薩漢德科技大學(xué)最新發(fā)現(xiàn)：Fe-9Ni低溫鋼中新型球狀貝氏體組織！！
2021-12-18 來源：GS-Metals
Fe-9Ni鋼廣泛應(yīng)用于低溫部件中，例如液化氣儲(chǔ)罐，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘蜏叵戮哂懈邚?qiáng)度和優(yōu)異的斷裂韌性，以及良好的可焊性。常規(guī)9Ni鋼中的C含量低于0.1%，在淬火和回火條件下，其微觀結(jié)構(gòu)由回火板條馬氏體和逆轉(zhuǎn)變奧氏體組成。球狀貝氏體是指鐵素體和碳化物的混合物，其中碳化物成行析出，是由于其在鐵素體生長著的臺(tái)階的相界析出而形成的。在Fe-3.28Ni-0.12C合金中，550°C奧氏體等溫分解的過程及機(jī)制已經(jīng)被充分研究了。然而，在Fe-9Ni低溫鋼中還未見報(bào)道過球狀貝氏體組織。因此，在Fe-9Ni低溫鋼中是否會(huì)形成類似組織，以及該組織結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響是指導(dǎo)Fe-9Ni低溫鋼發(fā)展的新途徑。
近日，薩漢德科技大學(xué)的S. Hossein Hedjad（通訊作者）及其研究團(tuán)隊(duì)在Fe-9Ni鋼中添加了0.06 wt.%的C，并通過在550°C和500°C下等溫分解奧氏體24 h后，形成了一種新的顯微組織，即球狀貝氏體，并研究了其對(duì)合金性能的影響。相關(guān)成果以“Formation of nodular bainite in an Fe-9.10Ni-0.06C (wt.%) alloy: A new microstructure for cryogenic steels”為題發(fā)表在期刊Scripta Materialia。
在超高純度Ar氣氛中制備的鋼錠首先在1200°C均勻化24h，然后爐冷。隨后將鋼錠冷軋至厚度的75%。接著將鋼板進(jìn)行第二次均勻化處理24h，然后爐冷。切取2 mm × 5 mm × 5 mm的樣品進(jìn)行以下熱處理：1100℃中性鹽浴中奧氏體化1h，然后立即在550℃和500℃的其他中性鹽浴中淬火，等溫浸泡24h，然后水淬。采用OM、SEM、TEM、EDS等對(duì)樣品進(jìn)行顯微組織分析，采用LECO® Vickers顯微硬度計(jì)測(cè)試樣品硬度，使用Thermo-Calc®計(jì)算偽二元Fe-9Ni-C平衡相圖。
試樣在550°C和500°C下保溫24h的OM和SEM顯微照片如圖1所示。這些顯微組織由先共析鐵素體和球狀貝氏體（含有滲碳體沉淀的鐵素體晶粒）以及低體積分?jǐn)?shù)的馬氏體/奧氏體（M/A）和夾雜物組成。夾雜物最有可能是鈦的氧化物，它是在用Ti對(duì)熔體進(jìn)行脫氧過程中形成的。如圖1a和c所示，在奧氏體分解的早期階段，先共析鐵素體形成在原始奧氏體晶界或晶內(nèi)夾雜物處。夾雜物為奧氏體中的鐵素體提供了有利的晶內(nèi)形核位點(diǎn)，由此促進(jìn)了微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化。
圖1 鋼在550°C（a和b）和500°C（c和d）保溫24h的微觀結(jié)構(gòu)OM（a和c）和SEM（b和d）顯微照片。主要特征包括鐵素體（α）、球狀貝氏體（NB）、馬氏體/奧氏體（M/A）、夾雜物（I）、不規(guī)則晶界（R）和超壁壘（S）
先共析鐵素體晶界的不規(guī)則性，在圖1a、c和d中用“R”表示，是由大量相變形成的鐵素體所具備的特征。根據(jù)計(jì)算所得的偽二元Fe-9Ni-C平衡相圖（圖 2），本工作Fe-9Ni-0.06C合金在轉(zhuǎn)變溫度下（T< 830 K）的平衡組織由鐵素體-滲碳體-奧氏體混合物組成。在Fe-Ni-C合金中，中間溫度下的奧氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在準(zhǔn)平衡（PE）或可忽略分配的局部平衡（NPLE）條件下，其中C在鐵素體和奧氏體之間完全重新分配，但Ni在界面處沒有分配或分配程度有限。因此，C分配在轉(zhuǎn)變過程中穩(wěn)定了奧氏體，并在隨后的冷卻后保留了M/A成分。Ni是一種非碳化物形成元素，通過溶質(zhì)拖曳效應(yīng)延緩鐵素體生長。在本合金中形成先共析鐵素體之后，根據(jù)Fe-Ni-C相圖，奧氏體將在PE/NPLE條件下轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體-滲碳體混合物，即球狀貝氏體。
