Nb微合金鋼中析出相演變過程研究

陳 劍 李余飛 趙永橋 劉 昭 熊輝輝 張恒華

（省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072）

Nb微合金鋼中析出相演變過程研究

陳 劍 李余飛 趙永橋 劉 昭 熊輝輝 張恒華

（省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072）

為了探索保溫時間對析出過程碳化物團簇組織演變的影響，利用電阻加熱法將試樣加熱至1 200℃，固溶10 min后淬火，然后在700℃保溫不同時間，并利用3DAP、XRD和電阻率等手段對其進行研究。試驗結果表明，隨著保溫時間的延長，組織中鐵素體含量逐漸增加，而電阻率、點陣常數a，c和c／a軸比均出現了明顯的減小；保溫30 min左右時，電阻率值最低，且試樣中C、Nb原子較淬火態出現了明顯的偏聚團簇現象，c／a軸比趨于1，說明此時NbC碳化物析出比較充分。

保溫時間 Nb微合金鋼 析出相 演變

固溶淬火態Nb微合金鋼在回火保溫的過程中，隨著保溫時間的延長，碳化物會不斷地析出，彌散分布于基體表面，阻礙位錯運動，對強化性能起到非常重要的作用［1-4］。

然而，對于碳化物的團簇形成機制及演變過程研究較少，借助于三維原子探針技術（3DAP）的發展，國內外也進行相關的研究。Wilde等［5］用3DAP研究了3種含碳不同的低碳鋼樣品中的Cottrell氣團，將樣品加熱到1 000～1 100℃淬火，在室溫時效以獲得碳原子在位錯及界面上的偏聚。劉文慶等［6］利用3DAP研究了固溶淬火態不同的回火時間和回火溫度下碳化物偏聚團簇的變化情況，探索其析出長大規律。此外，借助XRD測試可知隨著碳化物從基體中不斷的析出，點陣常數a、c會發生不斷的變化，保溫析出的過程中，試樣的電阻率同樣會隨著碳化物的析出發生一定的變化［7-9］。Park JS等研究了Nb等微合金元素的固溶析出過程對電阻率的變化影響。

本文結合XRD衍射光譜測試以及直流四電極測電阻法，運用三維原子探針（3DAP）研究電阻加熱固溶淬火態試樣在700℃保溫不同時間對試樣組織形貌、碳化物分布、點陣常數、電阻率和硬度的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗方案

本試驗材料為某鋼廠提供的鑄態微合金鋼F40，其化學成分如表1所示。

為了考查保溫時間對Nb微合金鋼F40析出相演變的影響，試驗先將鋼樣用電阻加熱法加熱至1 200℃，固溶10 min后立即淬火，然后在700℃回火，保溫一定時間（0、5、15、30、60 min）后水冷，并對所得試樣進行測試分析。

表1 F40試驗用鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of tested steel F40（mass fraction） %

1.2 測試方法

（1）顯微組織測試分析：割取2 mm×2 mm×3 mm金相試樣鑲嵌后，打磨拋光，用4%硝酸酒精腐蝕后，使用光學顯微鏡（尼康LV150）觀察其顯微組織。

（2）三維原子探針（3DAP）分析：取淬火態及保溫30 min試樣，切割成尺寸0.5 mm×0.5 mm×15 mm，采用兩步電解拋光方法得到試驗所需要的針尖狀試樣，并對其進行分析。

（3）XRD分析：采用XRD分析儀對不同保溫時間的試樣進行物相分析，采用日本理學公司D＼max-2200 X射線衍射儀進行XRD測試，最大額定輸出為18 kW，測試尺寸為10 mm×10mm×3mm。

（4）電阻率測試：取5種不同保溫時間的試樣進行電阻率測試，切割試樣尺寸為3 mm×3 mm×50 mm，通過測試電阻換算成電阻率，其換算公式為：ρ＝RS／L（ρ為電阻率，S為橫截面積，R為電阻，L為導線的長度）。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織分析

