固溶铌对贝氏体相转变动力学的影响

固溶铌对贝氏体相转变动力学的影响G.I.Rees①，J.Perdrix②，T.Maurickx②，H.K.D.H.Bhadeshia①①英国剑桥大学材料科学与冶金系②法国敦克尔克索拉克公司研究开发中心摘要：采用热膨胀、扫描透射电子显微镜研究了微合金化奥氏体中固溶铌对冷却过程中贝氏体相转变动力学的影响。所研究的钢为三炉实验室冶炼的不同铌含量的钢和和一种工业生产的微合金化钢。结果表明，提高铌含量延迟了贝氏体的相转变，但这种影响相当小。冷却前奥氏体中少量碳氮化铌的析出对贝氏体转变的影响要强烈得多。关键词：铌；贝氏体TheEffectofNiobiumInSolidSolutiononTheTransformationKineticsofBainiteAbstractAstudyinmadeoftheeffectofniobiuminsolidsolutioninmicroalloyedsusteniteonthekineticsoftransformationtobainiteuponcooling,usingacombinationofdilatometry,scanningandtransmissionelectronmicroscopy.Thesteelsinvestigatedarethreelaboratorymeltswithsystemticvariationsjinniobiumconcentration,andanindustrialmicroalloyedgrade.Resultsindicatethatincreasingniobiumcontentretardsthebainitetransforationbutthat,whilesignificant,thiseffectisrarthersmall.Amuchmoredramaticeffectonbainiteformationisproducedbyalloyingasmallamountofniobiumcarbo-nitrideprecipitationintheaustenitebeforecooling.Keywords:Niobium;Bainite1.前言许多作者[1-5]报道过添加铌对钢的淬透性的影响。早期的研究工作大多集中在铌对冷却过程中非本形铁素体初始形成温度的影响，并指出添加铌抑制了铁素体在奥氏体晶界的形核，从而减少了铁素体，增加了贝氏体组织。文献[5]的工作表明，提高奥氏体中固溶Nb的含页码，1/6固溶铌对贝氏体相转变动力学的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\固溶铌对贝氏体...量显著延迟了非本形铁素体的形成。但是，可观察到延迟效应的最大值，随铌含量超过一个临界值后，晶界铁素体转变动力学加速。这种情况下，作者们提出冷却过程中碳化铌的析出领先于铁素体的形成，并作为铁素体加速形核的位置。在这方面，这些结果[3]类似于硼对铁素体形成的延迟效应，即高的硼含量下，由于铁素体在硼化物质点处的优先形核，硼的阻碍效应消失。最近的工作[6]揭示了改变铌微合金化钢中碳化铌析出量对铁素体和贝氏体转变动力学的影响。最初这些影响被解释为展现了铁素体和贝氏体的形成对冷却奥氏体中固溶铌的敏感程度。特别是在碳化物溶解量与避免形成除马氏体以外组织的临界冷却速度Vc间存在很强的依赖关系。但是，如何解释这些结果，仍然有些模糊不清。因为仅考虑一种钢时，随着固溶铌含量的改变，转变前奥氏体中碳化物质点分数也相应降低。有可能的是，随着奥氏体化条件的改变，正是这些充当相转变形核质点的未溶解颗粒数目的变化控制着淬透性。在Thomas和Michal的工作中，铌固溶时先析铁素体反应的延迟被认为是所谓的溶质原子的拖曳效应，这里假定了铌在奥氏体-铁素体界面上的偏聚改变了碳从铁素体中分离的扩散系数，降低了界面前进的速率[7]。