含稀土元素的低碳高纯钢块状相变研究

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 735100）

1 块状相变机理

块状相变主要是指钢中的成分不改变，母相通过相界扩散来的形核、长大，其形貌呈块状但是有时会呈片状或针状，不再保留原有的块状形貌。块状相变属于中温转变，介于马氏体相变和长程扩散型转变的中间型相变。相变后形成的组织没有成分变化，转变的CCT曲线与贝氏体转变的CCT曲线位置相似[1]。

块状相变通常在晶界处形核然后向其迅速生长到周围母相中，并且穿过母相的原始晶界，因而它的生长机制属于热激活。本次实验主要以含稀土元素的高纯钢，由于奥氏体稳定性被提高，过冷到中温区发生块状转变而且有时会出现孪晶[2]。主要原因是新相与母相的成分相同，原子通过热激活就跨过界面，不需要原子长程扩散就进行了界面迁移同时迁移的速度快。

2 稀土元素对钢的影响

稀土元素在很多领域被广泛应用，我国的稀土元素储量占世界的80%，目前稀土元素主要应用在钢铁行业中，提高钢的性能。以下是稀土元素在钢中所起的作用：

（1）稀土元素在钢中可以净化和降低金属材料中有害的杂质和元素。

（2）稀土元素能抑制晶粒长大使钢中珠光体量减小，铁素体增加改变了显微组织。

（3）稀土能有效的增加C、N的溶解度，降低低碳、N的活度，改变钢的临界点促进相变发生。

（4）改善合金的氧化膜结构，提高抗氧化能力防止氮脆发生。

（5）作为稀土元素能在金属中偏聚和强化晶界，如，钢中对固溶度小的Fe、Ni、Co等起到微合金作用，对Al、Ti、Mg等合金有强化作用。

纯铁中加入La会促进块状相变发生。随着稀土元素的含量增加，阻碍晶粒长大或使得晶粒在长大过程中不得不绕过夹杂物，从而细化晶粒提高力学性能[3]。在钢中稀土元素具有很高的活性能与O和S有害杂质元素生成难熔的物质。因此稀土元素的存在是能改善钢的性能和净化钢液，但是不是含有量越高越对钢性能就越好，应该根据实际情况合理加入稀土元素。

3 热处理方法

主要研究含稀土元素的高纯钢在高温状态下，经过1100℃高温后通过在冰盐水和液氮中进行淬火，分析其组织和性能。下表为实验材料的成分：

表1 试样材料的化学成

3.1 退火

将含Re和不含Re的低碳纯钢进行取样，切成20mm的退火试样分别标号a和b。依据退火工艺用铁丝进行捆绑便于拿取。将捆绑好的试样分别放入装有石英砂的坩埚里，并埋好，主要目的是防止氧化。退火工艺如下：

表2 退火工艺参数

3.2 高温淬火+高温回火

将试样用DK电火花数控线切割机床切割取2mm厚度、宽10mm、长20mm的薄样若干，高温淬火工艺如下：

表3 淬火热处理工艺表

制定高温淬火工艺时保温15min后先放进冰盐水后放入液氮中进行淬火，原因要形成块状组织的条件是在高温条件下，急速冷却，必须要求速度要快，才能形成块状组织。试样表面不能有油污、锈迹或其他脏污，否则应用清洗液把油污去除，用酸洗或喷砂将锈去除，以保证淬火后的硬度及其均匀性。试样表面不能有毛刺、划痕、磕碰，否则会产生应力集中，容易导致淬火裂纹，如果试样在淬火前已经出现裂纹不能进行淬火。

淬火后的试样分别放入电阻炉内按照回火工艺进行高温回火，其试样分别装入石英砂的坩埚内，防止氧化。其高温回火工艺如下：

表4 高温回火工艺参数

4 实验结果分析

4.1 金相组织观察与分析

4.1.1 退火组织分析

本实验将试样在升温950℃保温10min后随炉冷却到680℃保温1h，然后将试样取出进行空冷。根据图a、b可以看出，其组织是等轴铁素体，但是由于图a中加入少量的稀土元素，导致晶粒非常细小。稀土对金属的显微组织有影响，能抑制晶粒长大，使钢中珠光体量减小，铁素体增加等作用。稀土元素加入钢中，其主要作用表现在能净化钢液、夹杂物变质、微合金化等三个方面。在钢中由于稀土元素与N、S、C、O等元素有很强的亲和力形成化合物，同时与钢中的氧化物、硫化物夹杂物发生反应，形成复合夹杂，在加入稀土元素能起到净化钢液和夹杂物变质，提高钢液的纯度。通过退火工艺使铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料，改善塑性和韧性，使其化学成分均匀，去除残余应力，便于研究块状相变，因此高纯钢里面加了稀土元素能生成平衡的等轴铁素体晶粒细小。

