王 震，葉靜靜，張慶安，張慶峰，焦四海

(1.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海201900）

單一金屬材料由于自身性能特點的限制使其難以滿足特種行業(yè)對材料特殊使用性能的要求[1-2]。不銹鋼復(fù)合板是以碳鋼或低合金鋼為基層、不銹鋼為覆層，通過軋制、爆炸等復(fù)合方式制備而成的。因覆層材料具良好的抗腐蝕性，又具基層材料低成本與良好塑韌性的優(yōu)點，致使不銹鋼復(fù)合板成功應(yīng)用于核電、水電、壓力容器、石油、化工、裝飾等行業(yè)領(lǐng)域[3-4]。

目前生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合板的方法主要為熱軋法，這種方法不僅效率高、成本低，還可彌補爆炸復(fù)合技術(shù)的生產(chǎn)缺陷[5-6]。但熱軋復(fù)合板結(jié)合界面的高溫氧化易導(dǎo)致氧化物雜質(zhì)存在，從而降低了復(fù)合板的結(jié)合強度[7-8]。界面結(jié)合強度是評判復(fù)合板質(zhì)量的重要指標之一，界面顯微組織是影響界面力學(xué)性能的主要因素[9-10]。因此，學(xué)者們對不銹鋼復(fù)合板的顯微組織特征進行了研究，結(jié)果表明：不銹鋼/碳鋼復(fù)合板界面的組織一般為不銹鋼基體、界面復(fù)合區(qū)（即過渡層）、脫碳區(qū)和碳鋼基體4 個區(qū)域[11-15]。其中過渡層較薄、僅幾微米，致使其透射電鏡樣品的制備較為困難，鮮少有學(xué)者對過渡層的組織特征進行深入研究，但過渡層的顯微組織對界面力學(xué)性能影響很大。為此，筆者以304/Q235B熱軋復(fù)合板界面為對象，采用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等手段研究304/Q235B復(fù)合板界面的顯微組織，尤其是過渡層的顯微組織特征。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為304/Q235B熱軋復(fù)合板，厚度為44 mm。其中：304不銹鋼厚度為4 mm；Q235B碳鋼厚度為40 mm。實驗鋼的化學(xué)成分如表1。

表1 實驗鋼的化學(xué)成分,w/%Tab.1 Chemical compositions of test steels,w/%

1.2 金相顯微鏡及掃描電鏡實驗

將實驗用復(fù)合鋼板切割成10 mm×10 mm×10 mm方塊試樣，分別用200#、400#、600#、800#砂紙打磨，后用酒精洗滌干凈。在拋光機上機械拋光試樣的橫截面，直到呈鏡面，并保證拋光面和其對面平行。及時用水沖洗拋光試樣，用濕棉布輕輕擦拭拋光表面的殘留水跡，用膠頭滴管滴幾滴酒精至試樣表面，并用吹風機以45°角斜吹試樣，去除酒精保證試樣完全干燥；用直流穩(wěn)壓電源電解腐蝕試樣，腐蝕劑為體積比1∶10的高氯酸和醋酸溶液，待試樣周圍冒細小氣泡(約10 s)后取出；接著用手指涂抹洗滌劑擦洗試樣腐蝕表面，再用清水沖洗，多次反復(fù)，直至表面無黑暗色斑塊，用吹風機吹干。采用ZEISS Axiovert 40 mAT光學(xué)金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用NOVA NANO SEM430掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察復(fù)合板過渡層的顯微組織特征與厚度等，并對界面區(qū)域進行線掃描能譜(energy disperse spectroscopy,EDS)分析，觀察合金元素在界面區(qū)域的分布。

