Nb微合金钢中析出相演变过程研究

陈 剑 李余飞 赵永桥 刘 昭 熊辉辉 张恒华

（省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072）

Nb微合金钢中析出相演变过程研究

陈 剑 李余飞 赵永桥 刘 昭 熊辉辉 张恒华

（省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072）

为了探索保温时间对析出过程碳化物团簇组织演变的影响，利用电阻加热法将试样加热至1 200℃，固溶10 min后淬火，然后在700℃保温不同时间，并利用3DAP、XRD和电阻率等手段对其进行研究。试验结果表明，随着保温时间的延长，组织中铁素体含量逐渐增加，而电阻率、点阵常数a，c和c／a轴比均出现了明显的减小；保温30 min左右时，电阻率值最低，且试样中C、Nb原子较淬火态出现了明显的偏聚团簇现象，c／a轴比趋于1，说明此时NbC碳化物析出比较充分。

保温时间 Nb微合金钢 析出相 演变

固溶淬火态Nb微合金钢在回火保温的过程中，随着保温时间的延长，碳化物会不断地析出，弥散分布于基体表面，阻碍位错运动，对强化性能起到非常重要的作用［1-4］。

然而，对于碳化物的团簇形成机制及演变过程研究较少，借助于三维原子探针技术（3DAP）的发展，国内外也进行相关的研究。Wilde等［5］用3DAP研究了3种含碳不同的低碳钢样品中的Cottrell气团，将样品加热到1 000～1 100℃淬火，在室温时效以获得碳原子在位错及界面上的偏聚。刘文庆等［6］利用3DAP研究了固溶淬火态不同的回火时间和回火温度下碳化物偏聚团簇的变化情况，探索其析出长大规律。此外，借助XRD测试可知随着碳化物从基体中不断的析出，点阵常数a、c会发生不断的变化，保温析出的过程中，试样的电阻率同样会随着碳化物的析出发生一定的变化［7-9］。Park JS等研究了Nb等微合金元素的固溶析出过程对电阻率的变化影响。

本文结合XRD衍射光谱测试以及直流四电极测电阻法，运用三维原子探针（3DAP）研究电阻加热固溶淬火态试样在700℃保温不同时间对试样组织形貌、碳化物分布、点阵常数、电阻率和硬度的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验方案

本试验材料为某钢厂提供的铸态微合金钢F40，其化学成分如表1所示。

为了考查保温时间对Nb微合金钢F40析出相演变的影响，试验先将钢样用电阻加热法加热至1 200℃，固溶10 min后立即淬火，然后在700℃回火，保温一定时间（0、5、15、30、60 min）后水冷，并对所得试样进行测试分析。

表1 F40试验用钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of tested steel F40（mass fraction） %

1.2 测试方法

（1）显微组织测试分析：割取2 mm×2 mm×3 mm金相试样镶嵌后，打磨抛光，用4%硝酸酒精腐蚀后，使用光学显微镜（尼康LV150）观察其显微组织。

（2）三维原子探针（3DAP）分析：取淬火态及保温30 min试样，切割成尺寸0.5 mm×0.5 mm×15 mm，采用两步电解抛光方法得到试验所需要的针尖状试样，并对其进行分析。

（3）XRD分析：采用XRD分析仪对不同保温时间的试样进行物相分析，采用日本理学公司D＼max-2200 X射线衍射仪进行XRD测试，最大额定输出为18 kW，测试尺寸为10 mm×10mm×3mm。

（4）电阻率测试：取5种不同保温时间的试样进行电阻率测试，切割试样尺寸为3 mm×3 mm×50 mm，通过测试电阻换算成电阻率，其换算公式为：ρ＝RS／L（ρ为电阻率，S为横截面积，R为电阻，L为导线的长度）。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织分析

