含稀土元素的低碳高純鋼塊狀相變研究

（甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

1 塊狀相變機理

塊狀相變主要是指鋼中的成分不改變，母相通過相界擴散來的形核、長大，其形貌呈塊狀但是有時會呈片狀或針狀，不再保留原有的塊狀形貌。塊狀相變屬于中溫轉變，介于馬氏體相變和長程擴散型轉變的中間型相變。相變后形成的組織沒有成分變化，轉變的CCT曲線與貝氏體轉變的CCT曲線位置相似[1]。

塊狀相變通常在晶界處形核然后向其迅速生長到周圍母相中，并且穿過母相的原始晶界，因而它的生長機制屬于熱激活。本次實驗主要以含稀土元素的高純鋼，由于奧氏體穩定性被提高，過冷到中溫區發生塊狀轉變而且有時會出現孿晶[2]。主要原因是新相與母相的成分相同，原子通過熱激活就跨過界面，不需要原子長程擴散就進行了界面遷移同時遷移的速度快。

2 稀土元素對鋼的影響

稀土元素在很多領域被廣泛應用，我國的稀土元素儲量占世界的80%，目前稀土元素主要應用在鋼鐵行業中，提高鋼的性能。以下是稀土元素在鋼中所起的作用：

（1）稀土元素在鋼中可以凈化和降低金屬材料中有害的雜質和元素。

（2）稀土元素能抑制晶粒長大使鋼中珠光體量減小，鐵素體增加改變了顯微組織。

（3）稀土能有效的增加C、N的溶解度，降低低碳、N的活度，改變鋼的臨界點促進相變發生。

（4）改善合金的氧化膜結構，提高抗氧化能力防止氮脆發生。

（5）作為稀土元素能在金屬中偏聚和強化晶界，如，鋼中對固溶度小的Fe、Ni、Co等起到微合金作用，對Al、Ti、Mg等合金有強化作用。

純鐵中加入La會促進塊狀相變發生。隨著稀土元素的含量增加，阻礙晶粒長大或使得晶粒在長大過程中不得不繞過夾雜物，從而細化晶粒提高力學性能[3]。在鋼中稀土元素具有很高的活性能與O和S有害雜質元素生成難熔的物質。因此稀土元素的存在是能改善鋼的性能和凈化鋼液，但是不是含有量越高越對鋼性能就越好，應該根據實際情況合理加入稀土元素。

3 熱處理方法

主要研究含稀土元素的高純鋼在高溫狀態下，經過1100℃高溫后通過在冰鹽水和液氮中進行淬火，分析其組織和性能。下表為實驗材料的成分：

表1 試樣材料的化學成

3.1 退火

將含Re和不含Re的低碳純鋼進行取樣，切成20mm的退火試樣分別標號a和b。依據退火工藝用鐵絲進行捆綁便于拿取。將捆綁好的試樣分別放入裝有石英砂的坩堝里，并埋好，主要目的是防止氧化。退火工藝如下：

表2 退火工藝參數

3.2 高溫淬火+高溫回火

將試樣用DK電火花數控線切割機床切割取2mm厚度、寬10mm、長20mm的薄樣若干，高溫淬火工藝如下：

表3 淬火熱處理工藝表

制定高溫淬火工藝時保溫15min后先放進冰鹽水后放入液氮中進行淬火，原因要形成塊狀組織的條件是在高溫條件下，急速冷卻，必須要求速度要快，才能形成塊狀組織。試樣表面不能有油污、銹跡或其他臟污，否則應用清洗液把油污去除，用酸洗或噴砂將銹去除，以保證淬火后的硬度及其均勻性。試樣表面不能有毛刺、劃痕、磕碰，否則會產生應力集中，容易導致淬火裂紋，如果試樣在淬火前已經出現裂紋不能進行淬火。

淬火后的試樣分別放入電阻爐內按照回火工藝進行高溫回火，其試樣分別裝入石英砂的坩堝內，防止氧化。其高溫回火工藝如下：

表4 高溫回火工藝參數

4 實驗結果分析

4.1 金相組織觀察與分析

4.1.1 退火組織分析

本實驗將試樣在升溫950℃保溫10min后隨爐冷卻到680℃保溫1h，然后將試樣取出進行空冷。根據圖a、b可以看出，其組織是等軸鐵素體，但是由于圖a中加入少量的稀土元素，導致晶粒非常細小。稀土對金屬的顯微組織有影響，能抑制晶粒長大，使鋼中珠光體量減小，鐵素體增加等作用。稀土元素加入鋼中，其主要作用表現在能凈化鋼液、夾雜物變質、微合金化等三個方面。在鋼中由于稀土元素與N、S、C、O等元素有很強的親和力形成化合物，同時與鋼中的氧化物、硫化物夾雜物發生反應，形成復合夾雜，在加入稀土元素能起到凈化鋼液和夾雜物變質，提高鋼液的純度。通過退火工藝使鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料，改善塑性和韌性，使其化學成分均勻，去除殘余應力，便于研究塊狀相變，因此高純鋼里面加了稀土元素能生成平衡的等軸鐵素體晶粒細小。

