304/Q235B热轧复合板界面的显微组织特征

2019-12-11叶静静张庆安张庆峰焦四海

安徽工业大学学报（自然科学版） 2019年2期

王震，叶静静，张庆安，张庆峰，焦四海

(1.安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243032；2.宝山钢铁股份有限公司研究院，上海201900）

单一金属材料由于自身性能特点的限制使其难以满足特种行业对材料特殊使用性能的要求[1-2]。不锈钢复合板是以碳钢或低合金钢为基层、不锈钢为覆层，通过轧制、爆炸等复合方式制备而成的。因覆层材料具良好的抗腐蚀性，又具基层材料低成本与良好塑韧性的优点，致使不锈钢复合板成功应用于核电、水电、压力容器、石油、化工、装饰等行业领域[3-4]。

目前生产不锈钢复合板的方法主要为热轧法，这种方法不仅效率高、成本低，还可弥补爆炸复合技术的生产缺陷[5-6]。但热轧复合板结合界面的高温氧化易导致氧化物杂质存在，从而降低了复合板的结合强度[7-8]。界面结合强度是评判复合板质量的重要指标之一，界面显微组织是影响界面力学性能的主要因素[9-10]。因此，学者们对不锈钢复合板的显微组织特征进行了研究，结果表明：不锈钢/碳钢复合板界面的组织一般为不锈钢基体、界面复合区（即过渡层）、脱碳区和碳钢基体4 个区域[11-15]。其中过渡层较薄、仅几微米，致使其透射电镜样品的制备较为困难，鲜少有学者对过渡层的组织特征进行深入研究，但过渡层的显微组织对界面力学性能影响很大。为此，笔者以304/Q235B热轧复合板界面为对象，采用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等手段研究304/Q235B复合板界面的显微组织，尤其是过渡层的显微组织特征。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验材料为304/Q235B热轧复合板，厚度为44 mm。其中：304不锈钢厚度为4 mm；Q235B碳钢厚度为40 mm。实验钢的化学成分如表1。

表1 实验钢的化学成分,w/%Tab.1 Chemical compositions of test steels,w/%

1.2 金相显微镜及扫描电镜实验

将实验用复合钢板切割成10 mm×10 mm×10 mm方块试样，分别用200#、400#、600#、800#砂纸打磨，后用酒精洗涤干净。在抛光机上机械抛光试样的横截面，直到呈镜面，并保证抛光面和其对面平行。及时用水冲洗抛光试样，用湿棉布轻轻擦拭抛光表面的残留水迹，用胶头滴管滴几滴酒精至试样表面，并用吹风机以45°角斜吹试样，去除酒精保证试样完全干燥；用直流稳压电源电解腐蚀试样，腐蚀剂为体积比1∶10的高氯酸和醋酸溶液，待试样周围冒细小气泡(约10 s)后取出；接着用手指涂抹洗涤剂擦洗试样腐蚀表面，再用清水冲洗，多次反复，直至表面无黑暗色斑块，用吹风机吹干。采用ZEISS Axiovert 40 mAT光学金相显微镜观察试样的显微组织。采用NOVA NANO SEM430扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察复合板过渡层的显微组织特征与厚度等，并对界面区域进行线扫描能谱(energy disperse spectroscopy,EDS)分析，观察合金元素在界面区域的分布。

1.3 透射电镜实验

将实验用复合钢板沿厚度方向切割成10 mm×10 mm×0.8 mm 的片状试样(包含过渡层)，分别用80#、200#、400#、600#、800#砂纸对其进行减薄，减薄至30 μm左右时，用冲片器冲片。冲片时尽量使过渡层界面在直径为3 mm的圆片中间，然后使用Gatan 691离子减薄仪对圆片试样进行定点制备薄区，减薄成功后使用FEI Tecnai G2 F20场发射透射电镜(transmission electron microscopy,TEM)对试样进行观察。

2 实验结果与讨论

2.1 界面显微组织特征

图1 304/Q235B复合板界面的金相照片Fig.1 Metallographic photographs of interface in 304/Q235B clad plate

图1为不同放大倍数下304/Q235B复合板结合界面处的金相照片。由图1可以看出：碳钢与不锈钢结合良好，微观组织中未发现未焊合的部分，也未发现明显缺陷；复合板结合界面处形成一条明显的界面过渡层；复合板界面左侧为304不锈钢基体，组织为奥氏体；界面右侧为Q235B碳钢基体，组织为铁素体+珠光体；靠近过渡层的碳钢区存在脱碳层，组织为铁素体。由此可见，304/Q235B复合板试样的显微组织由四部分组成，从左向右依次为304 不锈钢中的奥氏体组织、过渡层、靠近过渡层的Q235B 钢脱碳层（铁素体组织）和Q235B钢基体中的铁素体+珠光体组织。这与蒋君[15]报道的真空热轧复合不锈钢复合板界面组织特征整体上是一致的。

