奥氏体化温度对Ti–Zr处理钢中针状铁素体转变的影响_姚浩.pdf

奥氏体化温度对 TiZr 处理钢中针状铁素体转变的影响姚浩1)，刘承军1)，张立峰2)1)东北大学冶金学院，沈阳1108192)北方工业大学机械与材料工程学院，北京100144通信作者，刘承军,E-mail:;张立峰，E-mail:摘要Ti、Zr 的复合氧化物可以有效诱导针状铁素体形核，从而细化晶粒.为了研究 TiZr 处理钢中针状铁素体转变机理，使用 25kg 真空感应炉中熔炼试验所需钢种，向低合金钢中添加了质量分数为 0.038%钛和 0.008%锆.利用高温激光共聚焦显微镜原位观察了奥氏体化温度对针状铁素体转变行为的变化，使用扫描电镜观察了 TiZr 处理钢种的夹杂物成分和针状铁素体在夹杂物表面形核，使用光学显微镜观察不同奥氏体化温度下的微观组织变化差异.结果表明，随着奥氏体化温度从1250 增加至 1400，奥氏体晶粒尺寸从 125.6m增加至 279.8m，针状铁素体开始转变温度和侧板条铁素体开始转变温度先增加，在 1350 条件下达到最大值，后又降低，针状铁素体的体积分数由 39.6%增加至 83.6%；TiZr 处理钢中核心为ZrTiO，外部为 AlTiZrO 的氧化物为核心表面析出 MnS 的复合氧化物主要集中在 1.53m，可以有效促进针状铁素体形核，贫 Mn 区和夹杂物与铁素体之间的良好晶格关系为该型夹杂物能够促进针状铁素体形核机理.奥氏体晶粒尺寸的增加导致多边形铁素形核位点的减少和针状铁素体的形核空间的增加，钛锆复合处理形成大量的有效诱发针状铁素体形核的夹杂物，这共同导致了针状铁素体体积分数增加.关键词TiZr 处理钢；奥氏体晶粒尺寸；针状铁素体；原位观察；转变温度；夹杂物分类号TG142.1EffectofaustenitegrainsizeontheacicularferritetransformationinTiZrtreatedsteelYAO Hao1)，LIU Cheng-jun1)，ZHANG Li-feng2)1)SchoolofMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China2)SchoolofMechanicalandMaterialsEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,ChinaCorrespondingauthor,LIUCheng-jun,E-mail:;ZHANGLi-feng,E-mail:ABSTRACTThecompositeoxidesofTiandZrcaneffectivelyinduceacicularferritenucleationandrefineaustenitegrainsize.Tostudy the transformation mechanism of acicular ferrite in Ti Zr treated steel,the mass fraction of 0.038%titanium and 0.008%zirconiumwereaddedtolowalloysteelbymeltingina25kgvacuuminductionfurnace.Theeffectofaustenitizingtemperatureonacicularferritetransformationbehaviorwasobservedin-situusingahigh-temperaturelaserconfocalmicroscope:thesampleswereheatedto1250,1300,1350,and1400ataheatingrateof5s1andthencooledto400atacoolingrateof3s1afterholdingfor300s.Theferritetransformationbehaviorofsamplesduringtheaboveprocesswasobservedusingahigh-temperatureconfocalmicroscope.The inclusion composition of Ti Zr treated steel and the nucleation of acicular ferrite on the inclusion surface wereobservedusingascanningelectronmicroscope.Thevariationinmicrostructureatdifferentaustenitizingtemperatureswasobservedusinganopticalmicroscope.Theaustenitegrainsizewasfoundtoincreasefrom125.6to279.8mwithincreasingaustenitizingtemperaturefrom1250to1400.Theinitialtransformationtemperatureofacicularferriteandside-plateferriteincreased,reachedamaximumat1350,andthendecreased.Thevolumefractionofacicularferriteincreasedfrom39.6%to83.6%.InTiZrtreatedsteel,thesizeofcomplexinclusionwithZrTiOincoreandAlTiZrOinexteriorandMnSprecipitatedonthesurfacewasmainly收稿日期:20220503基金项目:河北省省级科技计划（20311004D,20591001D）工程科学学报，第45卷，第6期：907914，2023年6月