奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理.pdf

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奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理1 奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理2 奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理3 奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理4 奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理5
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材料工程/2010年5期ZrC/奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理MechanismofUltrafineGrainofDeformationInducedFerriteTransformationatZrC/AusteniticInterface唐明华,刘志义,邓彬,胡双开。,厉春元(1中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;2湖南工学院机械工程系,湖南衡阳421002;3湖南衡阳钢管(集团)有限公司,湖南衡阳421001)————TANGMinghua,LIUZhiyi,DENGBin。,HUShuangkai。,LIChunyuan。(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2DepartmentofMechanicalEngineeringofHunanInstituteTechnology,Hengyang421002,Hunan,China;3HunanHengyangSteelTubeGroupCo.,Ltd.,Hengyang421001,Hunan,China)摘要:利用Gleeble-1500热模拟试验机进行单轴热压缩实验,研究了含ZrC粒子的低碳钢在形变诱导相变过程中ZrC粒子对铁素体晶粒细化的影响及铁索体形核的基本特性。结果表明:一定粒径和体积分数的ZrC粒子弥散分布于基体相中时,能够阻碍位错的运动,形成集中形变区,加速形变诱导相变的进程,因而提高铁素体形核率,导致铁素体晶粒细化;ZrC/奥氏体相界面上形变诱导铁素体相变具有形核位置不饱和性、新生a相超细晶的特点;在应变条件下,铁素体晶粒在(111>方向择优取向,晶粒内部存在一定量的小角度晶界,由于铁素体动态再结晶的发生,组织进一步细化。ZrC/奥氏体相界面铁素体晶粒的超细化机理是形变诱导相变、铁素体动态再结晶及ZrC粒子弥散强化三者同时作用的结果。关键词:ZrC粒子;形变诱导铁素体相变;超细晶;机理中图分类号:TG142.1文献标识码:A——文章编号:1001-4381(2010)05001005—Abstract:InordertodeeplyunderstandthemechanismofultrafinegrainofthelowcarbonsteelobtainingZrCparticles,theeffectsofZrCparticlesonferritegrainrefinementandbasiccharacteristicsof—ferritenucleatingforthissteelafterdeformationinducedferritetransformationatZrC/austeniticinterfacewereinvestigatedbyuniaxialhotcompressionsimulationexperiment.TheresultsshowthatZrCparticleswithdefinitesizeandsuitablevolumefractiondispersinginthematrixphasecanhinderthemovementofdislocation,formconcentrateddeformationzoneandspeeduptheprocessofdeformationinducedferritetransformation,thusincreasingthenucleationrateofferrite,resultinginultrafine—grain.ThedeformationinducedferritetransformationatZrC/austeniticinterfacehasshapedtheun——saturatednatureofnuclearpositionandthenewaphasehasthecharacteristicsofultrafinegrain.In—thestrainconditions,theferritegrainsinthedirectionof(111)preferredorientation,acertainamountofsmallanglegrainboundariesexistwithinferritegrains,astheoccurrenceofferritedynamic—recrystallization,ferritefurtherrefinement,SOthemicromechanismofthetestingsteelisresultsofthe—roleofthethree,includingthedeformationinducedferritetransformation,ferritedynamicrecrystallizationanddispersionstrengtheningofZrCparticleatthesametime.