文献[3]提供了这些偏析的间接证据，他指出在奥氏体化和冷却处理的重复循环条件下，尽管奥氏体晶粒尺寸没有变化，抑制铁素体形成起始温度的作用更明显了。这意味着每个循环下铌的分布越来越不均匀。对贝氏体而言，溶质拖曳的解释不能令人满意，因为转变时置换溶质元素在界面上的偏析与交互作用机制不相容[8，9]。其他人提出的阻碍机制，如错位铌原子偏析造成晶界稳定化，似乎更合理[10]。因此有必要澄清以前获得的结果以便更好地理解影响含铌钢转变的因素。2.实验细节用表1所列出化学成分的钢进行了两个系列性试验。为研究奥氏体中不同的固溶铌含量对贝氏体转变的影响，第一个系列性实验采用了实验室冶炼的#1~#3钢，这些钢中只有铌含量存在显著的差异。这些钢采用真空感应炉冶炼，热轧成12mm×80mm的钢板,终轧温度900℃轧后再加热到910℃，空冷。第二个系列实验是研究奥氏体中碳化物的析出对贝氏体转变动力学的影响。这些实验使用了Usinor-Sacillor生产的商品钢级S355N，我们将其编号为#4钢。这个钢级的化学成分与实验室熔炼的钢相似，但铌含量较高。这四种钢的轧制制度是一致的。对第一种系列实验，采用了两种奥氏体化处理。在奥氏体化温度下所有的碳化铌应已溶解了。热循环如图1所示。然后测定以不同冷速冷却到室温时发生5%相转变的CCT曲线。采页码，2/6固溶铌对贝氏体相转变动力学的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\固溶铌对贝氏体...用不同的奥氏体化条件是为了使每种钢都具有两种不同的晶粒度。由于含铌最低钢的的碳化物溶解温度比含铌较高的钢要低，因此随着铌含量的提高，奥氏体化处理得到的晶粒尺寸要小些。另一方面，固溶铌的影响是延迟铁素体和珠光体的转变，如果含铌量最高的钢的转变动力学慢于较低铌含量的钢，那么必须证明这种影响大于由于晶粒尺寸差异造成的其他影响。这时，可以很清楚地确认相变延迟是由于固溶铌的原因。以前的工作[6]也表明，对粗大奥氏体晶粒而言，Vc对晶粒尺寸的敏感性在任何情况下都是相当低的。第二种系列试验采用了图2所示的热循环。#4钢试样在1250℃奥氏体化，然后在不同的温度保温以实现第二阶段的奥氏体化。对每一个第二阶段奥氏体化温度，任选了两种保温时间54s和460s，再以不同冷速冷却至室温。初始奥氏体温度足够高，可使初始组织中的任何碳化铌溶解，这样最终组织中任何这样的析出颗粒可归结于第二阶段保温期间的析出。这样，临界冷却速率Vc就被测定为第二阶段奥氏体化温度和保温时间的函数。使用Gleeble1500热模拟试验机检测相转变，圆柱形试样尺寸为5mm×90mm。所用热循环使试样从奥氏体化温度（1250℃）快冷至800℃，以使在较高温度所花的时间为最小。因而CCT曲线上显示试样冷却到800℃时的时间为零。采用标准技术对金相试样进行磨制和抛光。试样经2%硝酸酒精腐蚀后进行扫描电镜观察。用Bechet-Baujard试剂（苦味酸水溶液+润湿剂）在60℃腐蚀显示原始奥氏体晶界以确定晶粒尺寸，然后用一系列照片，评估单位面积上的平均晶粒数nA平均晶粒直径d与nA有以下关系[11]：d=（nA）-1/2m采用碳萃取复型研究了两阶段奥氏体化处理导致的碳化物析出量。萃取复型取自在进行奥氏体化处理后以最快速度冷却的4#试样。这些检验是在透射电镜下进行的。3.初步计算进行了初步计算以估算每种钢的Ae3平衡温度和碳化铌平衡溶解温度。利用“热力学计算”相图模拟软件包[12]和文献[13]中的溶度积关系分别进行这些计算。所用的溶度积公式考虑了锰对碳化物稳定性的影响，即：log10｛[Nb][C]｝－0.248[Mn]=1.8－6770/T式中，[Nb]，[C]和[Mn]分别为铌，碳和锰的含量（wt%），温度T为开氏温度。结果如表2所页码，3/6固溶铌对贝氏体相转变动力学的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\固溶铌对贝氏体...示。4.