ(日本钢铁学会)贝氏体研究小组研究了含碳量很低的钢在不同冷却速度下的显微组织,发现它们的组织形态虽与贝氏体有些相似,但又不完全满足贝氏体的定义,现有的贝氏体术语不能反映他们的特征,提出了另一套组织术语来描述低碳贝氏体组织。其特点是:①各种不同形态的显微组织均命名为F,尽管有些F本质上已属贝氏体,但不用贝氏体术语,这点容易引起混淆,其理由可能是奥氏体只转变为F,没有其它产物相,残留的奥氏体在更低温度下才发生转变;②连续冷却时,低碳奥氏体不可能转变为上、下贝氏体,在很快的冷却速度下直接过渡到马氏体;③组织中除F外,还有少量二次相,它们都是残留的富碳奥氏体在冷却时的转变产物。G.Krauss等在高强度低合金钢的显微组织研究中,观点与ISIJ接近,采用的术语也基本一致。2不同的f特性2.1晶粒形态分析针状F是低碳钢(C<0.15%)典型的贝氏体组织,由带有高位错密度的板条铁素体晶体组成,若干F板条平行排列构成板条束,一个奥氏体晶粒可形成很多板条束,板条界为小角度晶界,板条束界面则为大角度晶界,板条间可能有条状分布的MA岛。图1为针状F的TEM组织。针状F形态与低碳钢中的无碳贝氏体相似,只是由于形成温度稍高,板条特征不如无碳贝氏体发达,有些板条界在形成后还会发生回复,以至常能观察到板条界不连续的现象。针状F组织在大森贝氏体分类法中属B1贝氏体。2.2罪犯金属酶b在焊接接头中也经常用到针状F的术语,其转变温度及机理与上述基本相同,但特征及含义与板材中的不同,焊缝内的针状F不呈平行的板条束,而是各个片独立生长,又互相交织,晶体学取向关系不严格。图2为焊接接头中针状F的特征,其形态与高碳针状马氏体有些相似。这类组织成因与点状夹杂物有关,夹杂物界面为针状F提供了有利的成核位置,由于是点状,在某个方向上只能长出一个核心,构成独立生长的特征。图3为晶内成核与晶界成核针状F的示意图。不少学者认为在焊接接头出现的上述组织,是针状F,而母材中出现的板条组织应称为贝氏体F,而不是针状F,这个说法现在相当普遍,也是有道理的,因为从晶内夹杂物成核的F更具有针状的特征。然而,母材的针状F钢及针状F组织的术语命名由来已久,使用该术语已成为习惯,后人只能在阅读文献时注意它们的意义。2.3粒度和组织的不同GF或GBF和针状F(AF)有很多相似之处,都属于奥氏体中温转变产物,只是粒状贝氏体的形成温度稍高,或冷却速度稍慢,因而组织形态稍有不同,所以把它们列为独立的一类组织。与针状F相同的是,都有弥散的奥氏体或MA岛分布于F基体中,不同的是,小岛具有粒状或等轴形状。TEM证实F基体由含有高位错密度的细小亚晶组成。亚晶一般为等轴状,在亚晶相遇处形成了封闭的岛状组成物。对粒状F和粒状贝氏体组织存在着很多争议,研究贝氏体相变的不少学者认为,粒状F和粒状贝氏体虽然形貌有相似之处,但转变机理和本质是不同的。前者是通过块状转变析出的先共析F,岛状物呈不规则分布,而后者则为中温转变形成的贝氏体,基体亚结构为板条,岛状物呈长条状,近于平行排列。我国学者的专著中对此已作了详细的阐述。然而,ISIJ和研究HSLA钢的不少学者仍把这两种组织归作一类,也有文献提出粒状F是粒状贝氏体和准多边F之间的过渡产物。2.4由状转干的钢在冷却过程中的组织特征多边F是在很慢的冷却速度下形成的先共析F,具有规则的晶粒外形,故称其为多边F或等轴F。如果转变量很少,转变又常常从晶界开始,此时F的分布勾划出了母相奥氏体晶界的轮廓,故常称它们为仿晶界型F(AllotriomorphFerrite)。准多边F或块状F也是先共析F的相变产物,但通过另一类相变方式——块状转变而得到。块状转变的特点是新相与母相成分相同,因此只要把合金过冷至新相和母相自由能相同的温度下,就能发生这类转变。含碳很低的碳钢在快速冷却时有可能满足这个条件,以块状转变方式实现先共析转变。