高強低合金鋼中針狀鐵素體轉變研究進展

竇佩霞

（南鋼鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

在高強低合金鋼焊縫中發現的針狀鐵素體可以顯著改善焊縫和熱影響區的強度和低溫韌性[1]。大量的研究[2-4]集中在夾雜物誘導晶內鐵素體形成機制上，其中Ti2O3夾雜促進針狀鐵素體的形核和長大成為公認的結論。

針狀鐵素體組織良好的強塑性匹配、優良的力學性能也促使冶金工作者投入大量人力物力開展研究。在高強低合金鋼基體中形成針狀鐵素體的研究方興未艾。

1 針狀鐵素體形核機理

針狀鐵素體是一種圍繞金屬晶體內非金屬夾雜物中溫形成的類鐵素體組織，其組織內無碳化物存在，鐵素體板條呈非等軸狀分布，通常板條之間存在有薄層馬氏體/奧氏體（MA）組成物。其形成溫區通常在680～420℃。

關于夾雜物誘導形成針狀鐵素體的機理主要有以下四種。

（1）貧Mn機理。其機理主要是由于夾雜物析出在周圍合金溶質較差的區域，使相變點增大，有利于鐵氧體相變。典型的奧氏體穩定元素Mn、C等在鈦氧化物周圍被耗盡，增加了相變驅動力，促進了針狀鐵氧體鐵芯的形成。

通過控制鋼的化學成分使其只含有特定的夾雜物，研究了Ti2O3對無錳鋼鐵素體鐵芯的影響。當相同的奧氏體穩定元素Ni取代Mn時，未發現針狀鐵素體的形成。用電子探針觀察了Ti2O3附近微區錳含量的變化。

Si/Mn脫氧鋼中的錳硅酸鹽夾雜物(MnO-SiO2)在從1600℃冷卻過程中形成時，該夾雜物中的錳和硫含量遠低于其在鋼基體中的平衡值，即鋼基體與錳和硫對該夾雜物過飽和。鋼的熱歷史對夾雜周圍形成貧錳區和夾雜上錳相的析出有很大影響。

圖1 錳硅酸鹽夾雜物周圍的MnS夾雜

（2）最小錯配度機理。該機理認為夾雜物和新相針狀鐵素體之間的晶格結構存在良好的共格關系，大大降低針狀鐵素體形核所需的界面能，促進針狀鐵素體在夾雜物上形核、長大。

每種夾雜物與鐵素體的錯配度總在某個方向上較小。作為誘導針狀鐵素體形核最活躍的夾雜物之一的MnS與晶內鐵素體錯配度最小的方向是在{111}‖{111}晶面族。

（3）應力應變能機理。實驗和理論工作都證實，在含錳夾雜物周圍100nm范圍內，奧氏體中錳的含量可以顯著降低。一般在奧氏體錳含量較低1% wt時，可使天平的相變溫度(Ae3)提高20℃。結果表明，鐵素體可以在冷卻過程的早期形成。

根據彈塑性力學的理論,當夾雜物粒徑0.5 ～ 2.0微米，奧氏體冷卻從850℃到 450℃ , 錫，無磁性鋼，TiO，AlN，氧化鋁，MnS夾雜物附近的應力--應變能量為15.21～16.69，晶內元素核形成分別為1.02、23.63、9.97、0.97、3.85、0.64j/mol，晶內鐵元素核形狀所需的能量為 106 ～ 107 j /mol。

本文作者經對他們采用的計算模型進行檢查，發現在其計算的1-10μm范圍內，均采用古典彈塑性力學理論進行了計算，未考慮該范圍內存在的位錯、空位等缺陷的影響。

2 夾雜物尺寸和數量的影響

（1）夾雜物的尺寸。大量研究表明，夾雜物種類不同，誘導產生針狀鐵素體所需要的尺寸均不同。

Mg脫氧鋼中夾雜物對焊接熱影響區晶內針狀鐵素體（Intragranular Acicular Ferrite，IAF）形成的影響。研究結果表明，鋼中尺寸在2μm左右的Mg-(Al)-Ti-O+MnS氧硫化物復合夾雜能夠有效地促進IAF形成。在低碳鋼中誘導針狀鐵素體形核的氧化物(CaO、CeO2)尺寸在0.1～0.6μm時最好。