圖2 計(jì)算出的偽二元Fe-9Ni-C平衡相圖
比較圖1b和d，發(fā)現(xiàn)在500°C轉(zhuǎn)變的樣品中的滲碳體沉淀比在550°C轉(zhuǎn)變的樣品中的要小。這是由于較高的過冷度導(dǎo)致前者中滲碳體析出的驅(qū)動(dòng)力較高，導(dǎo)致具有較高數(shù)量密度的較小沉淀物成核。此外，500°C下的粗化動(dòng)力學(xué)低于550°C下的，在500°C下轉(zhuǎn)變24h后保留了較小尺寸的滲碳體。此外，樣品中球狀貝氏體的顯微組織在550°C下轉(zhuǎn)變24h（圖1a和b）清楚地表明滲碳體沉淀物已在鐵素體基體內(nèi)以平行陣列排列。眾所周知，這些陣列是鐵素體生長邊緣滲碳體析出的結(jié)果。
在550°C下轉(zhuǎn)變24h的樣品中的球狀貝氏體的明場(chǎng)TEM圖像，以及從滲碳體析出物的EDS光譜分別顯示在3a和b中。滲碳體的組成與(Fe,Cr,Ni,Mn)3C一致（圖3b），這揭示了通過增強(qiáng)界面邊界擴(kuò)散將Cr分配到滲碳體中。值得注意的是，Cr是一種碳化物形成元素，少量的Cr添加會(huì)影響Fe-Ni-C合金在PE/NPLE條件下的奧氏體轉(zhuǎn)變。
圖3 （a）鋼中球狀貝氏體在550°C下轉(zhuǎn)變24h的明場(chǎng)TEM顯微組織；（b）滲碳體沉淀物的EDS光譜
圖4a和b顯示了在兩個(gè)相鄰區(qū)域和傾斜條件下從球狀貝氏體中提取的SADP圖像。SADP由強(qiáng)反射和弱反射組成；強(qiáng)反射與鐵素體基體的[011]區(qū)軸一致，圖4a和b中的弱反射分別與Pbnm空間群滲碳體的[100]和[101]區(qū)軸一致, 其中a = 0.4525 nm, b = 0.5090 nm和c = 0.6744 nm。圖4c表明鐵素體和滲碳體之間的OR與Bagaryatskii OR一致：[011]α // [100]θ，(-1-11)α // (010)θ和(2-11) α // (001)θ。同時(shí)，圖4d與Isaichev OR一致：[-11-1]α//[010]θ和(-101)α//(-103)θ。
圖4 球狀貝氏體（a和b）的SADP和相應(yīng)鐵素體和滲碳體（c和d）在550°C轉(zhuǎn)變24h后的疊加立體投影
現(xiàn)有球狀貝氏體的顯微組織特征與相界析出相一致，在向富碳奧氏體推進(jìn)的鐵素體棱臺(tái)的階地上發(fā)生連續(xù)的滲碳體相界析出。與在550°C形成的Fe-3.28Ni-0.12C鋼中球狀貝氏體的顯微組織相比，現(xiàn)有球狀貝氏體中滲碳體的體積分?jǐn)?shù)較低，這可能是由于碳含量較低的緣故。550℃和500℃相變?cè)嚇又邢裙参鲨F素體和球狀貝氏體的顯微硬度值如表1所示。球狀貝氏體顯微硬度值高于先共析鐵素體是由于滲碳體析出物的彌散硬化作用。在彌散硬化合金中，析出物尺寸的減小會(huì)增加硬度和屈服強(qiáng)度；因此，500°C相變樣品中球狀貝氏體的顯微硬度高于 550°C相變樣品中的顯微硬度，這是由于前者中滲碳體析出物的尺寸較小（圖 1）。 球狀貝氏體的顯微硬度值與在低碳Fe-9Ni鋼中形成的回火馬氏體組織的顯微硬度值相當(dāng)，并且促使進(jìn)一步研究檢查球狀貝氏體對(duì)機(jī)械性能，尤其是對(duì)Fe-9Ni鋼低溫韌性的影響。
表1 先共析鐵素體和球狀貝氏體的顯微硬度
綜上所述，該鋼在550和500°C轉(zhuǎn)變后的顯微組織由先共析鐵素體、球狀貝氏體、M/A和的夾雜物組成。先共析鐵素體主要由原奧氏體晶界或晶內(nèi)夾雜物的轉(zhuǎn)變形成，而球狀貝氏體的鐵素體基體由邊緣機(jī)制形成。滲碳體成分為 (Fe,Cr,Ni,Mn)3C，表明界面處有Cr分配，在鐵素體基體和球狀貝氏體滲碳體沉淀之間觀察到Bagaryatskii和Isaichev ORs。Fe-9Ni低溫鋼中具備優(yōu)異力學(xué)性能的球狀貝氏體組織為拓展其應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的途徑。
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