组织对含铜钢中析出行为的影响

李 闯，王学敏，尚成嘉，吴 辉，贺信莱

(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083，E-mail:lichuang1981@yahoo.com.cn)

组织对含铜钢中析出行为的影响

李 闯，王学敏，尚成嘉，吴 辉，贺信莱

(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083，E-mail:lichuang1981@yahoo.com.cn)

为研究含铜钢在连续冷却过程中的析出行为，采用不同冷却速度及中间淬火温度获得不同的金相组织.利用金相显微镜和透射电镜研究不同组织对析出的影响.实验结果表明：当冷却后组织为铁素体时，随着铁素体的产生，在铁素体内产生第二相析出颗粒，当冷却产物为贝氏体及马氏体时，并未观察到第二相析出.当相变后产物为多种组织时，仅在铁素体中发现第二相析出颗粒.第二相颗粒为富铜相，以相间沉淀方式析出.

连续冷却;中间淬火;铁素体;贝氏体;马氏体;相间沉淀

目前，世界各国对自然资源的高效利用给予了高度重视，因此新型微合金高强韧钢的发展成为广泛关注的焦点之一，为在高强度条件下仍能保证钢具有高的塑性和韧性，大幅度降低钢的碳、氮含量成为一种努力的方向，在这种情况下非碳化物形成元素铜的作用日益显得重要，而现代钢铁冶炼纯净度的稳步提高也为铜的合金化应用提供了基本的前提.铜具有很多优越性能，它加入钢中后，在铁素体中的析出可使钢得到显著强化.含铜高纯低碳钢具有高强度、高韧性、良好的焊接性等多种优良的性能.随着钢铁生产技术的变革，铜在钢中的应用得到了广泛的重视，含铜高强IF钢和耐蚀性良好的船舶用钢相继问世［1－3］，它们的共同特点是钢中铜的质量分数超过1%，并充分利用了铜的析出强化作用，使钢的强度水平有了大幅度提高.目前，对时效过程中铜析出已经进行了较为系统的研究［4－6］，但对于连续冷却过程中铜析出少有研究.作者已发现在连续冷却过程中含铜钢内有明显的相间沉淀产生［7］.但由于连续冷却过程中会得到不同的组织，目前关于组织对铜析出的影响尚无明确的研究，本章将借助Gleeble－1500对不同组织中的铜析出行为进行研究.

1 实验

实验用钢化学成分如表1所示.1#钢在10 kg真空感应炉上冶炼，真空铸锭并快冷，尔后在1000℃加热锻造成直径15 mm的圆棒，在此圆棒上取样加工成不同试样进行实验.2#和3#钢在20 kg真空感应炉冶炼，破真空铸锭并水冷，之后在1000℃加热锻造.经过两阶段轧制成12 mm厚钢板.

表1 实验钢的化学成分

1#样品预先在950℃固溶30 min，保温后水淬.φ10 mm×15 mm样品以20℃/s的速度加热到1 200℃，保温300 s，然后以10℃/s的速度冷至850℃，保温1 s，变形30%，变形速率为1/s，再以1℃/s的速度连续冷却到室温，其中分别在700、680、650℃时进行中间温度水淬取样，如图1(a)所示.

2#、3#样品铜含量接近，为了研究组织对铜析出行为的影响，在3#钢中加入了较多的合金元素，目的在于使两种钢在相同的冷却速度下得到不同的组织.两种样品预先在950℃固溶30 min，保温后水淬.加工成φ10 mm×15 mm的样品并以20℃/s的速度加热到1200℃，保温300 s，然后以10℃/s的速度冷至850℃，保温1 s，再以0.5、1和 5℃/s的速度连续冷却到室温，如图1(b)所示..

图1 热模拟工艺示意图

热模拟后样品沿热电偶焊点垂直轴向切开，一端切出厚 0.3 mm薄片，经机械磨光到0.08 mm，冲成直径为3 mm的圆片，用5%高氯酸乙醇溶液电解双喷减薄至穿孔，温度为－30℃，电压为50 V.另一半样品抛光后用3%硝酸乙醇溶液浸蚀.并在表面洛氏维氏硬度计上测定维氏硬度，选用载荷30 kg.

2 实验结果

根据图2硬度曲线可以看出，1#钢1℃/s的速度连续冷却到室温取样硬度为207HV，随着取样温度的升高，硬度逐渐升高，680℃比700℃取样硬度略低.有研究表明［7］，Fe－2.0Cu合金在以1℃/s冷速冷却时产生大量的析出颗粒，随着取样温度的降低，试样在高温区停留时间更长，更有利于铜颗粒的富集与析出.但是，硬度曲线随取样温度的降低硬度随之降低，一定受到了其他因素的影响，为了进一步研究，对1#钢不同温度中间淬火样品进行了金相观察，如图3所示.

