高錳鋼微觀偏析行為研究

莊昌凌，程 鋁，楊光凱

（貴州大學，貴州 貴陽 550025）

高錳鋼中的TWIP鋼具有優異的綜合力學性能被人們視作理想的汽車材料[1，2]。但是高錳TWIP鋼高錳、高鋁的成分設計卻很容易在凝固過程產生質量問題[3]，其中凝固過程產生的偏析問題尤其引人關注。高錳TWIP鋼的偏析不僅會導致性能不均勻性突出，表面質量變差，而且可能引起晶界脆化，增加裂紋發生的概率。高錳TWIP鋼的偏析問題可以從宏觀與微觀的角度來研究，考慮到高錳TWIP鋼微觀偏析相關研究不多，本文主要針對高錳TWIP鋼微觀偏析行為開展研究，主要通過實驗室冶煉高錳TWIP鋼鑄錠，切樣制樣后用光學顯微鏡觀察，并采用電子探針進行點、線、面分析，從而得到元素的微觀偏析情況，弄清高錳TWIP鋼中元素的微觀偏析行為，為減輕偏析造成的危害提供理論借鑒。

1 高錳鋼中的偏析現象

高錳TWIP鋼是以高錳、高鋁為特征的成分設計體系，錳含量高達16%以上，鋁含量也大于0.5%，雖然這種成分設計讓該新鋼種具有優異的綜合力學性能，但是卻很容易在凝固過程產生偏析問題。這種偏析現象產生的原因是溶質在固液兩相中的不均勻分配，導致凝固前期與凝固后期的鋼液某元素的濃度不同，從而導致一定范圍的成分不均勻性。高錳TWIP鋼的偏析現象對產品質量有較大影響，不僅體現在力學性能差異上，有文獻表明錳偏析會造成軋制過程的黑帶現象，使產品表面質量變差，而且偏析現象會造成溶質元素聚集產生晶界析出，使產品的質量受到影響。

為了弄清高錳TWIP鋼中元素的微觀偏析行為，以便采取合適的措施改善產品質量，采用中頻感應爐冶煉了3爐不同成分的TWIP鋼鑄錠，鑄錠的化學成分如下圖所示。

表1 高錳TWIP鋼化學成分，wt%

2 高錳鋼中元素的微觀偏析行為

2.1 光學顯微鏡觀察

三爐高錳TWIP鋼鑄錠經過切樣、制金相樣、磨樣拋光后，采用20%濃度的硝酸酒精浸蝕后，在光學顯微鏡下可以清晰地觀察到枝晶形貌。

上圖1是光學顯微鏡下觀察到的枝晶形貌，圖1（a）（b）是鑄錠中心區域樣品的枝晶形貌，圖1（c）（d）是位于鑄錠邊部的枝晶形貌。從圖1（a）和圖1（b）中可以看出，位于鑄錠中心區域的樣品等軸晶明顯，偶爾觀察到樹枝晶；而圖1（c）和圖1（d）可見明顯的樹枝晶，枝晶比較粗大，能夠清晰看到二次枝晶。從光學顯微鏡觀察結果看，樣品A、樣品B和樣品C在鑄錠邊部同一位置取樣表現出類似的規律，即發現較多的粗大樹枝晶，等軸晶則較為少見。同時發現樣品A、樣品B和樣品C隨著錳含量降低，枝晶大小呈現變小的趨勢，二次枝晶間距也要小一些。因為枝晶間距越大，產生的微觀偏析會更嚴重；反之，枝晶間距越小，枝晶越密集，偏析會有所減輕。故在高錳鋼的生產中，增加錳元素的含量，會造成枝晶粗大，枝晶間距變大，更容易出現偏析現象。

圖1 光學顯微鏡觀察枝晶形貌

2.2 電子探針分析

圖2是電子探針點分析結果，分析結果表明，Mn元素在6、7點位置上質量分數最大，AI元素6、7點位置上質量分數最低，錳元素和鋁元素呈現出相反的偏析規律，不僅在一次枝晶在錳元素和鋁元素偏析規律相反，而且在二次枝晶上兩種元素的偏析規律也相反，表明了錳元素和鋁元素的溶質分配系數有較大的差異性；而且，通過點分析可以得知元素的濃度，由此可知，樣品B中一次枝晶中Mn和AI的最大偏析程度分別是7.995%和0.728%，二次枝晶中Mn和AI的最大偏析量為5.527%和0.527%，錳元素的偏析要比鋁元素嚴重。

圖2 電子探針點分析結果

為了探究Mn、Al、Fe元素在特定區域內的分布情況，利用電子探針對圖3指定區域進行面掃描。圖中元素的含量以不同顏色來表示，顏色指示條以漸變色的形式對應不同顏色下元素的含量，元素質量分數從左到右依次增加。從圖中可以看出，Fe元素濃度分布相對而言比較均勻，在晶界處濃度相對偏低。Al元素偏析程度較輕，這與點掃描的結果一致，Al元素在二次枝晶位置上含量比較密集，Mn元素在區域內偏析程度較為嚴重，枝晶內部元素濃度較低，在枝晶間與枝晶邊界元素濃度高，這與Al元素的偏析情況剛好相反。

圖3 電子探針面掃描結果

經過以上分析表明，高錳TWIP鋼中元素的微觀偏析現象明顯，特別是錳元素的偏析造成錳元素分布的不均勻現象，容易在晶界處聚集，而且還容易給后續軋制環節造成表面缺陷，導致較為嚴重的質量問題。

3 產生原因與改善措施

微觀偏析表現為微觀區域上元素濃度高低不均勻現象，而產生原因與溶質再分配規律有關。微觀偏析是合金凝固過程產生，在凝固過程中液相逐步轉變成固相，溶質受限于擴散速度的原因，很容易產生擴散不充分、不完全的現象，不容易形成平衡結晶，所以先結晶和后結晶的元素濃度不一致。對于溶質分配系數小于1的合金，先凝固部分的溶質濃度低，后凝固部分溶質濃度高，而對于溶質分配系數大于1的合金，剛好相反。這種微觀區域內的元素成分不均勻性就是微觀偏析。如果凝固過程中，在液相中形核后以樹枝晶的形式生長，枝干與二次枝晶也會存在成分差異，這種情況也被稱為枝晶偏析。從偏析的產生原因來看，由于實際生產過程中不太可能做到平衡凝固，所以微觀偏析的出現是不可避免的，但是可以通過一些方法改善這一狀況。

減輕微觀偏析的措施有：（1）細化晶粒能減輕微觀偏析的程度，所以提高冷卻速度和加入孕育劑這類有細化晶粒作用的措施都可以減輕偏析。（2）控制特定夾雜物的生成也有減輕對應元素偏析的效果，該偏析元素是夾雜物的組成元素，生成夾雜物可以減少該元素的區域濃度。（3）合適的擠壓鑄造工藝和擴散退火能減輕微觀偏析程度。

4 結論

（1）研究結果表明，高錳TWIP鋼隨著錳元素含量的增加，枝晶會變得粗大，二次枝晶間距也有變大的趨勢，鋼中錳含量的增加會加重元素偏析的程度。

（2）無論是一次枝晶還是二次枝晶，高錳TWIP鋼中的錳元素和鋁元素呈現出相反的偏析規律，表明了錳元素和鋁元素的溶質分配系數有較大的差異性。而且分析發現錳元素的偏析要比鋁元素嚴重。

（3）微觀偏析是不平衡結晶的結果，通過采用提高冷卻速度、加入孕育劑這類有細化晶粒作用的措施，或者控制特定夾雜物的生成以及擴散退火能夠減輕微觀偏析程度。