00Cr13Ni5Mo钢加热及冷却过程的相变原位观察及相关研究

时间：2024-07-28

刘　璐，　杨志刚，　张　弛

(1.国核(北京)科学技术研究院，北京 102209； 2.国家核电技术有限公司北京研发中心，北京 102209；

3.国家能源核级锆材研发中心，北京 102209； 4.清华大学材料学院，北京 100084)

刘璐1，2,3，杨志刚4，张弛4

(1.国核(北京)科学技术研究院，北京 102209； 2.国家核电技术有限公司北京研发中心，北京 102209；

3.国家能源核级锆材研发中心，北京 102209； 4.清华大学材料学院，北京 100084)

摘要：利用共焦激光扫描显微镜对00Cr13Ni5Mo钢在100 K/min升温速率和200 K/min降温速率下的相变过程进行了原位动态研究.利用背散射电子衍射测试系统分析了冷却后室温马氏体的晶体学特征.探讨了组织遗传的产生原因.结果表明：00Cr13Ni5Mo钢以100 K/min快速加热到1 250 ℃时，奥氏体完全恢复初始显微形貌，具有组织遗传性，且没有发生自发再结晶;该钢连续冷却过程中形成板条马氏体，马氏体相变起始温度约为273 ℃;冷却过程中马氏体的相变量随降温时马氏体成批次的增加而增加.

关键词：00Cr13Ni5Mo钢；原位观察；共焦激光扫描显微镜；相变；奥氏体；马氏体

Cr-Ni系钢种常作为核电关键材料[1-2].其中，00Cr13Ni5Mo钢因具有优良的高低温力学性能和可焊性而被广泛应用于反应堆2、3级辅助泵传动轴和控制棒驱动机构[3].在改善钢铁材料力学性能的各种手段中，热处理是最重要、最基本的方法.钢的组织和性能与奥氏体化过程中的组织演化有密切关系，由加热转变形成的奥氏体组织形态、晶粒尺寸及其均匀性等将直接影响在随后冷却过程中发生的转变及其转变产物.因此，了解材料在加热和冷却过程中的组织演化对材料热处理工艺的优化具有重要意义.

在热处理过程中，重要的组织变化常发生在高温和非平衡状态下.之前很多研究受到测试方法的限制，无法对高温相变及其冷却转变进行直接观察.共焦激光扫描显微镜(CLSM)为原位研究材料高温相变过程中的组织演化提供了新途径[4-9].共焦激光扫描显微镜是一个可以对样品由常温或冷却状态(-185 ℃)加热到1 700 ℃，并同时进行实时观察的系统，其可以原位表征样品加热和冷却过程中的相变和组织演化.另外，利用共焦激光扫描显微镜可以观察样品在不同升降温速率、不同加热温度及保温时间下的组织形貌，为实际生产中热处理工艺的优化提供直观依据，从而节约成本，提高生产效益.

笔者利用共焦激光扫描显微镜的原位观察，直观揭示00Cr13Ni5Mo钢在连续加热及冷却过程中的相变，同时对相变过程中产生的组织演化进行了相关分析，为该钢热处理工艺参数的优化提供参考和依据.

1实验方法

实验材料为00Cr13Ni5Mo钢，经过1 200 ℃保温5 h的固溶处理，主要化学成分为：w(C)=0.04%，w(Si)=0.14%，w(Mn)=0.55%，w(P)=0.01%，w(S)=0.02%，w(Cu)=0.04%,w(Ni)=5.01%，w(Cr)=12.87%，w(Mo)=1.36%，w(V)=0.03%，w(N)=0.06%，Fe余量.相变点利用STA 409 PC型综合热分析仪进行测定，奥氏体形成起始温度tAs和终了温度tAf分别为528 ℃和830 ℃.