图1为固溶淬火试样在700℃保温不同时间后的显微组织。图1（a）为淬火态试样组织，具有典型板条束组成的马氏体组织形貌。图1（b）、1（c）、1（d）和（e）分别表示保温5、15、30、60 min试样的显微组织，可以看出，随着保温时间的延长，铁素体的体积分数逐渐增加，组织形貌均具有类似的铁素体和回火马氏体的双相形貌。保温过程中，组织中位错线消失，形成了铁素体；部分马氏体中位错重排成二维网络，形成分割状亚晶界，保持板条形状。

2.2 三维原子探针（3DAP）分析

图2为三维原子探针（3DAP）分析得到的C和Nb元素在三维空间的分布图。其中淬火态试样的测试空间范围为59 nm×58 nm×183 nm，700℃保温30 min态的测试空间范围为20 nm×20 nm×280 nm。可知，在淬火态试样中，Nb原子难以扩散迁移，因此分布比较均匀，只有C原子出现比较轻微的偏聚甚至没有偏聚，这是由于C原子半径较小，低温下也可以短距离扩散形成偏聚。且用MSEM也没有检测到任何析出颗粒，说明淬火态试样中并不存在任何碳化物析出相。

然而在700℃保温30 min态试样中，可以发现比较明显的C、Nb偏聚区。这是由于保温30 min，C、Nb原子扩散充分，形成了大量的NbC颗粒析出相。

用MSEM表征这些碳化物时，在20 nm×20 nm×280 nm区域内共检测到43个NbC聚集的粒子，数量密度大致为4×1023个／m3，与文献［11］描述的基本一致，说明700℃保温30 min后NbC碳化物可以充分析出。

2.3 XRD衍射光谱分析

图1 试样在700℃保温不同时间的显微组织Fig.1 Microstructures of the samples after holding at700℃for different times

图2 700℃不同保温时间各原子析出过程的团簇分布Fig.2 Clusters distribution in the precipitation process for each atom under differentholding times

图3 试样在1 200℃下的固溶淬火态马氏体衍射峰图Fig.3 Diffraction peaks map of sample with solid solution quenched martensite at1 200℃

图3为试样在1 200℃固溶淬火态马氏体晶面位置。由图可知，（110）、（200）、（211）和（220）晶面均为马氏体晶面，对应的衍射角2θ分别为45.114°、65.259°、82.578°和99.007°。由于衍射峰变化较小，为了获得更加准确的结果，选取（220）晶面进行小角度范围的XRD扫描分析（扫描范围97°～102°，扫描速度0.5（°）／min）。图4为（220）晶面衍射峰的变化曲线。可以看出，随着保温时间的延长，衍射峰会向右即大角度方向偏移一定的角度，当保温30 min后，其偏移角度趋于缓和。主要原因在于，700℃保温前期，C、Nb等元素以碳化物的形式从马氏体基体中不断析出，使得晶格畸变减小，衍射角的角度向大角度方向发生一定的偏移。当保温时间大于30min时，基体中的C、Nb等元素已经得到了比较充分的析出，变化趋于平缓。然而由于低碳钢中碳含量偏低，在XRD图谱上并不能出现明显的双峰结构。试验结合双峰分离模型［7-9］，通过分峰迭代计算出低碳钢淬火态的马氏体结构的a、c值及c／a比值如表3所示，对应曲线如图5所示。结合表3和图5可以看出，随着保温时间的延长，点阵常数a、c的值均呈现下降的趋势，然而点阵常数a的变化幅度较小，当保温时间逐渐延长时，点阵常数c值逐渐趋于a值，C、Nb原子对点阵常数的影响消失。主要原因在于随着保温时间的增加，碳化物析出使得基体中的C、Nb固溶度降低，使得畸变降低，从a／c比值可以看出，当保温时间超过30 min后，a／c逐渐趋向1。因此可以通过观察a、c值的变化来大致分析保温时间对碳化物析出过程演变的影响。