1.3 透射電鏡實驗

將實驗用復(fù)合鋼板沿厚度方向切割成10 mm×10 mm×0.8 mm 的片狀試樣(包含過渡層)，分別用80#、200#、400#、600#、800#砂紙對其進行減薄，減薄至30 μm左右時，用沖片器沖片。沖片時盡量使過渡層界面在直徑為3 mm的圓片中間，然后使用Gatan 691離子減薄儀對圓片試樣進行定點制備薄區(qū)，減薄成功后使用FEI Tecnai G2 F20場發(fā)射透射電鏡(transmission electron microscopy,TEM)對試樣進行觀察。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 界面顯微組織特征

圖1 304/Q235B復(fù)合板界面的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographic photographs of interface in 304/Q235B clad plate

圖1為不同放大倍數(shù)下304/Q235B復(fù)合板結(jié)合界面處的金相照片。由圖1可以看出：碳鋼與不銹鋼結(jié)合良好，微觀組織中未發(fā)現(xiàn)未焊合的部分，也未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷；復(fù)合板結(jié)合界面處形成一條明顯的界面過渡層；復(fù)合板界面左側(cè)為304不銹鋼基體，組織為奧氏體；界面右側(cè)為Q235B碳鋼基體，組織為鐵素體+珠光體；靠近過渡層的碳鋼區(qū)存在脫碳層，組織為鐵素體。由此可見，304/Q235B復(fù)合板試樣的顯微組織由四部分組成，從左向右依次為304 不銹鋼中的奧氏體組織、過渡層、靠近過渡層的Q235B 鋼脫碳層（鐵素體組織）和Q235B鋼基體中的鐵素體+珠光體組織。這與蔣君[15]報道的真空熱軋復(fù)合不銹鋼復(fù)合板界面組織特征整體上是一致的。

為進一步觀察304/Q235B復(fù)合板界面過渡層和脫碳層的厚度，采用掃描電鏡對界面組織進行分析。圖2為不同放大倍數(shù)下304/Q235B復(fù)合板結(jié)合界面的掃描電子顯微照片。從圖2可看出：過渡層的平均厚度約5 μm，Q235B鋼脫碳層的平均厚度約50 μm。但是，過渡層的組織無法辨認，這是由于界面過渡層厚度很小，且樣品腐蝕過程中導(dǎo)致過渡層存在溝槽，掃描電鏡觀察時由于放電效應(yīng)使得過渡層組織難以清晰觀察，需采用透射電鏡進一步分析。

圖2 304/Q235B復(fù)合板界面掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM photographs of interface in 304/Q235B clad plate

2.2 界面元素擴散

為進一步分析界面過渡層的組織特征，先用能譜分析儀對界面的元素分布情況進行表征，結(jié)果如圖3。從圖3可發(fā)現(xiàn)：不銹鋼復(fù)合板界面附近出現(xiàn)了Cr、Ni、C等元素的擴散區(qū)，這是由于不銹鋼側(cè)和碳鋼側(cè)的化學(xué)成分不同，界面兩邊合金元素存在較高的濃度梯度，致使304/Q235B復(fù)合板熱軋復(fù)合時合金元素發(fā)生擴散，形成一定厚度的擴散區(qū)；不銹鋼側(cè)Cr、Ni元素含量明顯高于碳鋼側(cè)，使得不銹鋼側(cè)Cr、Ni元素在熱軋過程中由不銹鋼側(cè)向碳鋼側(cè)擴散，最終Cr、Ni 元素形成明顯的分布曲線。從分布曲線可看出，Cr 的擴散距離大于Ni，這是由于Cr的擴散能力強于Ni所致。合金元素在鋼中的擴散系數(shù)可由菲克定律的推導(dǎo)公式計算得到[16]

式中：D0為頻率因子（是常量）；Q 為擴散激活能；R 為氣體常數(shù)；T 為實驗溫度。根據(jù)金屬熔化潛熱能的大小可得出Cr的擴散激活能大于Ni[17]。則由式(1)可知Cr的擴散系數(shù)大于Ni，由此證明Cr的擴散能力比Ni強。