圖1為固溶淬火試樣在700℃保溫不同時間后的顯微組織。圖1（a）為淬火態試樣組織，具有典型板條束組成的馬氏體組織形貌。圖1（b）、1（c）、1（d）和（e）分別表示保溫5、15、30、60 min試樣的顯微組織，可以看出，隨著保溫時間的延長，鐵素體的體積分數逐漸增加，組織形貌均具有類似的鐵素體和回火馬氏體的雙相形貌。保溫過程中，組織中位錯線消失，形成了鐵素體；部分馬氏體中位錯重排成二維網絡，形成分割狀亞晶界，保持板條形狀。

2.2 三維原子探針（3DAP）分析

圖2為三維原子探針（3DAP）分析得到的C和Nb元素在三維空間的分布圖。其中淬火態試樣的測試空間范圍為59 nm×58 nm×183 nm，700℃保溫30 min態的測試空間范圍為20 nm×20 nm×280 nm。可知，在淬火態試樣中，Nb原子難以擴散遷移，因此分布比較均勻，只有C原子出現比較輕微的偏聚甚至沒有偏聚，這是由于C原子半徑較小，低溫下也可以短距離擴散形成偏聚。且用MSEM也沒有檢測到任何析出顆粒，說明淬火態試樣中并不存在任何碳化物析出相。

然而在700℃保溫30 min態試樣中，可以發現比較明顯的C、Nb偏聚區。這是由于保溫30 min，C、Nb原子擴散充分，形成了大量的NbC顆粒析出相。

用MSEM表征這些碳化物時，在20 nm×20 nm×280 nm區域內共檢測到43個NbC聚集的粒子，數量密度大致為4×1023個／m3，與文獻［11］描述的基本一致，說明700℃保溫30 min后NbC碳化物可以充分析出。

2.3 XRD衍射光譜分析

圖1 試樣在700℃保溫不同時間的顯微組織Fig.1 Microstructures of the samples after holding at700℃for different times

圖2 700℃不同保溫時間各原子析出過程的團簇分布Fig.2 Clusters distribution in the precipitation process for each atom under differentholding times

圖3 試樣在1 200℃下的固溶淬火態馬氏體衍射峰圖Fig.3 Diffraction peaks map of sample with solid solution quenched martensite at1 200℃

圖3為試樣在1 200℃固溶淬火態馬氏體晶面位置。由圖可知，（110）、（200）、（211）和（220）晶面均為馬氏體晶面，對應的衍射角2θ分別為45.114°、65.259°、82.578°和99.007°。由于衍射峰變化較小，為了獲得更加準確的結果，選取（220）晶面進行小角度范圍的XRD掃描分析（掃描范圍97°～102°，掃描速度0.5（°）／min）。圖4為（220）晶面衍射峰的變化曲線。可以看出，隨著保溫時間的延長，衍射峰會向右即大角度方向偏移一定的角度，當保溫30 min后，其偏移角度趨于緩和。主要原因在于，700℃保溫前期，C、Nb等元素以碳化物的形式從馬氏體基體中不斷析出，使得晶格畸變減小，衍射角的角度向大角度方向發生一定的偏移。當保溫時間大于30min時，基體中的C、Nb等元素已經得到了比較充分的析出，變化趨于平緩。然而由于低碳鋼中碳含量偏低，在XRD圖譜上并不能出現明顯的雙峰結構。試驗結合雙峰分離模型［7-9］，通過分峰迭代計算出低碳鋼淬火態的馬氏體結構的a、c值及c／a比值如表3所示，對應曲線如圖5所示。結合表3和圖5可以看出，隨著保溫時間的延長，點陣常數a、c的值均呈現下降的趨勢，然而點陣常數a的變化幅度較小，當保溫時間逐漸延長時，點陣常數c值逐漸趨于a值，C、Nb原子對點陣常數的影響消失。主要原因在于隨著保溫時間的增加，碳化物析出使得基體中的C、Nb固溶度降低，使得畸變降低，從a／c比值可以看出，當保溫時間超過30 min后，a／c逐漸趨向1。因此可以通過觀察a、c值的變化來大致分析保溫時間對碳化物析出過程演變的影響。