共焦激光扫描显微镜主要由工作台、气流系统、加热炉、冷却系统、温控系统、显微成像系统和微机系统等部分组成[7-9].加热炉最大加热速率为300 K/s，也可以0.1 K为单位微速升降温，保温时控温精度为±1 K.显微成像系统采用He-Ne激光源，能够提供高分辨率的图像.利用共焦激光扫描显微镜对00Cr13Ni5Mo钢进行加热及冷却过程相变的原位动态观察.将00Cr13Ni5Mo钢机械加工成直径为7.5 mm，厚度为4 mm的圆柱形样品，研磨、抛光并清洗后，放入VL200021WSVF17SP 15FTC型共焦激光扫描显微镜的加热炉内，为防止样品氧化，实验在氩气的保护下进行.以100 K/min的升温速率将试样加热至1 250 ℃，保温5 min，而后通入氦气以200 K/min的降温速率冷却至室温.利用显微成像系统观察样品在此过程中相变产生的显微组织变化，并保存为视频文件.

利用岛津S-7000型高温X射线衍射仪(Cu靶，Kα射线，工作电压40 kV，电流30 mA)原位表征00Cr13Ni5Mo钢在不同温度下的相组成.采用电解双喷减薄技术制备薄膜样品，双喷液为5%高氯酸+95%酒精(数值代表体积分数)，电流控制在20～30 mA，温度低于-30 ℃.利用Tecnai F20型透射电子显微镜(TEM)和扫描透射(STEM)附件进行显微组织表征以及合金元素在马氏体和奥氏体中的分配.背散射电子衍射(EBSD)样品经过砂纸预磨和预抛光后，通过电解抛光消除表面应变层，电解抛光液为10%高氯酸+10%乙二醇单丁醚+80%酒精(数值代表体积分数)，0 ℃，抛光电压为15 V，抛光时间约为30 s.样品经电解抛光后，利用安装在SUPRATM55场发射扫描电子显微镜中的EBSD测试系统进行表面晶体学数据采集，步长为0.5 μm，表征冷却后室温马氏体的晶体学特征.

2结果与讨论

2.1加热过程

00Cr13Ni5Mo钢室温下具有马氏体和少量残余奥氏体，加热过程中马氏体向奥氏体转变，在100 K/min的升温速率下奥氏体形成过程中的部分视频截图见图1.由图1可以看出，随着加热温度的升高，样品中的显微组织逐渐显现出来，新形成的奥氏体呈现针状形态，其形成伴随着大量的界面和表面浮凸.尽管图像的衬度有所不同，样品连续加热到1 250 ℃，完全恢复了初始的显微形貌，图1中的白色箭头标示出了一处加热过程中完全恢复初始形貌的典型组织，说明00Cr13Ni5Mo钢在快速加热时具有强烈的组织遗传性.

为证实上述奥氏体相变的发生和完成，利用高温X射线衍射仪原位表征了00Cr13Ni5Mo钢在550 ℃、650 ℃和830 ℃的相组成，如图2所示.00Cr13Ni5Mo钢在550 ℃时仅含有很少量的奥氏体，随加热温度的升高，样品中奥氏体的含量逐渐增加，表明马氏体逐渐向奥氏体转变.在830 ℃时，样品中只含有奥氏体相，说明奥氏体化完成，温度高于830 ℃时，进入奥氏体单相区.

(a) 100 ℃

(b) 550 ℃

(d) 790 ℃

(e) 830 ℃

(f) 950 ℃

(g) 1 100 ℃

(h) 1 250 ℃

钢中的组织遗传[10-12]是指原始为非平衡组织(马氏体、贝氏体、魏氏体等)的钢在一定加热条件下形成的奥氏体晶粒继承或恢复原始晶粒的现象.笔者之前的工作[13-14]研究了组织遗传的机理.当加热温度高于奥氏体形成起始温度tAs时，针状奥氏体以残余奥氏体为核心，优先在马氏体板条边界处形成.由图1可知，针状奥氏体的形成伴随着表面浮凸，促使奥氏体和马氏体之间存在相近的点阵关系，这只能依靠两相具有相同原子配置的界面来达到.因此，推测针状奥氏体与两侧马氏体均形成共格界面.