图2 1#样品不同温度中间淬火样品硬度曲线

利用金相显微镜对不同温度取样进行观察，如图3所示.样品以1℃/s的速度连续冷却到室温的金相组织照片如图3(a)所示，主要发生了铁素体相变，转变组织为多边形铁素体及少量珠光体组织，其中原奥氏体晶界消失.当650℃进行中间淬火时，多边形铁素体数量减少，铁素体晶粒相互连接，存在40%左右奥氏体未转变，快冷时转变成板条贝氏体及少量的马氏体(图3(b)).图3(c)为680℃进行中间淬火时试样的金相照片，该温度与先共析铁素体相变温度较为接近，主要是在原奥氏体晶界上出现了沿晶铁素体，该温度下未转变奥氏体的体积分数在60%左右.晶界上形成的铁素体沿晶界生长，它们之间断续相连.700℃中间淬火的金相照片如图3(d)所示，该温度基本为相变开始温度，因此，形成的体素体更少.可见650℃以前转变的组织是扩散型相变.在仿晶界铁素体形成的过程中，由于溶质原子进一步向未转变奥氏体富集，铁素体与奥氏体之间的界面溶质元素浓度更高，铁素体转变受到抑制.

图3 1#样品中间淬火样品金相照片

根据热模拟数据(图4)可以看出，1#钢铁素体相变开始温度在700℃左右，因此，当在此温度进行取样时，由于奥氏体进行快冷，因此，得到大量的马氏体板条与贝氏体组织;而当取样温度低于铁素体相变温度时，会存在取样之前预先转变部分铁素体，未转变部分在快冷时形成马氏体与贝氏体.随着取样温度的降低铁素体的转变更加充分，因此，铁素体的体积分数随之升高(图3).

图4 1#钢1℃/s冷却热膨胀曲线

通过图3可以发现，在铁素体开始相变初期，铁素体体积较少.透射电镜观察如图5所示，在700℃进行取样时可以发现，铁素体处于形核初期并未形成连续性整块的铁素体晶粒，其中还有大量残余奥氏体，在随后的快速冷却过程中形成马氏体组织，其中并未发现析出物颗粒，而与之相邻的少量铁素体中出现了析出物颗粒.在680℃进行取样(图5(b))时可以发现，已经有少量铁素体出现，尽管体积分数仍然较低，但铁素体形貌已经较为完整，已经形成连续完整的块状组织.由图5(b)可以看到，上方马氏体部分并没有发现析出颗粒.图5(b)下方为铁素体，可以看出，此时体素体晶粒内已经出现大量的析出物，二者以晶界为边界划分明显.通过对650℃取样的样品进行透射电镜观察(图5(c))可以发现，此时铁素体内出现了大量的析出物颗粒，并且析出物分布呈条带状排列，可以肯定这些析出物是在铁素体相变过程中由于溶解度的不同而形成的相间析出.当样品以1℃/s冷却至室温后，通过透射电镜观察(图5(d))可以看到，析出物数量大，并且铁素体颗粒体积分数很高，这是因为高温区停留时间较长，铁素体得以充分的相变，随着快速的冷却，碳经过充分的扩散，在铁素体的边界处形成一些珠光体组织.

图5 1#钢中间淬火样品透射电镜照片

为了比较在相同的冷却速度下铁素体与贝氏体内含铜相的析出行为，分别对2#、3#钢进行了连续冷却试验.由图6(a)金相照片可以看到，2#钢在冷却速度1℃/s冷却时，转变产物为铁素体组织.而3#钢由于添加了大量的合金元素，奥氏体区域被扩大，铁素体区减小，贝氏体相变温度提高，因此，在较低的冷速下也能得到贝氏体组织，如图6(b)、(c)所示，其中以粒状贝氏体为主，且含有少量板条状贝氏体，但晶粒内的板条束不明显.当冷却速度增加到5℃/s时，转变产物主要以板条状贝氏体为主及一部分粒状贝氏体(图6(d))，原始奥氏体晶界清晰，不同方向的板条束将原奥氏体晶粒分割成不同区域.

图6 连续冷却金相照片

通过透射电子显微镜可以更加直观地看到连续冷却后的组织形貌(图7)，尽管2#、3#钢铜含量接近，但在连续冷却过程中铜的析出行为却并不相同.当2#钢在1℃/s冷速冷却时(图7(a))，铁素体基体中产生大量的铜析出颗粒，颗粒呈条带状排列.当 3#钢冷却速度为 0.5℃/s时(图7(b))，所产生的组织多粒状贝氏体，原奥氏体晶界较为明显，其中位错密度较低.当冷却速度为1℃/s时(图7(c))，所产生的组织仍多为粒状贝氏体，但其间位错密度已经有了较大的增加.当冷却速度为5℃/s时，板条状组织明显增多，如图7(d)所示为三叉晶界处形貌，图上方和左部均为板条状组织，而图右侧则存在一部分粒状贝氏体组织.经过观察发现，尽管连续冷却后所形成的组织略有不同，但其间并未发现明显的析出物存在.