—Keywords:ZrCparticle;deformationinducedferritetransformation;ultrafinegrain;mechanism伴随新一代钢铁材料研究突飞猛进的发展,低碳钢形变诱导铁素体相变(DeformationInducedFerriteTransformation,DIFT)的研究不断深入,为获得均匀、等轴的超细铁素体(尺寸<4m)组织,研究人员针对DIFT相变机理开展了大量工作卜,其组织超细化研究成果应用于热连轧板卷、长型材生产取得了很ZrC/奥氏体相界面形变诱导铁素体相变超细化机理好的效果【4]。然而,DIFT的组织细化主要是通过在较低温度下实施大变形而获得的,对生产条件的要求较高,由于受装备轧制力及铸造装备冷却速度等方面限制,已有的DIFT工艺对中厚板轧制仍无法产生明显的效果[6;同时,低变形温度及大变形量还会使形成的铁素体择优取向变强_7]。所以,开发具有广泛用途的低碳钢中厚板组织超细化技术,并使之满足用户不断提高的性能要求,是当前DIFT研究的重要方向。DIFT在热力学方面区别于无变形静态相变的最大特征是在相变驱动力中引入了变形储存能,在动力学方面具有形核位置不饱和性特点,因此,增加聚集形变能的缺陷是提高DIFT形核率和最终获得细小均匀晶粒组织的有效途径。按照这一研究思路,本工作结“合国家自然科学基金项目超塑性原理在低碳型钢晶”粒超细化中的应用,并利用钢中第二相粒子在凝固结晶及热加工过程中对钢组织的细化作用,按文献[9]的方法制备了含一定粒径、体积分数ZrC粒子的低碳钢锭坯,采用Gleeble一1500热模拟机进行不同变形条件的单道次压缩热模拟实验,在低碳钢中获得了超细铁—素体组织。在此基础上,借助ThermoCalc软件计算热力学参数,并从应变诱导相变过程中ZrC粒子对铁素体晶粒细化的作用及ZrC/奥氏体相界面铁素体形核的基本特性两方面深入分析了ZrC粒子可能的作用效果,并与不添加ZrC粒子时相比较,意在揭示ZrC/奥氏体相界面DIFT组织超细化机理,为研究开发低碳钢中厚板组织超细化技术提供参考。1实验材料和方法自制热模拟实验材料在中频感应熔炼炉中熔炼,≤加硅铁、锰铁脱氧后,压人平均粒径1.0m、体积分数0.2~0.8的ZrC粒子,待时约lmin以便粒子均匀分布,然后浇人耐热钢铸模,所得实验钢的化学成分(质量分数/%)如下:o.16C-0.44S ̄1.42Mn-0.10Nb-0.011P-O.005S-ZrC,余量为Fe。℃℃原材料经1200改锻、950正火后,由线切割加工成mm×15mm圆柱试样,在Gleeble-1500试验℃机上进行单道次热模拟单向压缩实验:以1o/s的速℃度将试样加热到1050 ̄C并保温2min,然后以5/s的速度冷却到形变温度,应变速率Is_。;将变形后的试样立刻淬水至室温以固定其高温组织。用作组织分析的样品取自试样中心部位最大应变处,用光学显微镜观察显微组织,铁素体晶粒直径通过图像分析仪,用截线法统计平均晶粒,用点数法确定试样铁素体的体积分数;使用透射电镜观察高倍下铁素体形态,TEM薄片取自于平行于剖面方向,机械减薄后再用高氯酸酒精溶液电解双喷减薄,采用电解抛光法制备EBSD分析样品,采用TEM与EBSD相结合的方法,分析测定铁素体晶粒的晶体学位向关系,测定速度为每秒3个取向。2实验结果与分析2.1ZrC粒子对铁素体晶粒细化的作用—利用热力学计算软件包ThermoCalc得到实验℃钢相变临界点A一695,相变平衡温度A。=℃830。℃图1给出实验钢在830、应变0.4时,ZrC粒子对实验钢形变诱导相变淬水组织的影响。可见,当未添加ZrC粒子时(图1(a)),组织中仅有少量呈块状形貌特征的铁素体(6.5t ̄m)在奥氏体晶界产生,这表明℃在830开始出现变形铁素体的动态再结晶而成为—DIFT铁素体,实验与ThermoCalc计算结果吻合;作为对比,添加了ZrC粒子后的组织如图1(b),可见铁素体在奥氏体晶界上的形核率增加了,部分奥氏体晶界已被铁素体覆盖,在奥氏体晶内也发现有铁素体析出,铁素体的转变量增加,且晶粒更为细小(4.2t ̄m)。由于实验钢的淬透性较好,而变形后的冷却速度极快,因此,图1(b)中数量较多的铁素体在高温阶段应没有足够时间形成,只能是在变形中获得,即DIFT铁素体,这显然是因为ZrC粒子加速了铁素体形核,导致DIFT提前发生的原因。图1(c)给出的SEM组织为形变诱导铁素体在ZrC/奥氏体相界面形核的直接实验证据。ZrC粒子加速铁素体形核的现象可从E.Orowan机制得到解析_】。。:当粒子以细小弥散的微粒均布于基体相中时,将会通过粒子对位错运动的阻碍产生显著的强化作用,使位错线绕着它发生弯曲,形成包围着粒子的位错环,这就有利于形成集中形变区,因而加速了DIFT的进程,导致铁素体形核率增大,铁素体晶粒细化。另一方面,由于ZrC粒子与液态钢的密度相近,容易在钢中均匀分布,并且ZrC粒子在钢中的固溶度非常低,在高温下仍然能够存在于钢中而不溶解消失,有利于阻止高温区奥氏体晶粒的长大_1。因此,在低碳钢中添加ZrC粒子无论是对变形过程中铁素体的形核还是对钢的组织细化都是有利的。2.2zrC/奥氏体相界面上铁素体形核的基本特性基于ZrC粒子对铁素体形核的促进作用,ZrC/奥氏体相界面的7一a动态转变与常规低碳钢DIFT应有不同的热力学与动力学特征,由于铁素体动态再结14材料工程/2010年5期制,添加ZrC粒子的实验钢就可以在相同变形条件下显著提高低碳钢DIFT过程的形核率和大幅度细化晶粒,这就降低了对变形量及装备轧制力的要求,在获得高形核率或相同晶粒细化效果前提下,可以减少总变形量、每道次变形量及装备轧制力,从而有望解决我国在现有装备条件下的中厚板晶粒超细化难题。・AddingZrC.。WithoutZrCZCld ̄0O204O.60.81.0121.4Strain图5铁素体形核率与变形条件的关系Fig.5Therelationshipbetweenferritenucleationrateanddeformationconditions需要指出的是,本研究中ZrC粒子的加入使得ZrC/奥氏体相界面与常规DIFT晶粒细化机制不同的是除了上述形变诱导相变和铁素体的动态再结晶机制外,还应包括ZrC粒子的弥散强化机制,即应变诱导第二相析出物抑制再结晶的发生,阻止晶粒长大,使晶粒细化的机制。