进一步分析00Cr13Ni5Mo钢在奥氏体化过程中的合金元素分配，样品加热至625 ℃后空冷至室温的TEM显微形貌及元素线分布结果如图3所示.图3(a)为利用TEM的STEM附件形成的高角环形暗场(HAADF)像，HAADF像的衬度正比于原子序数的平方，能同时给出形貌及成分信息.图3(a)中白色较亮的为奥氏体相，而灰色较暗的对应于马氏体相.由合金元素沿图3(a)中A-A′的线分布结果可知，Ni在马氏体和奥氏体两相中强烈分配，且显著富集于马氏体与奥氏体相界面，其在奥氏体内部的含量稍低于界面处，但高于在马氏体内的含量，由图3(a)的衬度也可证明这一点.尽管钢中C和N的含量都比较低，但由线分布结果也可以看出C和N在马氏体与奥氏体相界面处略有富集；Cr和Mn在奥氏体内的含量均高于在马氏体内的含量.因此，在加热转变过程中，Ni、C和N等扩散并沿马氏体与针状奥氏体相界面局部堆积，稳定针状奥氏体.在针状奥氏体长大阶段，由于共格界面活动性较差和界面处的溶质拖曳，针状奥氏体核心沿板条方向长大，表现出针状形貌.当加热温度超过奥氏体形成终了温度tAf后，相比于析出不同位向的奥氏体，针状奥氏体彼此合并需要的能量要少很多，因此奥氏体恢复原始晶粒的大小、形状和位向，出现组织遗传性.

图200Cr13Ni5Mo钢在550 ℃、650 ℃和830 ℃下的高温X射线衍射谱

Fig.2High temperature X-ray diffraction patterns of 00Cr13Ni5Mo steel respectively at 550 ℃, 650 ℃ and 830 ℃

但是，一般情况下，当加热温度继续提高，先前形成的针状奥氏体是不稳定的，该奥氏体会发生自发再结晶，从而消除组织遗传性[13].而本研究中，00Cr13Ni5Mo钢以100 K/min快速加热到1 250 ℃，组织遗传性一直存在，针状奥氏体将板条马氏体作为模板，完全复制了初始的显微形貌.同时，尽管加热温度高达1 250 ℃(比tAf高出约420 K)且保温5 min，奥氏体没有发生自发再结晶，这很可能是由于加热速率太快，奥氏体中的高应变能还未来得及释放造成的.

(a) HAADF像(α为马氏体，γ为逆变奥氏体)

(b) C沿图(a)中A-A′的线分布

(d) Cr沿图(a)中A-A′的线分布

(e) Ni沿图(a)中A-A′的线分布

(f) Mn沿图(a)中A-A′的线分布

Fig.3TEM microstructure and element distributions along lineA-A′ in 00Cr13Ni5Mo steel heated to 625 ℃ and cooled down to room temperature in air

2.2冷却过程

在冷却过程中，马氏体相变的原位观察如图4所示，其展示了马氏体板条从无到有的相变过程.当降温至273 ℃时，可原位观察到马氏体首先在奥氏体晶界及其角隅处形成(如图4(b)中白色实线圆圈所示)，这标志着马氏体相变的开始，马氏体相变起始温度tMs约为273 ℃.随着温度的降低，马氏体相变速度非常快，并且成批次增加(如图4(c)和图4(d)中白色实线圆圈所示).先形成的马氏体板条将奥氏体晶粒分割为不同区域，新的马氏体继续在这些区域中逐次形成，平行且紧贴先形成的马氏体板条(如图4(c)和图4(e)中白色虚线圆圈所示).由图4可知，冷却过程中发生马氏体相变，新形成的马氏体板条和初始板条的取向不同.

