關于微合金鋼強韌化機理的新認識

嚴永江　沈光玲　李新民　李浩

[摘要]微合金鋼管生產工藝是一種類似“在線常化”的，軋管后控冷到600℃時不發(fā)生奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變，各工序不同塑性狀態(tài)中均析出一定數(shù)量明顯區(qū)別于穩(wěn)定碳氮化物粒子的亞穩(wěn)態(tài)納米尺度的“原子團簇”，終端產品在強度滿足使用要求的前提下韌性大幅度提高。文章進一步研究其對微合金元素分布狀態(tài)的影響和與碳氮化物非平衡析出行為作用的相關性，闡明亞穩(wěn)態(tài)納米“原子團簇”影響微合金元素分布調控奧氏體區(qū)微觀組織演變的強韌化新機制。

[關鍵詞]微合金鋼；強韌化機理；原子團簇

[DOI]1013939/jcnkizgsc201615053

1引言

微合金鋼以其節(jié)能、較高的強度及韌性等優(yōu)點，被國際社會公認為“環(huán)境保護材料”。大幅度提高其強度和韌性，是“新一代鋼鐵材料重大基礎研究”的主要目標之一，是我國“發(fā)展循環(huán)經濟、建設節(jié)約型社會”可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求。目前學術界普遍認同的微合金鋼管強韌化機理是“在線常化”理論，即通過控軋控冷工藝基本完成奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變，再加熱時重新奧氏體化，利用冷卻和再加熱過程中兩次相變實現(xiàn)細化組織的目的。

2前期工作

前期工作發(fā)現(xiàn)：在滿足使用要求的前提下，可大幅度提高微合金鋼管韌性的一種工藝雖類似“在線常化”，但在冷卻及再加熱過程中并未發(fā)生相變，“在線常化”理論難以解釋其良好強韌性機理。針對N80非調質油井管用鋼，重點研究了微合金元素除了細化奧氏體晶粒以外的其他作用，發(fā)現(xiàn)在軋管后至控冷到600℃相變溫度前，奧氏體基體中釩碳氮化物顆粒數(shù)量明顯增多，基體成分發(fā)生低合金化及低碳化，成分空間分布明顯均勻化，奧氏體中晶內鐵素體的形核率顯著提高，原奧氏體晶粒被分割，最終獲得了細化的鐵素體和珠光體的室溫組織。在此基礎上提出了一種微合金鋼的強韌化新觀點——奧氏體區(qū)中析出相調控奧氏體分解轉變，細化終端產品組織。

3對微合金鋼強韌化機理的新認識

在研究時發(fā)現(xiàn)：在不同工序對應的奧氏體及最終的室溫組織中，除了碳氮化物和氧化物外，還出現(xiàn)了一定數(shù)量的明顯區(qū)別于穩(wěn)定碳氮化物析出粒子的納米尺度“原子團簇”，碳氮化物與其交互作用，影響納米“原子團簇”在不同狀態(tài)的奧氏體和室溫組織中的析出質量分數(shù)。對納米“原子團簇”進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其含有鐵、碳、氧等元素，但這類納米“原子團簇”的性質不太穩(wěn)定，在空氣中較易被氧化，能譜分析出的氧元素未必是其本身所固有，這與煉鋼工藝中嚴格脫氧要求相吻合。并且因這類納米“原子團簇”顆粒太小，在進行X射線衍射實驗時存在漫反射現(xiàn)象，很難確定其結構，其形成機理及強韌化機制有待進一步深入研究。RDKMisra等研究發(fā)現(xiàn)在貝氏體型鐵素體中有滲碳體型的鐵碳化物，他們對這方面的研究極為關注，指出其形成機理和強韌化機制需要進一步深入系統(tǒng)地分析探討，但距今為止并沒有對此展開詳細研究工作。IDiete在研究高強度低碳鋼時，發(fā)現(xiàn)了含銅元素的納米“原子團簇”。YLI，DN和BSoenen在微合金鋼的微觀結構演變研究中，對納米“原子團簇”的強韌化作用存在著困惑和極大的興趣。在上海寶鋼2050熱軋廠對700N/mm2級高強度熱軋鋼卷組織性能研究中，研究人員也發(fā)現(xiàn)了納米“原子團簇”對鋼板的韌性有明顯影響。近年來在日本、韓國和國內研究獲得的“超級鋼”晶粒超細化機制以及HSLA鋼的最新研究中對納米“原子團簇”的作用給予了極大的關注和肯定。科技工作者在對高強度低碳鋼和高強度低合金鋼的研究中也發(fā)現(xiàn)了上述現(xiàn)象，再次印證了該類納米“原子團簇”的超強韌化作用，認為其在微合金鋼中的作用可能比微合金元素析出相本身的作用更大，其結構和析出規(guī)律以及作用機理有待進一步研究，這可能會促進現(xiàn)有分析手段和方法的改善。

