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微合金化铁素体钢中相界面析出强化机制!

导读:本文研究了热机械加工Mo、Cr、V和Nb合金铁素体钢的组织和拉伸性能。微观结构由占主导的多边形铁素体(平均晶粒尺寸为4±3μm)和高密度的纳米尺寸盘状沉淀物(直径2~4nm,最厚的地方1±0.4nm)组成。V、Cr、Nb微合金化钢中出现了相界纤维碳化物。在界面析出相之间和行间的铁素体基体中可以观察到团簇的形成。并且首次研究了这类钢中纳米级间相析出物的共格和模量强化机制,其主要贡献是晶界强化和纳米级析出,分别为约280 MPa和395 MPa,团簇强化也比较明显(~150-170 MPa)。


沉淀硬化是一种有效的合金强化机制,这一机制可以提高高达150~300MPa的屈服强度。Ti,Nb,Mo,Cr和V是高强度低合金钢铁素体组织中常用的合金元素。为了达到显著的强化效果,析出物要结构完整且密度较高,这样才能有效的限制塑性加工过程中位错的运动。在铁素体中,析出相可能随意分布或是存在相行间。后者是在γ铁向α铁转变过程中,合金碳化物不断在迁移的奥氏体和铁素体界面聚集的结果。这个过程导致了特殊碳化物排列的出现,或是碳氮化物平行于γ/α界面,被称为相间析出。


虽然科学家和千亿体育登录发展人员在20世纪70、80年代已经开始关注相间析出现象,但是自21世纪初以来,人们对这一现象又重新燃起了兴趣。这源于780MPa强度的Ti、Mo高强低合金钢在日本的发展,这种钢的强度比传统的550-600MPa等级的高强低合金钢高了很多。如此高的强度是由于铁素体晶粒细化和析出强化的作用。由于它的纳米尺寸和高密度,细小粒子随机沉淀造成的强度提高相比,相间析出可以让钢的强度增量提高一倍。对于相间析出造成的析出强化而言,其很大程度上受到在一定碳化物体积分数下碳化物的层间距、颗粒间距和碳化物半径的影响。相间析出钢的进一步发展已经促成了日本公司生产出有1200MPa强度的新等级NANO钢——达到了迄今为止单相铁素体钢的最高强度。这些低碳钢不仅有高强度,而且还有其他优异的性能,如很好的弹性、可焊性和可伸缩性。


基于此,本文采用Mo、Cr、V、Nb进行微合金化,比较不同合金化组合物的效果。此外,通过利用先进的实验技术(高分辨率扫描透射电子显微镜(HRSTEM)和原子探针断层扫描(APT)),深入了解不同操作机制对强度的贡献。相关研究成果以题“Application of advanced experimental techniques to elucidate the strengthening mechanisms operating in microalloyed ferritic steels with interphase precipitation”发表在金属顶刊Acta materialia上

论文链接:http://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.014

本文设计并且对两种微合金钢进行热机械加工,得到了有相间析出的铁素体组织。尽管在热加工过程中析出的顺序是相同的,但是由于钢成分的不同,析出相的分布和特征也不同。与MoCrVNb相比,在VCrNb钢中,由于碳化物-碳氮化物形成元素的含量更高,析出的驱动力也就更强,这导致了大量在奥氏体组织和γ→α相转变过程中形成的相间析出。



图1  MoCrNbV(a,c)和VCrNb(b,d)钢微观组织的扫描电镜照片及粒子(e,f)的EDX谱图。c和d中的红色箭头分别表示e和f中获取edx光谱的粒子。SPR代表第二阶段区域。


图2  (a-b)MoCrNbV钢和VCrNb钢的明场区域透射电镜照片,显示了铁素体中的位错结构。(c)暗场(DF)透射电镜和(d) BF显微照片显示相对粗大的随机MC碳化物可能起源于奥氏体。(e)亚晶界析出物d区放大矩形区域的HADDEF-扫描投射电子显微图和相应的STEM-EDS分析图。


图3 DF (a)MoCrNbV和(b)VCrNb钢的TEM图显示了在铁素体中的相间析出。插图中显示了相应的衍射图案,并用红圈标出了用于形成每个显微图像的斑点。(c,d)STEM显微照片分别记录了(c)MoCrNbV和(d)VCrNb钢中行的排列细节。

图4  (a,c)MoCrNbV和(b,d)VCrNb钢相间析出的HAADF-STEM显微图(a,b)和(c,d)对应的浓度分布。


图5  VCrNb钢中的纤维析出:(a)BF-STEM显微照片显示了几个平行纤维。(b)STEM-HAADF显微图基体/纤维颗粒界面台阶显微照片。(c)HAADF-STEM显微图和图(a)中被选中的对应的平行纤维STEN-EDS图谱。空间轴是[011]。


HRTEM和APT数据都证实了所研究的钢中存在圆盘状的相间析出物。仅在VCrNb钢中观察到碳化物纤维,这可以解释为这种钢的过冷度比MoCrVNb钢大,因此γ→α相相变阶段更加提前。

图6  具有代表性的α/MCα 界面(a)MoCrNbV钢和(b)VCrNb钢的显微图像。在单轴拉伸变形后VCrNb钢中相间析出的(c)STEM-HAADF图和(c)中放大的矩形区域1。所有显微图都在[011]区域轴上成像。


图7 对MoCrNbV钢进行最大分离距离分析后,得到了(a)元素3d 原子探针图和(b)探针体积中无规相和界面相析出物的放大分布(V 3D原子探针图中以虚线矩形突出)。为了(b)的清晰度,去除了基质子。分析的离子总数为44,237,826。


图8对VCrNb钢进行最大分离距离分析后,得到了(a)元素3d 原子探针图和(b)探针体积中无规相和界面相析出物的放大分布。分析的离子总数为17,328,516。为了(b)的清晰度,去除了基质子。


图9  团簇和沉淀物的形态:a团簇、b团簇、c棒状颗粒和d盘状颗粒。


图10  MoCrNbV (a,c,e) 和VCrNb (b,d,f)钢中团簇和碳化物(a,b)的尺寸分布及团簇(c,d)和纳米颗粒(e,f)组成的演变。


根据确定的临界尺寸及其无序的原子排列,两种钢中的纳米颗粒中都有析出了团簇。这样就可以估算出,团簇大约可以提高150~170MPa的屈服强度。

在VCrNb钢中,这两种钢显示出良好的力学性能组合,屈服强度超过800 MPa。假设共格强化和模量强化机制首次在该钢中应用,估计纳米级析出对强度的显著贡献达到(~395- 400MPa)。

图11  估算主要由相间析出作为(a)沉淀物大小和(b)沉淀物体积分数的函数的沉淀强化

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