因为奥氏体在A。~A。之间变形造成了以位错、形变带和胞状组织等形式的应变积累奥氏体,应变积累不仅可以增加铁素体形核位置和形核率,而且可以产生形变诱导铁素体和铁素体的动态再结晶,使晶粒细化;同时ZrC粒子使奥氏体在低温轧制时产生应变诱导第二相析出物,它不仅阻碍位错的运动,而且会造成位错的增殖,使位错密度增高,形核位置增加,且其相界或晶界也可以成为再结晶晶核的一部分界面,这就降低了形核阻力,三者同时使晶粒细化。3结论(1)在低碳钢中添加一定粒径和适量体积分数的ZrC粒子对形变诱导相变过程中铁素体的形核及钢的组织细化都是有利的。(2)ZrC/奥氏体相界面上形变诱导铁素体相变具有形核位置不饱和、新生a相超细晶的特点;在形变量较高时,铁素体晶粒在<111>方向择优取向,铁素体内部出现一定量的小角度晶界;随变形程度增加,(111)方向形变线织构加强,小角度晶界向大角度晶界转变,发生铁素体的动态再结晶,导致铁素体组织进一步细化。(3)ZrC/奥氏体相界面铁素体晶粒超细化的机制是形变诱导相变、铁素体动态再结晶及ZrC粒子弥散强化三者同时作用的结果。参考文献—[13WENGYuqing.Highperformanceofironandsteelstructuremat ̄rial4;3.ChinaEngineeringScience,2002,(3):48--53.—[2]xuYun-bo,WANGGutrdong,LIUXiang-hua.Mathematicalmodellingofferritetransformationoflowcarbonsteelthoughlowtemper-一atureheavydeforation[J].ActaMetallargicaSinica,2002,38—(10):10211026.[3]WENGYwqing.UhrafineGraindSteel[M].Beijing:Metallurgi-一ealIndustryPress,2003.—[4]WANGHuirain,QIUKun,YANGZhonffmin.Effectofstrainrateondeformationinducedferritetransformationinplainlowcarbonsteel[J].JournalofIronandSteelResearch(Internation--—a1),2005,17(4):5154.—Es]DONGHan.AdvancedIronandSteelMaterials[M].Beijing:SciencePress,2008.E6]范建文,张维旭,代晓莉,等.普碳钢中板表层组织超细化的变形—机理LJ].材料热处理学报,2005,26(6):6974.—[7]YANGWang-yue.Characteristicsofdeformationenhancedtransformationinlowcarbonsteel[J].AetaMetallurgieaSinica,2004,—40(2):13514O.[8]YANGPing,CHANGShou-hai,CUIFeng-e,eta1.Orientafionalcharacteristicsofferriteduringstrainenhancedtransformationin—aQ235plaincarbonsteelEJ].ChineseJournalofMaterialsRe—search,2002。16(3):251258.—[9]LIUZhiyi,XUXiao--chang,DENGXiao-一tie,eta1.Effectofquenchingprocessonthemicrostructureandmechanicalpropertyof20Mn2steelcontainingZrCparticles[J].ChineseJournalof—M[aterialResearch,2004,18(1):3945.[1o]胡赓祥,蔡殉,戎咏华,等.材料科学基础[M].上海:上海交通大学出版社,2006.———[11]DENGXiaotie,LIUZhi-一yi,ZHENGQingchun.Effectofdefor—mingmethodoilgrainrefiningin20Mn2SteelcontainingZrC—particlesU].HeatTreatmentofMetals,2005,3o(8):2428.—[12]YUNBing,YANGCai~fu,PANHao,eta1.Influenceofde—formationstoreenergyoncriticalnucleusin7tontransformation[J].ResearchonIronandSteel,2001,(1):35~38.[133YANGPing.CharacteristicsofstrainenhancedtransformationanditsinfluencingfactorsinQ235plaincarbonsteel[J].Acta—MetallurgicaSinica,2001,37(6):592600.——[143DONGHan,SUNXirr-jun,LIUQingyou,eta1.Deformationinducedferritetransformation--phenomenaandtheory[J].Iron—andSteel,2003,38(1O):5667.基金项目:国家自然科学基金资助项目(59971031)———收稿日期:20090914;修订日期:2010-0218作者简介:唐明华(1965一),男,副教授,博士研究生,从事钢铁材料强韧化理论与技术研究,联系地址:湖南衡阳湖南工学院机械工程系(421002),Email:hyhuaxtmh ̄@163.COFflOOOOO0渤珊\0ln岳0(IguLL
布丁老师
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