图1 试样退火后的组织

未加稀土元素的钢存在明显的混晶现象，组织也不均匀，而加了稀土元素的高纯钢没有这种明显的现象。主要原因是高纯钢含有的杂质很少，晶界处不受钉扎作用影响，有些晶粒在高温下无束缚的生长。

4.1.2 淬火组织分析

在试验中，我们将试样在1100℃进行热处理，分别在冰盐水、液氮中进行淬火速冷。对两种材料进行对比，含稀土元素的钢得到很多晶界不规则的块状组织，不含稀土元素的钢得到的是等轴铁素体，晶界呈平滑而规则，显然没有发生块状相变。由此可见，稀土元素能促进块状相变的发生。

按照固态相变的一般规律，块状相变在形核之前也需要涨落起伏。由于在组织中新旧的成分相同，不存在浓度涨落。但是块状相变需要结构涨落和能量涨落。首先，在结构涨落中形成新相核。对于γ-α块状相变结构的涨落将会在γ相界面上产生体心架结构的区域，在体心的结构区域、能量涨落等条件满足就能发生块状铁素体的形成[4]。块状相变在晶界处形核，然后在一定能量和成分中迅速长入周围的母相中。在新相的生长过程中可以与母相具有取向关系，在淬火后的稀土高纯钢中，在相界面往往具有不规则的外形，其为铁素体组织，而且晶粒大小不等，形貌也存在差异，有的呈锯齿状、板条状、条片状，随着稀土元素的含量增加，组织中铁素体晶粒越细化，而且呈不规则块状，晶界的走向也发生变化，时而弯曲时而呈锯齿状组织。

图2 试样淬火后的组织

通过试验的分析，高纯钢中加入稀土元素后细化了铁素体晶粒，同时也促进块状相变的发生，并且随着稀土元素含量的增加，块状组织就会越明显。这也证明了固溶稀土元素具有增加过冷奥氏体稳定性。形成的不规则的块状组织，会穿过原始母相的晶界，从而说明，块状组织的生长机制是热激活，通过热激活的跳跃可以跨过界面快速生长。

块状组织相变属于中温转变，它是介于马氏体相变和长程扩散的多晶型转变的一种中间型转变，由于块状转变的CCT曲线正好位于贝氏体转变的位置[5]。由于贝氏体具有呈板条状和极细小的条片状，块状相变后也会呈现类似的形貌。在晶相图中，发现含稀土元素的钢淬火后。在块状组织上面有少量的粒状贝氏体，由于过冷奥氏体冷却到上贝氏体温度区析出了贝氏体铁素体后，扩散到奥氏体中，从而使奥氏体富碳不在转变成贝氏体，而是以长条状或粒状分布在铁素体基体上。

4.1.3 高温回火后组织分析

经淬火后的钢进行回火，由于它发生的是块状相变，所以在高温回火的过程中与马氏体相变后高温回火不同。为了防止试样在高温下被氧化在加热过程中要进行相应的处理，比如，放入石英砂中。随着回火温度升高，力学性能会发生改善。

通过高温回火后，含稀土元素的高纯钢其组织仍然保持晶界的不规则，绝大多数是块状组织，且数量比淬火的时候多。所以块状相变的高温回火和马氏体的相变的高温回火不一样有本质的区别。

4.2 透射电镜观察与分析

图3 TEM下块状组织层状晶界

利用投射电镜对含稀土元素的淬火试样进行分析，分别用不同的高倍数进行对块状组织分析，其中根据电子衍射花样知，块状组织内部是铁素体构成，在电镜照片中所指的块状组织台阶（或锯齿状）晶界。由于相变过程中，新相长大选择母相最易长大的晶向，向母相内部迅速推进。相的形核-长大依靠原子的热激活迅速完成，速率非常的快。此时界面的迁移速度大于长程扩散，从而形成台阶状。

在块状组织晶界处呈层状结构，而且是黑白相间，通过进一步分析电子衍射花样，可知，其层状中白色那条是铁素体，黑色为渗碳体，而且块状相变是在晶界处形核，然后迅速长入母相中，由于受到周围的晶粒的挤压和新相要从最易得晶向生长，最终导致块状组织的相界面是具有不规则且呈层状。

5 结论

经过本次试验后发现块状相变的主要特征以及块状组织的独特形貌，综合得到以下几方面结论：

（1）经过淬火处理，含稀土元素的试样得到了大量的块状组织，其形貌不同于等轴铁素体，具有块状组织的特性，通过进一步TEM观察分析，块状组织晶界处出现层状分布。

（2）块状铁素体必须在冷却速度极快、试样极薄的时候才能出现，并且与材料的含碳量和合金元素有关。本试验中钢选择是高纯钢，含碳量低，同时具有一定的稀土元素促进了块状组织形成，但是量不是太多，分布也比较散。