图7 连续冷却透射照片

3 讨论

在铁素体相变过程中，由于在铁素体与奥氏体中溶解度的不同，使原子通过γ/α界面进行扩散［8］.在连续冷却过程中，随着原子在γ/α界面的富集，相间沉淀会在铁素体/奥氏体界面形核［9］.这种析出物呈条带状排列，如图3(c)所示，可以看到在马氏体中并没有析出物颗粒存在，这是因为马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相(马氏体)承袭了母相的化学成分和晶体缺陷，属于切变相变，并且马氏体长大速率一般较大，有的甚至高达105cm/s［10］，这些条件都不利于铜原子的富集和析出，因此，马氏体在连续冷却过程中并无析出现象(图8(a)).而铁素体形核速率相对较慢并且属于扩散相变，铜原子可以在铁素体与奥氏体之间迁移.由于铜在两相中存在浓度差，因此，随着相界的移动，铜在晶界处富集并且析出，形成一系列相间沉淀(图8(b)).

图8 1#钢680℃中间淬火样品透射电镜照片

通过对650℃取样的样品进行透射电镜观察(图9)可以发现，此时铁素体内出现了大量的析出物颗粒，且析出物分布呈条带状排列(图9(a)).析出物排列与铁素体晶界方向有着相同的方向，这是典型的相间析出排列方式［11］，可以肯定这些析出物是在铁素体相变过程中由于溶解度的不同而形成的相间析出.经过能谱分析发现铜含量为18.5%，可以定性为富铜相析出物.经过电子衍射标定发现析出物并非ε－Cu颗粒.可以看出，在连续冷却过程中，组织对析出物影响较为明显.当冷却速度较慢并且产生铁素体的组织类型中，随着铁素体相变的产生，铜颗粒随着相界的移动而产生，这是由于铜在铁素体和奥氏体中的溶解度不同，在溶解度较小的铁素体一方铜原子来不及及时地扩散，因此，在铜原子富集的晶界处析出，其分布状态为沿着铁素体/奥氏体晶界方向呈条带状排列.快速冷却所产生的马氏体以切变形式完成相变，因此，并无析出物产生.当冷却速度较慢，但由于添加合金元素而使得相变产物为贝氏体的组织中，由于同样的原因并未产生析出物颗粒［12］.2#、3#钢铜含量相近，但3#钢添加了较多的合金元素仍不能促使铜颗粒在贝氏体中的析出，可见组织对铜的相间析出有较大的影响.

图9 1#钢650℃中间淬火样品透射电镜照片

4 结论

1)1#样品经过1℃/s冷速冷却，在不同的温度进行中间淬火，发现在铁素体相变点之前并未出现铜析出颗粒，当取样温度低于铁素体相变点时，在铁素体内出现铜析出颗粒，并且析出物以相间沉淀方式析出.在没有发生铁素体相变的部分，快速冷却后转化为马氏体，其间并无铜析出颗粒.

2)2#样品经过1℃/s冷速冷却，铁素体组织内存在大量铜析出颗粒，呈条带状排列.而与2#钢铜含量相近的3#样品经过不同的冷却速度冷却后，由于合金元素的添加，在冷速较慢的情况下相变组织主要为贝氏体，由于贝氏体铁素体以切变方式转变，不会出现原子的重新分布，因此，并未产生铜析出现象.

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Influence of microstructure on precipitation of steel bearing copper

LI Chuang，WANG Xue-min，SHANG Cheng-jia，WU Hui，HE Xin-lai
(School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China，E-mail:lichuang1981@yahoo.com.cn)

To investigate the precipitation behavior of Cu-bearing steels during continuous cooling，different microstructure resulting from different cooling rates and temperature of interrupted cooling and quenching was obtained.The optical microscope and TEM were employed to study the influence of microstructure on the precipitation process.The results show that when the microstructure is ferrite the second-phase precipitates occurs.However there are no obvious precipitates in bainite and martensite.When the microstructure is complex，the precipitates are observed in the ferrite only.The second-phase precipitates are copper-rich particles which are formed by the way of inter-phase precipitation.

continuous cooling;interrupted cooling;ferrite;bainite;martensite;inter-phase precipitation

TG142.1 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)04－0006－05

2010－07－09.

国家科技研究发展计划资助项目(2008AA03Z501).

李 闯(1981－)，男，博士研究生.

(编辑 吕雪梅)