图4 （220）晶面衍射峰变化曲线Fig.4 （220）crystal plane diffraction peak curve

表3 不同保温时间条件下晶格常数值Table 3 Lattice constant value under different heat preservation time

图5 点阵常数a、c和c／a比随保温时间的变化图Fig.5 Influence of heat preservation time on lattice constant a，c and c／a ratio

2.4 电阻率及硬度分析

图6为保温时间对电阻率和硬度的影响。试样电阻率随着保温时间的延长而下降，但在30 min处出现上升趋势。这是由于在保温前期，Nb、C原子以NbC形式不断团聚与析出，使得基体中溶质原子含量显著下降；引起电阻率明显降低；另一方面，NbC相会导致电阻率的小幅上升，两方面的共同作用使得电阻率下降。但在30 min左右时析出基本完成，电阻率达到最低，随着碳化物的长大，碳化物与基体的关系从完全共格变成半共格直至最后的完全非共格，产生了很大畸变，又使得电阻率上升。

图6 保温时间对电阻率和硬度变化的影响Fig.6 Influence of heat preservation time on the resistivity and hardness

由图6（b）可知，固溶淬火态试样硬度值较高。因为淬火得到了板条马氏体组织，在保温过程中，板条马氏体分解为铁素体和珠光体，因而硬度值下降。随着保温时间的延长，硬度值先上升后下降。这是由于在保温初期，碳化物起到了析出强化作用而使硬度呈现上升的趋势，保温30 min左右时其硬度值达到最大值。但在保温后期，碳化物长大粗化导致硬度值降低。

3 结论

对于一种Nb微合金钢F40，试样加热至1 200℃，固溶10 min后淬火，然后在700℃保温不同时间的试验得到：

（1）淬火态试样中C、Nb分布均匀，未出现明显的C、Nb团簇，但在700℃保温30 min试样中C、Nb原子形成了明显的细小团簇，数量较多。

（2）随着保温时间的延长，点阵常数a和c均出现明显的降低，轴向比c／a也同时减小，且700℃保温30 min时，c／a比值趋于1，电阻率减至最低，说明保温30 min时析出相对充分。

（3）试样在1 200℃固溶10 min后淬火得到的组织形貌为板条马氏体，随着保温时间的延长，马氏体逐渐分解成铁素体和珠光体，铁素体含量逐渐增加。保温30 min时，由于碳化物析出强化导致二次硬化，硬度值上升。

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［11］刘庆冬，刘文庆，彭剑超.回火时间对铌钒微合金钢中析出物的影响［J］.材料热处理学报，2008，29（4）：118-122.

收修改稿日期：2015-09-08

Research on the Evolution Process of Precipitated Phase in Nb-m icroalloyed Steel

Chen Jian Li Yufei Zhao Yongqiao Liu Zhao Xiong Huihui Zhang Henghua
（State Key Laboratory of Advanced Special Steel＆Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy＆School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China）

In order to explore the influence of heat preservation time on the evolution of clusters during carbide precipitation process，the sample was heated to 1 200℃by means of resistance heatingmethod，dissolved for 10 min，and then quenched.Finally，its temperature was controlled at about 700℃for different times，and it was investigated by 3DAP，XRD，resistivity method and so on.The experiment results showed that the content of ferrite increased gradually with the extension of heat preservation time，however，the lattice constants，including a，c and c／a ratio，were reduced significantly.The resistivity value became the lowest after 30 min soaking，and there was an obvious cluster segregation for the C，Nb atoms in the sample compared to as-quenched one.At the same time，c／a ratio tended to 1，which illustrated that the NbCwas fully precipitated at this time.

heat preservation time，Nb-microalloyed steel，precipitated phase，evolution

陈剑，男，主要从事微合金钢控轧控冷及析出相研究，Email：chdccj＠shu.edu.cn

张恒华，教授，博导，己发表论文150多篇，Email：hhzhang＠shu.edu.cn