结果与讨论表3给出了#1~#3在每种奥氏体化处理后所测量的晶粒尺寸。这些钢在奥氏体化10s和3s后所测定的CCT曲线如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示。这些图是通过对应于5%、25%、50%和75%转变的时间-温度测量而画出平滑的曲线。用于分析热膨胀数据的方法在别处[6]已给出。为比较不同固溶铌含量的影响，图9和图10比较了这三种钢在1250℃奥氏体化分别保温3s和10s后所对应的5%相转变曲线。提高铌含量导致的组织对相转变的影响如图11-14所示。图中比较了#1和#3钢以30℃/s（分别为图11和图12）和5℃/s（分别为图13和图14）冷却的组织。图15表明了#4钢的CCT图，显示了第二阶段奥氏体化温度950℃、900℃和保温时间460s的影响。在这些温度下保温时间较短时（54s），这些曲线与直接从800℃冷却得到的曲线没有太大区别：即热循环相同，但不经过第二阶段保温。保温时间增加至460s，急剧地加速了相变。4.1晶粒尺寸和成分对转变的影响在试验误差之内，#2和#3钢的晶粒尺寸对两种热循环基本是相同的，但与1#明显不同。由于在所有情形下很明显地高于晶粒粗化温度，诸如碳化铌之类的析出物已经溶解，因此这些差异可归因于固溶铌与长大的奥氏体晶粒间的阻碍交互作用[14-16]。但是奇怪的是，#2样的晶粒尺寸比#3稍小一些。从#1~#3钢的CCT图（图3-10）可见，冷却速度较低时，每种钢的粗大晶粒试样很明显地在较低温度下开始转变，这表明较细晶粒试样的形核速率较低。但是，当接近临界冷却速度Vc时，晶粒尺寸引起的差异将变得太小以至不能准确地予以测定。作为固溶铌含量的函数，三种钢的Vc测定值没有差别。对在1250℃奥氏体化10s的试样，可观察到铌含量提高延迟相变的小趋势，即使是接近Vc亦是如此（图10）。但严格对比起来，#4钢在奥氏体/碳化铌两相区保温的影响很强，对临界冷却速率有显著影响。的确，在第页码，4/6固溶铌对贝氏体相转变动力学的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\固溶铌对贝氏体...二阶段950℃或900℃奥氏体化保温460s后，#4钢的相转变动力学要比#1钢（铌含量低）要快。因而，若假定加速机制仅仅是奥氏体中固溶铌的排除，则碳化物析出似乎加速了转变，其影响超出了预期。尽管奥氏体中固溶铌似乎不强烈影响Vc，但对组织却稍有影响。比较以30℃/s冷却的#1和#3钢试样，#1钢中贝氏体开始形核的晶界区域远比#3钢多得多。#1钢中的这种形核区域的例子如图11所示（箭头所指）。相比之下，#3钢中奥氏体晶界大致上无形核迹象（图12）。应强调的是，在这两种试样中已形成的贝氏体分数都低于5%，形核区域很少。这种影响太小以至于用热膨胀方法检测不到。通过比较图13和图14（以5℃/s冷却），也可发现非本形铁素体形成有类似趋势。在铌含量低的钢中，奥氏体晶界处存在孤立的非本形铁素体区，而这不存在于高铌含量钢的组织中。因而，第二阶段奥氏体化处理导致的相变动力学的急剧增加应归因于保温期间析出的碳化物颗粒。这种颗粒的暗场相和衍射谱如图16所示。整体上它们在组织中的数量一点也不多。衍射谱可标定为面心立方[]，晶格常数约为4.38A，接近理想化学配比NbC的晶格常数（4.41A）[17]。结合表4给出的X射线能谱分析，这种颗粒被确定为富铌的面心立方相，可能是碳化物，也可能为碳氮化合物。与微合金钢轧制时析出的细小、弥散的碳化物相比，这些碳化物颗粒较大。5.结论改变固溶铌含量对避免贝氏体形成临界冷却速度的影响似乎太小了，不能用膨胀法来测量。从组织上可观测到小的影响，但这不足以出现在热膨胀之类的宏观测量上。但是，通过提高固溶铌含量来延迟贝氏体相变是可以觉察到的，这种影响仅当冷却速度低于Vc时才变得明显。同样，提高铌含量也可以抑制非本形铁素体的形成。因而，固溶铌的影响在相变驱动力低时似乎更明显。相比之下，通过把奥氏体在冷却