利用背散射电子衍射分析了冷却后室温马氏体的晶体学特征.图5为EBSD测试系统获得的00Cr13Ni5Mo钢加热到900 ℃后空冷至室温的显微组织、晶体学取向图以及马氏体取向差变化.从图5(b)可以看出，在奥氏体晶粒内有各种取向的马氏体变体.一个原奥氏体晶粒被分割成若干个板条束，即具有同一惯习面的板条集合；一个板条束被进一步分割成若干个板条块，即具有同一取向的板条集合；每个板条块含有2个变体，变体间有特定的结合[15].为了考察马氏体板条束内的取向差变化.图5(c)和图5(d)统计了图5(b)中沿线段B-B′的马氏体取向差，分别对应于相邻2点和相对于起始点B的取向差变化.从图5(c)和图5(d)中可以清楚地看到板条块之间和内部的取向差.马氏体板条块之间的取向差约为60°，每个块内的取向差在10°以内.

3结论

(1) 共焦激光扫描显微镜的原位观察能够直观揭示高温相变中的组织演化.00Cr13Ni5Mo钢以100 K/min快速加热到1 250 ℃时，奥氏体完全恢复初始显微形貌，具有组织遗传性，且没有发生自发再结晶.

(a) 299 ℃

(b) 273 ℃

(d) 258 ℃

(e) 225 ℃

(f) 190 ℃

(a) 通过菊池带衬度构成的组织图

(b) 取向图，步长0.5 μm

(d) 沿图(b)中B-B′的相对起始点取向差变化(B为起始点)

(2) 00Cr13Ni5Mo钢奥氏体化过程中，C、N、Ni和Mn等向奥氏体中富集.

(3) 00Cr13Ni5Mo钢连续冷却过程中形成板条马氏体，马氏体相变起始温度约为273 ℃.冷却过程中,马氏体的相变量随降温时马氏体成批次的增加而增加.室温下马氏体有多种取向，板条块之间的取向差约为60°，每个块内的取向差在10°以内.

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In Situ Observation and Related Research on Phase Transformation During Heating and Cooling Process of 00Cr13Ni5Mo Steel

LIULu1,2,3,YANGZhigang4,ZHANGChi4

(1. State Nuclear Power Research Institute, Beijing 102209, China; 2. State Nuclear Power Technology Corporation Research & Development Centre, Beijing 102209, China; 3. National Energy Research & Development Centre of Nuclear Grade Zirconium Materials, Beijing 102209, China;4. School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：The phase transformation behaviors of 00Cr13Ni5Mo steel were studied in situ respectively at a heating rate of 100 K/min and a cooling rate of 200 K/min by using a confocal laser scanning microscope, while the crystallographic features of martensite were analyzed at room temperature after the cooling process by electron backscatter diffraction (EBSD). The mechnism of austenite memory was discussed. Results indicate that, acicular austenite would lead preferably to the recovery of the initial microstructure and exhibit austenite memory when heated to 1 250 ℃ at the heating rate of 100 K/min, where austenitic spontaneous recrystallization would not be observed. Lath martensite would be formed in the continuous cooling process as the temperature reach about 273 ℃. The increase of the amount of transformation-induced martensite in the cooling process mainly depends on the rise of batches of martensite.

Key words：00Cr13Ni5Mo steel; in situ observation; confocal laser scanning microscope; phase transformation; austenite; martensite

收稿日期：2015-06-17

基金项目：国家核电技术公司员工自主创新资金资助项目(SNP-KJ-CX-2013-5)

作者简介：刘璐(1984-)，女，河北沧州人，高级工程师，博士，研究方向为核电用金属材料及其表面改性.电话(Tel．)：15652935848；

文章编号：1674-7607(2016)04-0331-06中图分类号：TG156.1

文献标志码：A学科分类号：430.10

E-mail：liulu840926@126.com．