（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

1 塊狀相變機(jī)理

塊狀相變主要是指鋼中的成分不改變，母相通過相界擴(kuò)散來的形核、長大，其形貌呈塊狀但是有時(shí)會(huì)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(zhuǎn)變，介于馬氏體相變和長程擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變的中間型相變。相變后形成的組織沒有成分變化，轉(zhuǎn)變的CCT曲線與貝氏體轉(zhuǎn)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(jī)制屬于熱激活。本次實(shí)驗(yàn)主要以含稀土元素的高純鋼，由于奧氏體穩(wěn)定性被提高，過冷到中溫區(qū)發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變而且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)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(kuò)散就進(jìn)行了界面遷移同時(shí)遷移的速度快。

2 稀土元素對(duì)鋼的影響

稀土元素在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，我國的稀土元素儲(chǔ)量占世界的80%，目前稀土元素主要應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)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(zhì)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(diǎn)促進(jìn)相變發(fā)生。

（4）改善合金的氧化膜結(jié)構(gòu)，提高抗氧化能力防止氮脆發(fā)生。

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

純鐵中加入La會(huì)促進(jìn)塊狀相變發(fā)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(xì)化晶粒提高力學(xué)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(zhì)元素生成難熔的物質(zhì)。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(duì)鋼性能就越好，應(yīng)該根據(jù)實(shí)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(tài)下，經(jīng)過1100℃高溫后通過在冰鹽水和液氮中進(jìn)行淬火，分析其組織和性能。下表為實(shí)驗(yàn)材料的成分：

表1 試樣材料的化學(xué)成

3.1 退火

將含Re和不含Re的低碳純鋼進(jìn)行取樣，切成20mm的退火試樣分別標(biāo)號(hào)a和b。依據(jù)退火工藝用鐵絲進(jìn)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(shù)

3.2 高溫淬火+高溫回火

將試樣用DK電火花數(shù)控線切割機(jī)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(shí)保溫15min后先放進(jìn)冰鹽水后放入液氮中進(jìn)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(yīng)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致淬火裂紋，如果試樣在淬火前已經(jīng)出現(xiàn)裂紋不能進(jìn)行淬火。

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

表4 高溫回火工藝參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行空冷。根據(jù)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(dǎo)致晶粒非常細(xì)小。稀土對(duì)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(xiàn)在能凈化鋼液、夾雜物變質(zhì)、微合金化等三個(gè)方面。在鋼中由于稀土元素與N、S、C、O等元素有很強(qiáng)的親和力形成化合物，同時(shí)與鋼中的氧化物、硫化物夾雜物發(fā)生反應(yīng)，形成復(fù)合夾雜，在加入稀土元素能起到凈化鋼液和夾雜物變質(zhì)，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(xué)成分均勻，去除殘余應(yīng)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(xì)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(xiàn)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(xiàn)象。主要原因是高純鋼含有的雜質(zhì)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(yàn)中，我們將試樣在1100℃進(jìn)行熱處理，分別在冰鹽水、液氮中進(jìn)行淬火速冷。對(duì)兩種材料進(jìn)行對(duì)比，含稀土元素的鋼得到很多晶界不規(guī)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(guī)則，顯然沒有發(fā)生塊狀相變。由此可見，稀土元素能促進(jìn)塊狀相變的發(fā)生。

按照固態(tài)相變的一般規(guī)律，塊狀相變?cè)谛魏酥耙残枰獫q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(jié)構(gòu)漲落和能量漲落。首先，在結(jié)構(gòu)漲落中形成新相核。對(duì)于γ-α塊狀相變結(jié)構(gòu)的漲落將會(huì)在γ相界面上產(chǎn)生體心架結(jié)構(gòu)的區(qū)域，在體心的結(jié)構(gòu)區(qū)域、能量漲落等條件滿足就能發(fā)生塊狀鐵素體的形成[4]。塊狀相變?cè)诰Ы缣幮魏耍缓笤谝欢芰亢统煞种醒杆匍L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(guān)系，在淬火后的稀土高純鋼中，在相界面往往具有不規(guī)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(xì)化，而且呈不規(guī)則塊狀，晶界的走向也發(fā)生變化，時(shí)而彎曲時(shí)而呈鋸齒狀組織。

圖2 試樣淬火后的組織

通過試驗(yàn)的分析，高純鋼中加入稀土元素后細(xì)化了鐵素體晶粒，同時(shí)也促進(jìn)塊狀相變的發(fā)生，并且隨著稀土元素含量的增加，塊狀組織就會(huì)越明顯。這也證明了固溶稀土元素具有增加過冷奧氏體穩(wěn)定性。形成的不規(guī)則的塊狀組織，會(huì)穿過原始母相的晶界，從而說明，塊狀組織的生長機(jī)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(zhuǎn)變，它是介于馬氏體相變和長程擴(kuò)散的多晶型轉(zhuǎn)變的一種中間型轉(zhuǎn)變，由于塊狀轉(zhuǎn)變的CCT曲線正好位于貝氏體轉(zhuǎn)變的位置[5]。由于貝氏體具有呈板條狀和極細(xì)小的條片狀，塊狀相變后也會(huì)呈現(xiàn)類似的形貌。在晶相圖中，發(fā)現(xiàn)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(qū)析出了貝氏體鐵素體后，擴(kuò)散到奧氏體中，從而使奧氏體富碳不在轉(zhuǎn)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(jīng)淬火后的鋼進(jìn)行回火，由于它發(fā)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(jìn)行相應(yīng)的處理，比如，放入石英砂中。隨著回火溫度升高，力學(xué)性能會(huì)發(fā)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(guī)則，絕大多數(shù)是塊狀組織，且數(shù)量比淬火的時(shí)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(zhì)的區(qū)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(duì)含稀土元素的淬火試樣進(jìn)行分析，分別用不同的高倍數(shù)進(jìn)行對(duì)塊狀組織分析，其中根據(jù)電子衍射花樣知，塊狀組織內(nèi)部是鐵素體構(gòu)成，在電鏡照片中所指的塊狀組織臺(tái)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(nèi)部迅速推進(jìn)。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(shí)界面的遷移速度大于長程擴(kuò)散，從而形成臺(tái)階狀。

在塊狀組織晶界處呈層狀結(jié)構(gòu)，而且是黑白相間，通過進(jìn)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(dǎo)致塊狀組織的相界面是具有不規(guī)則且呈層狀。

5 結(jié)論

經(jīng)過本次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)塊狀相變的主要特征以及塊狀組織的獨(dú)特形貌，綜合得到以下幾方面結(jié)論：

（1）經(jīng)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(jìn)一步TEM觀察分析，塊狀組織晶界處出現(xiàn)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(shí)候才能出現(xiàn)，并且與材料的含碳量和合金元素有關(guān)。本試驗(yàn)中鋼選擇是高純鋼，含碳量低，同時(shí)具有一定的稀土元素促進(jìn)了塊狀組織形成，但是量不是太多，分布也比較散。