多边和准多边F都是先共析析出相,它们的生长都由热激活过程所控制,但两者的转变温度不同,导致不同的机制和微观结构。多边F属平衡相,其成分与母相奥氏体不同,所以多边F生长受控于置换原子的快速迁移及C原子的长程扩散。此外,多边F和母相常有确定的位向关系,其一部分界面与母相保持共格或半共格。通常其生长速度较慢,最终的晶粒呈规则的多边形。而准多边F是在较低的温度下藉块状转变而形成,由于新相与母相成分相同,故不需要长程扩散,只要母相原子越过界面即可生长,且母相与新相的界面在所有方向都是非共格的大角度晶界,所以转变速度很快,最终的晶粒尺寸较大,形状不同于多边F,呈高度的不规则,边界粗糙,凹凸不平,犹如一块无特征的碎片,F基体上偶尔也可见MA小岛,图4为准多边F的组织特征。准多边F内部有高的位错密度,通常比平衡相高一个数量级。2.5cu与微胶囊的生长机制及机理探讨具有较粗的板条外形,常常成核于奥氏体晶界或仿晶界型铁素体上,内部的位错结构己基本回复,故位错密度较低。魏氏组织的形态虽早已发现,但对其形成温度范围及机理的认识尚未统一。大森等人根据魏氏组织转变后形成的表面浮凸提出形核是扩散机制而生长却通过切变机制;Aaronson等却认为表面浮凸是由扩散控制的台阶机制引起的。Krauss等根据含Cu的低合金高强度钢中魏氏组织生长时伴随着Cu微粒在界面上析出的现象说明转变过程不仅有C原子的扩散,也有置换原子的迁移,表明其形成机理无异于多边F,只是形成温度稍低。在细晶粒的控轧微合金钢母材中,较少观察到魏氏组织F。3“抗冲突因子”的韧性虽然低碳钢贝氏体的各类组织都有各自的特征,然而在实际分析管线钢组织时,仍有不少困难。一方面是控轧和快速冷却得到的铁素体晶粒十分细小;另外,各类组织并无严格的分界,在连续冷却条件下,各类F共存时,组织的的判定远不如(F+P)那么容易。此外目前对针状F组织含义的认识不统一,也给交流讨论带来困难,90年代早期,日本学者提出针状F是指光镜下观察到的各种不规则形状F的混合组织,标以“Zw”。近年来加拿大学者认为针状F和板条F是不同的组织,前者形成的冷却速度稍慢于板条贝氏体铁素体。尽管两者内部都不存在Fe3C,在TEM中均带有平直的界面,但板条F的板条更长,有更高的位错密度,而所谓的“针状F”的板条更宽,形态上有点像多边F,但相邻界面的位向差为小角度,位错密度稍低。此外,他们认为获得全针状F组织有很好的强韧性,而贝氏体F对韧性则有不利的影响。对上述观点值得商榷的是:第一,针状F和贝氏体F属于两种组织,还是同一类组织,只是由于转变温度的差别,或形变的影响造成形态上的不同,有待讨论,文献在超低碳合金钢连续冷却转变行为的研究中也发现,当转变在稍高于板条铁素体的形成温度发生时,F基体上的板条形态很不明显,但又隐约可见,称其为退化板条F。文献认为在未再结晶区的大变形可以改变板条F的形貌,使板条变短,甚至呈弯曲状,相邻板条的平行度变差,我们在研究中也发现类似的情况。第二,“针状F”的韧性是否一定比贝氏体F的好,这一结论尚缺乏可靠的实验依据。实际上有效晶粒尺寸、位错密度、硬质相及微细析出物的数量、大小、形态、分布等都会影响韧性,只有综合考虑组织的各种细节后,才能判断其韧性的优劣,不能简单定论某种组织类型的韧性最好。鉴于实际控轧钢的组织分析的各种困难,现在不少研究论文把组织简化为铁素体和贝氏体,而不是一一区分各种F。我们支持这种分类法,这对于一般的工程研究和检验是合理而可行的。对于低碳和超低碳钢,在经受大变形量轧制条件下,即使在快速冷却时,形成先共板F也难以避免。其它的组织如粒状贝氏体和针状F等都可归为贝氏体,因为这些组织同属于中温转变产物,都没有Fe3C,F基体上均有MA组成物,都有较高的位错密度,差异的只是MA的形态、尺寸以及位错密度的高低。至于准多边F,虽然是