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.6:907914,June2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.03.003;http:/concentratedin13m.Itcouldeffectivelypromoteacicularferritenucleation.TheMn-poorregionandthegoodlatticerelationshipbetweencomplexinclusionsandferritewerethemechanismsbywhichthetypeofinclusionsinthesteelcouldpromoteacicularferritenucleation.Usingclassicalnucleationtheory,thenucleationpotentialofacicularferriteunderdifferentconditionswascalculated.Theresultsshowedthatwhentheaustenitizingtemperaturewas1300,thenucleationpotentialofacicularferritewasthestrongest,reaching191.7mm2.Thecalculationresultswereconsistentwiththevariatedlawofacicularferritevolumefraction.Anincreaseinaustenitegrainsizeledtoadecreaseinpolygonalferritenucleationsites,anincreaseinacicularferritenucleationspace,andtheformationofmanyinclusionsthateffectivelyinducednucleationofacicularferritetreatedbytitaniumandzirconium,whichincreasedtheacicularferritevolumefraction.KEYWORDSTiZrtreatedsteel；austenitegrainsize；acicularferrite；in-situobservation；transformationtemperature；inclusions低合金高强钢是一种利用尽可能少的合金元素获得的综合力学性能尽可能良好的钢种，低合金高强钢被广泛应用在海上货运和石油运输领域.目前，虽然大线能量焊接技术的开发利用也拓展了低合金高强钢的应用范围，但同时降低了低合金高强钢热影响区的韧性1.众所周知，钢中非金属夹杂物是钢中不可避免的产物，一直是生产洁净钢需要解决的难题2；而钢中非金属夹杂物诱导针状铁素体形核可以有效提高热影响区的韧性1，解决大线能量焊接技术存在的问题.因而对于低合金高强钢而言，有效控制和利用钢中非金属夹杂物，促进针状铁素体非均质形核是一种两全其美的方法.可有效促进针状铁素体形核的稳定氧化物体系主要分为 Ti 的氧化物3，Mg 的氧化物4，Zr 的氧化物5和它们之间的复合氧化物68.对于不同的氧化物体系，可促进针状铁素体形核的机理也被广泛研究，比如 Ti 的氧化物表面形成贫 Mn 区诱导针状铁素体在夹杂物表面形核3,9；MgO 与铁素体之间的错配度较低诱导针状铁素体形核10；ZrO2表面析出 MnS 形成贫 Mn 区也与铁素体存在良好的晶格匹配11.大量研究者通过复合处理增加诱导针状铁素体形核的能力，提高钢的低温韧性.Lou 等12研究 TiMg 复合脱氧对针状铁素体转变的影响，结果表明复合脱氧试样中存在大量细小夹杂颗粒诱导形成了大量针状铁素体.Pu 等11研究 TiZr 复合处理对针状铁素体转变的影响.此外，研究者发现影响针状铁素体转变的主要因素除了形成均匀弥散的氧化物还有外界的热处理条件13和不同冷却速率14.Song等15观察不同冷却速率下的针状铁素体组织转变行为，结果表明冷却速率越大，针状铁素体体积奥氏体化温度对针状铁素体转变影响复杂1618.Zhang 等19通过高温共聚焦显微镜研究了 Ti 含量分别为 130106和 240106时奥氏体晶粒尺寸对针状铁素体转变的影响，结果表明奥氏体晶粒尺寸越大，越有利于针状铁素体转变.但是针对奥氏体晶粒尺寸对针状铁素体转变行为均为定性研究，对于奥氏体晶粒尺寸对针状铁素体转变的影响的定量化研究还不完善.Ti 和 Zr 复合处理钢已有研究工作中冷却速率对针状铁素体转变的影响14，发现了铁素体转变温度与针状铁素体体积分数存在一定联系，因此可以通过研究奥氏体晶粒尺寸对铁素体转变温度的影响来定量研究奥氏体晶粒尺寸与 Ti和 Zr 复合处理钢的针状铁素体转变之间的关系.本文通过高温共聚焦显微镜原位观察不同奥氏体化温度下的针状铁素体转变过程，结合经典形核理论公式研究和量化了不同奥氏体晶粒尺寸对针状铁素体转变温度及体积分数的影响.1实验材料与研究方法TiZr 处理低合金钢是利用 25kg 真空感应炉在高纯氩气氛围下熔炼而成，具体成分（质量分数）为Fe0.1C0.38Si1.77Mn0.0055P0.0033S0.003Al0.038Ti0.008Zr.从铸锭中心处取出一部分钢样并加工成 8mm4mm 的小圆饼，并将样品表面用砂纸打磨和机械抛光后在酒精中超声清洗 3min.样品取出吹干后放置在 Al2O3坩埚内，再将坩埚整体放入高温共聚焦显微镜热电偶中心处.高温共聚焦显微镜样品仓被两次抽真空后再向其充入高纯氩气，然后以 5s1的升温速率分别加热至 1250、1300、1350 和 1400，保温 300s 后以 3s1的速率冷却至 400，最后自然冷却至室温并拿出样品.实验过程如图 1 所示.利用高温共聚焦显微镜的原位成像功能观测冷却过程中的铁素体转变.冷