（2）夾雜物的數量。針狀鐵素體只有在一定數量的夾雜物存在且夾雜物尺寸合理且分布均勻時，才能在鋼中形成。小包裹體可以抑制奧氏體晶粒的生長，而大包裹體可以促進非針狀鐵素體的轉變。夾雜物數量的增加增加了夾雜物在晶體中的表面積，有利于針狀鐵素體的形成。因此，夾雜物過少不利于針狀鐵素體的轉變，夾雜物過多會增加晶界長度和面積，從而減少針狀鐵素體的形成。

3 軋制工藝的影響

前述夾雜物誘導針狀鐵素體形成，均是在焊縫及熱影響區得到的一些規律。在鋼板軋制冷卻過程中，熱變形歷程和冷卻過程是有很大變化的，對于針狀鐵素體鋼來說，僅僅考慮夾雜物因素是不夠的。盡管高強度低合金鋼中的針狀鐵素體在晶粒內形核，其轉變機制為貝氏體，但是高強度低合金鋼中針狀鐵素體的晶內形核點是位錯亞結構，而不是非金屬夾雜物。

（1）原始奧氏體尺寸的影響。通過固溶熱處理和不同壓縮量的方法制備了相同成分具有不同原始奧氏體晶粒尺寸（從22.3到62.8μm）的系列低碳微合金鋼樣品。在非再結晶區相同溫度下壓縮50%，以相同的冷卻速度5℃/s進行組織轉變。試驗結果表明原始奧氏體晶粒的大小對于針狀鐵素體的含量和等效晶粒尺寸有明顯影響，見表1和圖1。

表1 各組成相比列

*PF/QF：先共析鐵素體/多邊形鐵素體；AF：針狀鐵素體；BF：貝茵鐵素體

圖2 不同原始奧氏體的相變組織晶粒尺寸分布圖

針狀鐵素體的形核位置取決于位錯亞結構的密度，而貝茵鐵素體的形核位置取決于變形奧氏體晶界面積百分比，二者競爭，在相同壓縮比條件下，原始奧氏體晶粒尺寸在37.0μm左右獲得的最終針狀鐵素體量最多，最終組織等效晶粒尺寸分布也是最佳的。

（2）變形和冷卻速度的影響。高強低合金鋼通過非再結晶區不同變形量和不同冷速的控制，得到幾個有趣的轉變規律：

在較高的冷卻速度下，變形奧氏體傾向于形成針狀鐵素體，在較低的冷卻速度下，變形奧氏體傾向于形成具有平行板條結構的貝茵鐵素體。針狀鐵素體轉變（由變形奧氏體轉變而來）也表現出不完全反應的現象，即在殘余奧氏體達到平衡碳濃度之前，反應已經停止。

在非再結晶溫度范圍內，通過大變形細化貝氏體鐵素體的原因可能是：①受扁平化奧氏體晶界生長的限制；②變形帶上的晶內形核。貝茵鐵素體板條在達到這些界面或相互撞擊時停止生長。

4 結語

當前針對Ti氧化物誘導針狀鐵素體形成的工作較成熟，但依然有技術問題需要解決，如最佳數量和尺寸組合。對復雜的Mg-Al-Ti-O+MnS 氧硫化物復合夾雜更值得深入研究，有關稀土元素氧化物誘導針狀鐵素體形核的工作也是重要的研究方向。

針狀鐵素體和貝氏體的轉變通常是相伴的，相變前的奧氏體狀態對貝氏體和針狀鐵素體的形核位置有重要影響。貝氏體和針狀鐵素體的體積分數取決于可用的奧氏體晶界和晶內形核位置的相對數量。