從上述分析可知，微合金鋼中亞穩(wěn)態(tài)納米“原子團簇”對材料的顯著強韌化作用既得到了事實證明，又引起了國內外學術界極大關注，但未見有關其形成機理和強韌化機制的相關報道。

微合金鋼屬于多種相構成的復雜體系，在熱加工過程中，各相之間或固溶體中的各元素之間會發(fā)生交互作用，它們是一個有機的整體，單獨強調某一種相的作用，是不全面的，很難從本質上揭示微合金鋼的強韌化機制，所以對這類亞穩(wěn)態(tài)納米“原子團簇”作用的研究，應突破其沉淀強化和細晶強化的相強化機制范疇，從整體上探究其更深一層的作用機理。

4試驗分析

下圖為Al5Fe2合金液態(tài)、固態(tài)（300K）及國際標準中的X射線衍射圖。

Al5Fe2合金液態(tài)a、固態(tài)（300K）b和國際標準c的X射線衍射圖

該圖說明熔體中存在“中程有序”結構，即與其固態(tài)中相應的相結構具有密切關系的“原子團簇”，甚至出現(xiàn)完全類似于固態(tài)中相應相結構的“原子團簇”。這些“原子團簇”可看作是傳遞結構信息的遺傳因子。既然在液態(tài)金屬，特別是接近熔點的熔體中，存在類似于其固態(tài)的相應相結構，同時鑒于塑性成形過程中的傳質僅以擴散方式進行，那么可推測，在微合金鋼不同狀態(tài)的奧氏體基體中，必然存在類似于固態(tài)組織中析出相的“原子團簇”，這些“原子團簇”與固態(tài)組織中的析出相密切相關。

由以上分析可知，這類納米“原子團簇”可能是在淬火或塑性變形后的冷卻過程中形成的類似于ε-滲碳體的一種“中程有序”結構，對應于不同塑性狀態(tài)的微合金鋼，這些“原子團簇”的本身特性和分布狀態(tài)不同。生產工序中的碳氮化物形成元素分布狀態(tài)，與這類納米“原子團簇”的特性有很大的關系，它們將共同影響下一工序中碳氮化物的析出，并調控所對應元素的分布特性，使微合金鋼在塑性變形后的冷卻或時效過程中韌性得到大幅度提高，最終決定終端產品的組織和性能。從本質上揭示納米“原子團簇”的形成機理及其強韌化作用機制，將會對調控鋼中微合金的含量、在滿足其使用要求的前提下大幅度提高其韌性具有理論指導意義。

在上述思路的指導下，擬將微合金鋼進行多次塑性變形和再加熱，并保持其中間過程處于穩(wěn)定或亞穩(wěn)定奧氏體區(qū)，取樣后進行化學相分析、X射線小角散射分析和質量衡算，確定納米“原子團簇”的種類、化學組成與結構、質量分數(shù)或體積分數(shù)。改進固體與分子經驗電子理論（EET）建立納米“原子團簇”的相界面價電子結構計算模型，計算其相結構因子和界面結合因子。通過計算納米“原子團簇”與母相不同晶面上的電子密度差，并計算使電子密度保持連續(xù)的原子狀態(tài)組數(shù)和其他價電子結構參數(shù)，研究納米“原子團簇”的密度、位向、形貌等析出行為，探討其形成機理和析出規(guī)律。采用三維原子探針斷層分析技術，從原子尺度和電子層次上詳細分析納米“原子團簇”與碳氮化物形成元素的空間分布特性的相關性，最后歸納“原子團簇”對元素空間分布調控奧氏體相變的超強韌化新機制。

5結論

本研究提出的超強韌化新機制，不僅對熱軋微合金鋼管的組織和性能控制具有積極的意義，尤其適合于制造那些無法利用“在線常化”技術進行生產的中碳微合金非調質熱軋鋼管，還可為微合金鋼板、帶、棒材的組織和性能控制提供新思路，并可作為新的知識生長點，深入研究用傳統(tǒng)理論尚難以解釋的實驗現(xiàn)象，對微合金元素傳統(tǒng)的強韌化機理進行再認識和新理解。