含钒高锰奥氏体钢中碳化钒纤维状沉淀的透射电镜观察

王 岗，覃作祥

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

碳化钒的纤维沉淀现象多出现在含钒低合金钢的等温转变过程，往往是与γ→α转变相界的迁移有关［1-2］，当奥氏体—铁素体界面生长速度很慢时，碳化物的生长方向平行于奥氏体—铁素体界面推进方向，生成指向α/γ界面的细条状纤维沉淀［3］，同时在珠光体铁素体中也存在部分相间沉淀与珠光体之间的纤维状沉淀，这种纤维沉淀是在γ→α转变的最后阶段通过长范围的扩散而生成［4］，共晶分解模型中认为当奥氏体—碳化物界面、奥氏体—铁素体界面的生长速度较大时才会形成纤维状碳化物［5］.显然碳化钒在奥氏体钢的纤维状析出不同于这种低合金钢中沉淀机制.目前，有关碳化钒沉淀粒子在奥氏体钢中形成纤维状析出的报道相对较少，Ainsley等人［6］对Fe-Mn-V-C奥氏体钢不连续沉淀粒子析出用透射电镜分析观察时指出:碳化钒粒子的沉淀形态由边界结构决定，纤维状沉淀析出是在笔直晶界处形成，认为笔直晶界处具有低的多样性，存在高密度的重合位置点阵，有利于形成有规则的细长状纤维沉淀，但不能说明晶粒内细长的纤维状沉淀析，朱乃平［7］也曾在Fe-Mn-Al系奥氏体钢中观察到纤维状析出，但并没有解释这种特殊沉淀形态的形成原因.为此，本文探讨了碳化钒沉淀粒子在Fe-Mn基奥氏体钢中形成纤维沉淀的晶体学结构和影响因素.

1 实验材料及方法

实验所用的合金均采用工业纯铁、电解锰(经熔化去气处理)、工业纯铝、纯铬、纯钒等作为冶炼原料，在中频感应炉充氩气保护条件下冶炼，浇铸成12 kg的铸锭，合金的化学成分分别如下:Mn 为 19.45%;Al为 2.50%;C 为 0.30%;V 为1.01%;Si为 0.05%;P 为 0.007%;S 为0.024%;其余为 Fe.

在1 150℃均匀化退火，保温2h，而后钢锭在1150～850℃锻成18 mm×18 mm的方棒，冷至室温.将方棒上在1 150℃进行固溶处理后用线切割机切出适宜大小的试样若干，每组试样分别进行不同温度、不同时间时效处理以及不进行时效处理.

TEM样品先经切割后磨至30～40 μm，用冲孔器冲出φ3 mm的小圆片，最后采用Gatan离子减薄仪进行减薄.设置离子束的起始角度为8°，减薄过程中逐渐降低离子束角度，在试样将要穿孔时将角度减小到5°，待发现试样穿孔后，再将离子束入射角度减小到4°，再减薄约15 min扩大薄区，以便更好观察.本实验TEM观察采用JEM-2100F场发射透射电镜，加速电压200 kV.

2 结果与分析

2.1 沉淀形貌和分布

图1 合金在650℃×20 h时效处理的TEM像

Fe-20Mn-2.5Al-0.3C-1V 合金在 650℃短时间时效，由于钒含量较低，碳化物析出量少，且颗粒非常小，很难区分，随着时效时间的延长，碳化物粒子长大，粒子形状也变规则.在对650℃ ×20 h时效处理的TEM样品观察可知基体中弥散析出大量点沉淀，同时还存在一定量位错沉淀，沉淀粒子尺寸仅为5～10 nm，如图1(a)、1(b)所示.同时在局部区域观察到短小且排列规则的纤维状析出，如图1(c)，从暗场图1(d)可以清楚地看出这种纤维状沉淀沿着同一方向扩展，沉淀粒子排列十分整齐，纤维状沉淀的长度在200～500 nm.随着时效时间的延长，沉淀粒子逐渐长大，并且出现一定的偏聚现象，650℃ ×40 h时效处理后沉淀粒子尺寸达到20 nm，沉淀粒子长大速度并不是很快，如图2所示.从图2(a)中可以观察到具有一定宽度相互平行的层错沉淀且与周围纤维沉淀的长度相近，只是扩展方向不同.

图2 合金在650℃×40 h时效处理的TEM像

图3 750℃×1 h时效处理的TEM像

750℃ ×1 h时效处理后样品进行观察时也同样在局部发现细小的纤维状沉淀析出，如图3(a)所示.同时在纤维状沉淀析出处有明显的未发生沉淀的位错线(图3(b))，在14 h时效处理后由于沉淀粒子粗化，纤维状析出并不是十分明显，但同样可以观察到在笔直线上的析出，纤维状沉淀的长度达到1 000 nm.在750℃时效处理条件下同样观察到高密度层错沉淀，可观察到明显的层错条纹线，层错宽度在50～100 nm，层错之间也是相互平行，且每个层错都由单独的不全位错扩展形成，故层错也出现断续的分离状态(图4(b)).

图4 750℃×14h时效处理的TEM像

随着时效温度的提升，碳化钒析出速度加快，在800℃处理没有观察到明显的基体点沉淀，主要观察到位错沉淀、层错沉淀和具有细长纤维状的沉淀，而在高温条件下层错扩展已经达到几微米.800℃ ×0.2 h时效处理的样品中TEM观察到长度达几微米的纤维沉淀，有趣的是部分纤维状沉淀相交，夹角在60°左右，如图5(a)所示.同时，这种长达几微米的纤维沉淀，随着时效时间的延长，数量明显增多，在800℃ ×5 h时效处理后观察到高密度的细长纤维析出，如图5(b)所示.