圖3 復(fù)合板界面能譜分析Fig.3 EDS analysis of interface in 304/Q235B clad plate

從圖3(b)可看出：越靠近過渡層，碳的含量越低，故難以觀察到過渡層中碳的擴散行為。由于界面碳原子的擴散距離很短，僅幾微米，對遠處碳濃度的影響很小，因此過渡層的碳濃度分布可由菲克第二定律及半無限長物體擴散問題求解，如下式[16]

式中：D 為碳在不銹鋼中的擴散系數(shù)；x 為碳原子的擴散距離；τ 為擴散時間；w0為不銹鋼側(cè)碳的質(zhì)量分數(shù)；w1為碳鋼側(cè)碳的質(zhì)量分數(shù)。由此可知，界面附近的碳元素不斷地從碳鋼側(cè)向不銹鋼側(cè)擴散，直到碳的質(zhì)量分數(shù)降至w0為止。

2.3 過渡層的微觀組織

圖4 為304/Q235B 復(fù)合板過渡層的透射電鏡照片。從圖4(a)可看出：過渡層兩側(cè)邊界在微觀上呈鋸齒狀；過渡層厚度為5 μm左右，這與掃描電鏡觀察到的結(jié)果一致。由圖4(b)可發(fā)現(xiàn)：過渡層組織主要為板條馬氏體(其選區(qū)電子衍射譜如圖4(c))；馬氏體板條中存在大量位錯和析出物。過渡層中板條馬氏體的出現(xiàn)主要與軋制復(fù)合時Cr、Ni等合金元素的擴散有關(guān)，即合金元素和碳元素分別由不銹鋼側(cè)和碳鋼側(cè)向過渡層擴散，從而使過渡層的C曲線向右移動，降低了淬火的臨界冷卻速度，空冷后即可獲得馬氏體組織[18]。另外，軋制過程中復(fù)合界面處于高應(yīng)力狀態(tài)，塑性變形為其提供了機械驅(qū)動力，使得馬氏體轉(zhuǎn)變點升高[19-20]。因此在冷卻過程中更易得到馬氏體組織，同時使馬氏體板條上存在高密度的位錯。為進一步分析馬氏體板條中的析出物，進一步提高電鏡的放大倍數(shù)，圖5為304/Q235B復(fù)合板過渡層中馬氏體板條上析出的碳化物。

圖4 復(fù)合板過渡層的透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 TEM photographs of transition layer in 304/Q235B clad plate

圖5 304/Q235B復(fù)合板過渡層中馬氏體板條上析出的碳化物Fig.5 Carbides precipitated in the martensite lath of transition layer in 304/Q235B clad plate

從圖5(a)，(b)可觀察到，析出物呈針狀并位于馬氏體板條內(nèi)部，長度約100 nm，直徑約10 nm，其中細小析出物分布具一定的規(guī)律，沿特定的位相平行分布。分析圖5(c)，(d)可發(fā)現(xiàn)，馬氏體板條中的針狀析出物為M3C型碳化物，這是由于冷卻過程中發(fā)生了馬氏體自回火現(xiàn)象[21-22]。正是由于過渡層化學(xué)成分變化和顯微組織特征使得過渡層的硬度明顯高于兩側(cè)基體硬度，如圖6所示。

3 結(jié) 論

1)304/Q235B復(fù)合板界面的顯微組織由四部分組成：304 不銹鋼基體的奧氏體；5 μm 厚的過渡層；50 μm左右的Q235B鋼脫碳層(鐵素體組織)；Q235B鋼基體的鐵素體+珠光體。

2)304/Q235B 復(fù)合板界面附近存在Cr、Ni、C 元素的互擴散，且形成一定范圍的擴散區(qū)。

3)304/Q235B熱軋復(fù)合板過渡層中的組織主要為板條馬氏體，馬氏體基體上存在大量位錯和析出物，析出物為M3C型碳化物，長度約100 nm，直徑約10 nm。

圖6 304/Q235B復(fù)合板界面的維氏硬度Fig.6 Vickers hardness of interface in 304/Q235B clad plate