为进一步观察304/Q235B复合板界面过渡层和脱碳层的厚度，采用扫描电镜对界面组织进行分析。图2为不同放大倍数下304/Q235B复合板结合界面的扫描电子显微照片。从图2可看出：过渡层的平均厚度约5 μm，Q235B钢脱碳层的平均厚度约50 μm。但是，过渡层的组织无法辨认，这是由于界面过渡层厚度很小，且样品腐蚀过程中导致过渡层存在沟槽，扫描电镜观察时由于放电效应使得过渡层组织难以清晰观察，需采用透射电镜进一步分析。

图2 304/Q235B复合板界面扫描电子显微镜照片Fig.2 SEM photographs of interface in 304/Q235B clad plate

2.2 界面元素扩散

为进一步分析界面过渡层的组织特征，先用能谱分析仪对界面的元素分布情况进行表征，结果如图3。从图3可发现：不锈钢复合板界面附近出现了Cr、Ni、C等元素的扩散区，这是由于不锈钢侧和碳钢侧的化学成分不同，界面两边合金元素存在较高的浓度梯度，致使304/Q235B复合板热轧复合时合金元素发生扩散，形成一定厚度的扩散区；不锈钢侧Cr、Ni元素含量明显高于碳钢侧，使得不锈钢侧Cr、Ni元素在热轧过程中由不锈钢侧向碳钢侧扩散，最终Cr、Ni 元素形成明显的分布曲线。从分布曲线可看出，Cr 的扩散距离大于Ni，这是由于Cr的扩散能力强于Ni所致。合金元素在钢中的扩散系数可由菲克定律的推导公式计算得到[16]

式中：D0为频率因子（是常量）；Q 为扩散激活能；R 为气体常数；T 为实验温度。根据金属熔化潜热能的大小可得出Cr的扩散激活能大于Ni[17]。则由式(1)可知Cr的扩散系数大于Ni，由此证明Cr的扩散能力比Ni强。

图3 复合板界面能谱分析Fig.3 EDS analysis of interface in 304/Q235B clad plate

从图3(b)可看出：越靠近过渡层，碳的含量越低，故难以观察到过渡层中碳的扩散行为。由于界面碳原子的扩散距离很短，仅几微米，对远处碳浓度的影响很小，因此过渡层的碳浓度分布可由菲克第二定律及半无限长物体扩散问题求解，如下式[16]

式中：D 为碳在不锈钢中的扩散系数；x 为碳原子的扩散距离；τ 为扩散时间；w0为不锈钢侧碳的质量分数；w1为碳钢侧碳的质量分数。由此可知，界面附近的碳元素不断地从碳钢侧向不锈钢侧扩散，直到碳的质量分数降至w0为止。

2.3 过渡层的微观组织

图4 为304/Q235B 复合板过渡层的透射电镜照片。从图4(a)可看出：过渡层两侧边界在微观上呈锯齿状；过渡层厚度为5 μm左右，这与扫描电镜观察到的结果一致。由图4(b)可发现：过渡层组织主要为板条马氏体(其选区电子衍射谱如图4(c))；马氏体板条中存在大量位错和析出物。过渡层中板条马氏体的出现主要与轧制复合时Cr、Ni等合金元素的扩散有关，即合金元素和碳元素分别由不锈钢侧和碳钢侧向过渡层扩散，从而使过渡层的C曲线向右移动，降低了淬火的临界冷却速度，空冷后即可获得马氏体组织[18]。另外，轧制过程中复合界面处于高应力状态，塑性变形为其提供了机械驱动力，使得马氏体转变点升高[19-20]。因此在冷却过程中更易得到马氏体组织，同时使马氏体板条上存在高密度的位错。为进一步分析马氏体板条中的析出物，进一步提高电镜的放大倍数，图5为304/Q235B复合板过渡层中马氏体板条上析出的碳化物。

图4 复合板过渡层的透射电镜照片Fig.4 TEM photographs of transition layer in 304/Q235B clad plate

图5 304/Q235B复合板过渡层中马氏体板条上析出的碳化物Fig.5 Carbides precipitated in the martensite lath of transition layer in 304/Q235B clad plate

从图5(a)，(b)可观察到，析出物呈针状并位于马氏体板条内部，长度约100 nm，直径约10 nm，其中细小析出物分布具一定的规律，沿特定的位相平行分布。分析图5(c)，(d)可发现，马氏体板条中的针状析出物为M3C型碳化物，这是由于冷却过程中发生了马氏体自回火现象[21-22]。正是由于过渡层化学成分变化和显微组织特征使得过渡层的硬度明显高于两侧基体硬度，如图6所示。