图5 800℃不同时效处理后的TEM像

在850℃ ×0.1 h时效处理后观察到宽度为150 nm长度达几微米的层错条带，部分层错带相交，夹角在60°左右，与800℃ ×0.2 h时效样品观察到相交的纤维状析出有相似的角度，如图6(a)所示.在850℃ ×0.6 h时效处理后的TEM样品观察到大量位错沉淀中间分布着细长的层错沉淀，同时在局部区域同样观察到笔直相交的层错，夹角为60°左右，由薄区可明显看到细小的沉淀粒子在层错上有规律的线性分布(图6(b)).

图6 850℃不同时效处理后的TEM像

2.2 纤维沉淀分析

在高温和较低温下时效处理都观察到明显的纤维状沉淀，较低温下呈现短小态，高温下表现为细长规则直线分布，但这些纤维沉淀都有一个共同特点，即周围都分布着位错沉淀，位错沉淀是指在沉淀粒子在位错线上析出，由于位错线一般是弯曲状态，很少有笔直的，并且更不可能是有规则的平行直线型分布，故排除这种纤维沉淀是位错沉淀的可能，Ainsley等人［4］对Fe-Mn-V-C奥氏体钢不连续沉淀粒子析出用透射电镜分析观察时指出:碳化钒粒子的沉淀形态由边界结构决定，纤维状沉淀析出是在笔直晶界处形成，认为笔直晶界处具有低的多样性，存在高密度的重合位置点阵，有利于形成有规则的细长装纤维沉淀，但不能说明晶粒内的纤维状沉淀，这种纤维沉淀应该属于V4C3在某一晶面上择优析出.

在Fe-Mn基奥氏体钢中碳化钒沉淀粒子的析出除基体点沉淀和位错沉淀，还存在层错沉淀，同时在650℃ ×40 h时效处理的TEM像观察到具有一定宽度相互平行的层错沉淀且与周围纤维沉淀的长度相近，只是扩展方向不同，而在高温下时效处理层错沉淀和纤维沉淀都的长度都比低温下形成的长度有十分显著变长现象，似乎两者的变化处于同步状态，同时高温下相交的纤维沉淀的夹角与相交层错的夹角十分接近，都在60°左右，而层错在晶体学结构上是有一定宽度笔直的条带，层错沉淀通过Frank不全位错的不断攀移形成，在不全位错不断扩展的同时沉淀粒子即在层错上形核长大，层错上沉淀粒子的形核是与层错生长同步进行，这样使在层错条带上形成排列规则的沉淀粒子［8］.在低温条件下形成的基体点沉淀，对不全位错的阻碍作用较大，形成的层错条带则较短，在高温条件下，沉淀粒子快速在位错上形核长大，不形成弥散的基体点沉淀，位错处产生应力集中，促使全位错分解为不全位错，通过攀移形成层错，并伴随沉淀粒子不断在层错上形核、长大.在TEM下观察样品时，如果层错条带形成是垂直于样品观察平面时，则只能观察到层错条带的一个边，就会出现沉淀粒子在一条线上规则排列的现象，同时在不同时效条件下观察到的纤维沉淀和层错沉淀都是同步变化，故认为Fe-Mn基奥氏体钢中碳化钒纤维状沉淀是沿着层错线析出所观察到的一个边界.

3 结论

(1)Fe-20Mn-2.5Al-1V奥氏体钢在 650～850℃时效处理后均能观察到纤维状沉淀粒子析出，在时效温度低时纤维状沉淀粒子以短小、分散式分布，在时效温度高时则形成高密度、细长态;

(2)沉淀粒子的析出对时效温度十分敏感，恒温下沉淀粒子的长大倾向并不显著;

(3)Fe-20Mn-2.5Al-1V奥氏体钢中的纤维状沉淀成因是层错沉淀.

［1］HONEYCOMBE R，MEHL R.Transformation from austenite in alloy steels［J］.Metallurgical Transactions A，1976，7(7):915-936.

［2］LAW N C，PARSONS S A，HOWELL P R，et al.Crystallography of carbide precipitation at transformation interfaces during austenite decomposition in a low-alloy steel［J］.Materials science and technology，1987，3(8):642-648.

［3］RICKS R A，HOWELL R.The formation of discrete precipitate dispersions on mobile interphase boundaries in iron-base alloys［J］.Acta Metall，1983，31:853-861.

［4］CHEN M Y，YEN H W，YANG J R.The transition from interphase-precipitated carbides to fibrous carbides in a vanadium-containing medium-carbon steel［J］.Scripta Materialia，2013，68(11):829-832.

［5］刘成宝，陈辉，蔡晓辉.含钒低合金高强钢的沉淀析出行为［J］.山东冶金，2013，35(5):24-26.

［6］AINSLEY M，COCKS G，MILLER D.Influence of grain boundary structure on discontinuous precipitation in austenitic steel［J］.Metal Science，1979，13(1):20-24.

［7］朱乃平，张彦生，师昌绪.Fe-Mn-Al系奥氏体钢中V4C3的沉淀行为［J］.金属学报，1988，24(Suppl.Ⅱ):SA15-SA20.

［8］VAN ASWEGEN J，HONEYCOMBE R，WARRINGTON D.Precipitation on stacking faults in Cr-Ni austenitic steels［J］.acta metallurgica，1964，12(1):1-13.