圖1 試樣退火后的組織

未加稀土元素的鋼存在明顯的混晶現象，組織也不均勻，而加了稀土元素的高純鋼沒有這種明顯的現象。主要原因是高純鋼含有的雜質很少，晶界處不受釘扎作用影響，有些晶粒在高溫下無束縛的生長。

4.1.2 淬火組織分析

在試驗中，我們將試樣在1100℃進行熱處理，分別在冰鹽水、液氮中進行淬火速冷。對兩種材料進行對比，含稀土元素的鋼得到很多晶界不規則的塊狀組織，不含稀土元素的鋼得到的是等軸鐵素體，晶界呈平滑而規則，顯然沒有發生塊狀相變。由此可見，稀土元素能促進塊狀相變的發生。

按照固態相變的一般規律，塊狀相變在形核之前也需要漲落起伏。由于在組織中新舊的成分相同，不存在濃度漲落。但是塊狀相變需要結構漲落和能量漲落。首先，在結構漲落中形成新相核。對于γ-α塊狀相變結構的漲落將會在γ相界面上產生體心架結構的區域，在體心的結構區域、能量漲落等條件滿足就能發生塊狀鐵素體的形成[4]。塊狀相變在晶界處形核，然后在一定能量和成分中迅速長入周圍的母相中。在新相的生長過程中可以與母相具有取向關系，在淬火后的稀土高純鋼中，在相界面往往具有不規則的外形，其為鐵素體組織，而且晶粒大小不等，形貌也存在差異，有的呈鋸齒狀、板條狀、條片狀，隨著稀土元素的含量增加，組織中鐵素體晶粒越細化，而且呈不規則塊狀，晶界的走向也發生變化，時而彎曲時而呈鋸齒狀組織。

圖2 試樣淬火后的組織

通過試驗的分析，高純鋼中加入稀土元素后細化了鐵素體晶粒，同時也促進塊狀相變的發生，并且隨著稀土元素含量的增加，塊狀組織就會越明顯。這也證明了固溶稀土元素具有增加過冷奧氏體穩定性。形成的不規則的塊狀組織，會穿過原始母相的晶界，從而說明，塊狀組織的生長機制是熱激活，通過熱激活的跳躍可以跨過界面快速生長。

塊狀組織相變屬于中溫轉變，它是介于馬氏體相變和長程擴散的多晶型轉變的一種中間型轉變，由于塊狀轉變的CCT曲線正好位于貝氏體轉變的位置[5]。由于貝氏體具有呈板條狀和極細小的條片狀，塊狀相變后也會呈現類似的形貌。在晶相圖中，發現含稀土元素的鋼淬火后。在塊狀組織上面有少量的粒狀貝氏體，由于過冷奧氏體冷卻到上貝氏體溫度區析出了貝氏體鐵素體后，擴散到奧氏體中，從而使奧氏體富碳不在轉變成貝氏體，而是以長條狀或粒狀分布在鐵素體基體上。

4.1.3 高溫回火后組織分析

經淬火后的鋼進行回火，由于它發生的是塊狀相變，所以在高溫回火的過程中與馬氏體相變后高溫回火不同。為了防止試樣在高溫下被氧化在加熱過程中要進行相應的處理，比如，放入石英砂中。隨著回火溫度升高，力學性能會發生改善。

通過高溫回火后，含稀土元素的高純鋼其組織仍然保持晶界的不規則，絕大多數是塊狀組織，且數量比淬火的時候多。所以塊狀相變的高溫回火和馬氏體的相變的高溫回火不一樣有本質的區別。

4.2 透射電鏡觀察與分析

圖3 TEM下塊狀組織層狀晶界

利用投射電鏡對含稀土元素的淬火試樣進行分析，分別用不同的高倍數進行對塊狀組織分析，其中根據電子衍射花樣知，塊狀組織內部是鐵素體構成，在電鏡照片中所指的塊狀組織臺階（或鋸齒狀）晶界。由于相變過程中，新相長大選擇母相最易長大的晶向，向母相內部迅速推進。相的形核-長大依靠原子的熱激活迅速完成，速率非常的快。此時界面的遷移速度大于長程擴散，從而形成臺階狀。

在塊狀組織晶界處呈層狀結構，而且是黑白相間，通過進一步分析電子衍射花樣，可知，其層狀中白色那條是鐵素體，黑色為滲碳體，而且塊狀相變是在晶界處形核，然后迅速長入母相中，由于受到周圍的晶粒的擠壓和新相要從最易得晶向生長，最終導致塊狀組織的相界面是具有不規則且呈層狀。

5 結論

經過本次試驗后發現塊狀相變的主要特征以及塊狀組織的獨特形貌，綜合得到以下幾方面結論：

（1）經過淬火處理，含稀土元素的試樣得到了大量的塊狀組織，其形貌不同于等軸鐵素體，具有塊狀組織的特性，通過進一步TEM觀察分析，塊狀組織晶界處出現層狀分布。

（2）塊狀鐵素體必須在冷卻速度極快、試樣極薄的時候才能出現，并且與材料的含碳量和合金元素有關。本試驗中鋼選擇是高純鋼，含碳量低，同時具有一定的稀土元素促進了塊狀組織形成，但是量不是太多，分布也比較散。