含Zr低碳钢中针状铁素体等温转变行为

供稿|燕际军，石明浩，张朋彦 / YAN Ji-jun, SHI Ming-hao, ZHANG Peng-yan

作者单位：1. 本钢技术研究院，辽宁 本溪 117000；2. 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110004

针状铁素体(Acicular Ferrite，AF)在钢中特定的夹杂物上形核，尺寸细小并以大角晶界相互交错，提高了材料的力学性能，特别是冲击韧性[1-2]。这种组织最早发现和应用于低合金钢焊缝中，因为焊缝金属中丰富的夹杂物为针状铁素体转变提供了有利条件。后来人们利用针状铁素体组织来提高钢材焊接热影响区(HAZ)韧性，并成为大线能焊接钢开发的重要手段[3]。并且基于通过对非金属夹杂物的控制实现针状铁素体组织调控的理念提出氧化物冶金(Oxide Metallurgy)和夹杂物工程(Inclusion Engineering)[4-6]的概念。

近年来，已经把氧化物冶金技术应用于铸件、连铸薄带、厚板、型钢的开发中，并取得了显著进展[7-11]。与其相关的基础研究也不断扩展和深入，包括针状铁素体的转变热力学和动力学、形态学、晶体学，以及夹杂物的控制和形核机理等[12-13]。常用的对形核有效的夹杂物有TiOx、CaO、MgO、VN、CuS、MnS、尖晶石等的单相或复合夹杂物。

锆(Zr)一直以来主要用于硫化物夹杂的变质处理。随冶炼技术的发展硫化物得到精确控制，Zr变质作用的重要性降低。但，Zr氧化物促进针状铁素体形核的能力引起人们的关注，研究表明其对提高材料性能有积极作用[14-20]，对其更深入的研究非常必要。而且，对含Zr低碳钢不同温度下针状铁素体的转变行为研究较少，本文通过相变仪实验和组织观察，研究了Zr处理低碳钢不同等温条件下针状铁素体组织转变特点，提供Zr处理钢相变动力学实验基础。

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实验方法

本实验用钢在实验室真空感应炉中熔炼并真空浇铸成40 kg圆柱形钢锭。测得实验钢的化学成分(质量分数)为C 0.10%，Si 0.19%，Mn 1.50%，P 0.007%，S 0.006%，Als 0.025%，Zr 0.05%，Ti 0.015%，N 0.0039%，O 0.0016%。钢锭加热至1200℃在热轧机上进行开坯，坯料再加热至1200℃进行热轧，轧制温度范围为900~1100℃，终轧厚度为12 mm。

以轧态钢板为原料加工等温热处理实验试样，等温处理实验在Formastor-FⅡ型全自动相变仪上进行，试样标准尺寸为长10 mm、直径3 mm的圆柱，在试样一端加工凹槽焊接热电偶。实验工艺参数如图1所示，试样在真空环境下加热至1150℃，保温3 min后吹氩气，以80℃/s的速度分别冷却至700、650、600、550、500℃并恒温180 s，之后以80℃/s的速度冷却至室温，采用高精度高速膨胀仪记录试样轴向膨胀量。试样沿纵剖面切开，经机械研磨抛光，用4%硝酸酒精侵蚀显示微观组织，用光学显微(OM)和扫描电镜(SEM)观察各工艺试样的组织形貌，并对试样夹杂物成分能谱分析(EDS)。

图1 实验钢等温处理工艺示意图

结果与讨论

不同温度下的组织转变

图2 不同温度下恒温180 s的组织转变金相照片

试样中夹杂物尺寸绝大部分在0.5~3 μm范围内，由于热轧加工除个别MnS为主的夹杂物产生变形外，绝大部分夹杂物为球形或接近球形，Zr处理对夹杂物尺寸分布和形态控制作用明显。对夹杂物成分EDS分析如图3所示。夹杂物表面某点的成分为MnS、ZrO2或MnS与Zr、Al、Ti的氧化物的复合物，但其整体成分构成应更复杂。Zr的氧化物能够促进针状铁素体的形成已经被许多文献实验所证实，Zr氧化物夹杂的形核机理多认为与MnS的复合析出有关[17-20]。文献[16]指出Ti和Zr的复合氧化物促进针状铁素体形核，而单纯的ZrO2则不能形核。Zr与O的亲和力强，ZrO2熔点高密度也较大，能够大量细小地分布在钢液中而不上浮，在冷却过程中能够作为MnS(及其他夹杂物)的析出核心。MnS的析出在夹杂物周围可形成贫Mn区，提高奥氏体向铁素体的转变温度，因此能促进针状铁素体形核。虽然到目前为止夹杂物对针状铁素体的形核机理仍未完全确定，但本实验中采用Zr处理对针状铁素体转变起到了明显的促进作用。

根据图2中(c)和(h)所示，针状铁素体的形核开始温度在600~650℃之间，这与Zhang X F等人[21]利用高温显微镜进行原位观察针状铁素体高温转变的结果一致。先共析铁素体的形成温度高于针状铁素体组织，在较高温度时在奥氏体晶界处先形核长大。由图2中(d)和(i)可以看出针状铁素体转变非常迅速，可以推断其转变机制和贝氏体相似，属于切变型转变。

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夹杂物对针状铁素体的影响

图2 为不同温度下恒温180 s的金相组织。随着恒温温度的降低针状铁素体的含量增加，在500℃时，占据整个奥氏体晶粒，使得奥氏体晶界不明显。转变初期，沿着奥氏体晶界处形成大量的先共析铁素体，在晶粒内部观察到少量的晶内多边形铁素体形核，如图2中(c)和(h)所示。随着温度的降低，针状铁素体迅速形核长大，形成四周放射状的典型针状铁素体组织，如图2中(d)和(i)所示。图2中(e)和(j)为500℃的针状铁素体的转变组织，可以看出针状铁素体迅速形核长大，抑制了先共析铁素体在晶界处的形核长大，针状铁素体特殊的形状特征将奥氏体晶粒分割成较小的区域，从而起到了细化奥氏体晶粒的作用。

图3 实验钢中促进晶内铁素体形核的夹杂物能谱：(a) 600℃；(b ~ d) 500℃

结束语

(1) 本实验中针状铁素体的转变开始温度为600~650℃。针状铁素体转变非常迅速，其转变机制和贝氏体相似，属于切变型转变。先共析铁素体的形成温度高于针状铁素体组织，在较高温度时在奥氏体晶界处先形核长大。

快要走到体育馆的门口时，校长突然停下来，对爱德华说：“你去给客人们讲讲那里的陈列品吧。”校长说完冲我们意味深长地笑笑，停下脚步，跟正在做楼体保洁的工作人员闲聊起来。爱德华突然兴奋不已，他跑过去，指点着门口陈列架上的陈列品，滔滔不绝地告诉我们哪个奖杯是哪次比赛得来的，哪件球衣是哪个校友在哪场大赛中穿过的……我们问他，你怎么对这些信息掌握得这么全面准确呀？他得意地一笑说：“我是学校橄榄球队的。你们看我领带上绣的这个图案，这就是橄榄球队的标志。”

(2) Zr处理低碳钢中夹杂物多为球形，尺寸细小分布弥散，明显促进了针状铁素体转变，Zr氧化物上针状铁素体形核与MnS或其他氧化物的复合析出有关。

摄影 左文燕