圖4 （220）晶面衍射峰變化曲線Fig.4 （220）crystal plane diffraction peak curve

表3 不同保溫時間條件下晶格常數值Table 3 Lattice constant value under different heat preservation time

圖5 點陣常數a、c和c／a比隨保溫時間的變化圖Fig.5 Influence of heat preservation time on lattice constant a，c and c／a ratio

2.4 電阻率及硬度分析

圖6為保溫時間對電阻率和硬度的影響。試樣電阻率隨著保溫時間的延長而下降，但在30 min處出現上升趨勢。這是由于在保溫前期，Nb、C原子以NbC形式不斷團聚與析出，使得基體中溶質原子含量顯著下降；引起電阻率明顯降低；另一方面，NbC相會導致電阻率的小幅上升，兩方面的共同作用使得電阻率下降。但在30 min左右時析出基本完成，電阻率達到最低，隨著碳化物的長大，碳化物與基體的關系從完全共格變成半共格直至最后的完全非共格，產生了很大畸變，又使得電阻率上升。

圖6 保溫時間對電阻率和硬度變化的影響Fig.6 Influence of heat preservation time on the resistivity and hardness

由圖6（b）可知，固溶淬火態試樣硬度值較高。因為淬火得到了板條馬氏體組織，在保溫過程中，板條馬氏體分解為鐵素體和珠光體，因而硬度值下降。隨著保溫時間的延長，硬度值先上升后下降。這是由于在保溫初期，碳化物起到了析出強化作用而使硬度呈現上升的趨勢，保溫30 min左右時其硬度值達到最大值。但在保溫后期，碳化物長大粗化導致硬度值降低。

3 結論

對于一種Nb微合金鋼F40，試樣加熱至1 200℃，固溶10 min后淬火，然后在700℃保溫不同時間的試驗得到：

（1）淬火態試樣中C、Nb分布均勻，未出現明顯的C、Nb團簇，但在700℃保溫30 min試樣中C、Nb原子形成了明顯的細小團簇，數量較多。

（2）隨著保溫時間的延長，點陣常數a和c均出現明顯的降低，軸向比c／a也同時減小，且700℃保溫30 min時，c／a比值趨于1，電阻率減至最低，說明保溫30 min時析出相對充分。

（3）試樣在1 200℃固溶10 min后淬火得到的組織形貌為板條馬氏體，隨著保溫時間的延長，馬氏體逐漸分解成鐵素體和珠光體，鐵素體含量逐漸增加。保溫30 min時，由于碳化物析出強化導致二次硬化，硬度值上升。

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收修改稿日期：2015-09-08

Research on the Evolution Process of Precipitated Phase in Nb-m icroalloyed Steel

Chen Jian Li Yufei Zhao Yongqiao Liu Zhao Xiong Huihui Zhang Henghua
（State Key Laboratory of Advanced Special Steel＆Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy＆School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China）

In order to explore the influence of heat preservation time on the evolution of clusters during carbide precipitation process，the sample was heated to 1 200℃by means of resistance heatingmethod，dissolved for 10 min，and then quenched.Finally，its temperature was controlled at about 700℃for different times，and it was investigated by 3DAP，XRD，resistivity method and so on.The experiment results showed that the content of ferrite increased gradually with the extension of heat preservation time，however，the lattice constants，including a，c and c／a ratio，were reduced significantly.The resistivity value became the lowest after 30 min soaking，and there was an obvious cluster segregation for the C，Nb atoms in the sample compared to as-quenched one.At the same time，c／a ratio tended to 1，which illustrated that the NbCwas fully precipitated at this time.

heat preservation time，Nb-microalloyed steel，precipitated phase，evolution

陳劍，男，主要從事微合金鋼控軋控冷及析出相研究，Email：chdccj＠shu.edu.cn

張恒華，教授，博導，己發表論文150多篇，Email：hhzhang＠shu.edu.cn