工程科学学报，第37卷，第2期：180-184,2015年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.2:180-184,February 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.02.007:http://journals.ustb.edu.cn 冷却速度对L脱氧钢中晶内铁素体形成的影响 李红科23》，宋波2)四，王利勇2)，胡春林12》，毛璟红 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)中钢集团吉林机电设备有限公司，吉林1320214)北京科技大学材料学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:songho(@metall..ustb.cdu.cn 摘要采用光学显微镜、带能谱的扫描电子显微镜等分析技术观察了不同冷速下L脱氧钢的显微组织，并绘制了静态连 续冷却转变图.实验结果发现，在4~10℃·s的冷速范围内，钢中会有大量晶内铁素体形成，其中在8℃·s冷却时可以获 得大量细小且弥散分布的晶内针状铁素体.La脱氧钢中含La夹杂物与cFe相有较低错配度，其中La202S夹杂物与Fe相 的晶格错配度最小为0.2%，钢中含L夹杂物均可诱导晶内针状铁素体形核并可促进感生形核，进而细化组织 关键词低合金钢：镧：冷却速度：铁素体：显微组织 分类号TG142.13 Effect of cooling rate on intragranular ferrite formation in La deoxidized steel LI Hong-hc2.》,S0NGBo2,WANG Li与ong2,HU Chun--in.,MA0 Jing-hong” 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Sino-steel Jilin Electro-mechanical Equipment Co.,Ltd.Jilin 132021,China 4)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:songbo@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The microstructures of La deoxidized steels obtained at different cooling rates were investigated by optical microscopy and scanning electron microscopy coupled to an energy dispersive X-ray spectrometer.The continuous cooling transformation diagram of the tested steel was also drawn in this paper.It is found that in the cooling rate range of 4 to 10Cs,intragranular ferrite can form in the steel.While at the cooling rate of 8Cs,the microstructure mainly consists of fine and dispersed intragranular acicular ferrite (IAF).The lattice disregistry between lanthanum-containing inclusions and a-Fe is small;especially,this value of LaOS is 0.2%. These kinds of inclusions can induce IAF nucleation and sympathetic nucleation,and also make grains refined. KEY WORDS low alloy steels:lanthanum:cooling rate:ferrite;microstructure 我国有极其丰富的稀土矿物资源，是世界稀土资 有效诱导晶内铁素体形核析出，改善钢的组织和性能 源储量和产量第一的稀土大国.稀土元素在钢中具有 氧化物治金技术目前仍需探索新的具有奥氏体晶粒钉 很强的脱氧和脱硫功能，可有效起到净化钢液、微合金 扎和诱导晶内铁素体形核双重效果的颗粒切.La作 化、变质夹杂物等作用，能显著提高钢的各项性能四. 为稀土元素中最活泼的一员，其各种性能与铈元素相 氧化物治金2-四是利用钢中细小非金属夹杂物诱导晶 近，但目前国内外对La氧化物治金研究甚少. 内铁素体形核(intragranular ferrite,IGF)细化晶粒，提 晶内铁素体的形核与形核夹杂物的类型、尺寸、形 高钢的强度和韧性的新技术.文彬等4-a对稀土Ce 状及奥氏体晶粒大小、冷却速率等因素均有密切关系， 氧化物治金进行了研究，发现钢中含Ce复合夹杂可以 一些文献中研究了利于晶内铁素体形成的冷却速度， 收稿日期：2013-10-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274269)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-SD42010A)
工程科学学报，第 37 卷，第 2 期: 180--184，2015 年 2 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 2: 180--184，February 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 02． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 冷却速度对 La 脱氧钢中晶内铁素体形成的影响 李红科1，2，3) ，宋 波1，2) ，王利勇1，2) ，胡春林1，2) ，毛璟红4) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 中钢集团吉林机电设备有限公司，吉林 132021 4) 北京科技大学材料学与工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: songbo@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 采用光学显微镜、带能谱的扫描电子显微镜等分析技术观察了不同冷速下 La 脱氧钢的显微组织，并绘制了静态连 续冷却转变图． 实验结果发现，在 4 ～ 10 ℃·s － 1的冷速范围内，钢中会有大量晶内铁素体形成，其中在 8 ℃·s － 1冷却时可以获 得大量细小且弥散分布的晶内针状铁素体． La 脱氧钢中含 La 夹杂物与 α-Fe 相有较低错配度，其中 La2O2 S 夹杂物与 α-Fe 相 的晶格错配度最小为 0. 2% ，钢中含 La 夹杂物均可诱导晶内针状铁素体形核并可促进感生形核，进而细化组织． 关键词 低合金钢; 镧; 冷却速度; 铁素体; 显微组织 分类号 TG142. 1 + 3 Effect of cooling rate on intragranular ferrite formation in La deoxidized steel LI Hong-ke1，2，3) ，SONG Bo1，2) ，WANG Li-yong1，2) ，HU Chun-lin1，2) ，MAO Jing-hong4) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Sino-steel Jilin Electro-mechanical Equipment Co． ，Ltd． ，Jilin 132021，China 4) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: songbo@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The microstructures of La deoxidized steels obtained at different cooling rates were investigated by optical microscopy and scanning electron microscopy coupled to an energy dispersive X-ray spectrometer． The continuous cooling transformation diagram of the tested steel was also drawn in this paper． It is found that in the cooling rate range of 4 to 10 ℃·s － 1，intragranular ferrite can form in the steel． While at the cooling rate of 8 ℃·s － 1，the microstructure mainly consists of fine and dispersed intragranular acicular ferrite ( IAF) ． The lattice disregistry between lanthanum-containing inclusions and α-Fe is small; especially，this value of La2O2 S is 0. 2% ． These kinds of inclusions can induce IAF nucleation and sympathetic nucleation，and also make grains refined． KEY WOＲDS low alloy steels; lanthanum; cooling rate; ferrite; microstructure 收稿日期: 2013--10--08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274269) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF-SD-12-010A) 我国有极其丰富的稀土矿物资源，是世界稀土资 源储量和产量第一的稀土大国． 稀土元素在钢中具有 很强的脱氧和脱硫功能，可有效起到净化钢液、微合金 化、变质夹杂物等作用，能显著提高钢的各项性能［1］． 氧化物冶金［2 － 3］是利用钢中细小非金属夹杂物诱导晶 内铁素体形核( intragranular ferrite，IGF) 细化晶粒，提 高钢的强度和韧性的新技术． 文彬等［4 － 6］ 对稀土 Ce 氧化物冶金进行了研究，发现钢中含 Ce 复合夹杂可以 有效诱导晶内铁素体形核析出，改善钢的组织和性能． 氧化物冶金技术目前仍需探索新的具有奥氏体晶粒钉 扎和诱导晶内铁素体形核双重效果的颗粒［7］． La 作 为稀土元素中最活泼的一员，其各种性能与铈元素相 近，但目前国内外对 La 氧化物冶金研究甚少． 晶内铁素体的形核与形核夹杂物的类型、尺寸、形 状及奥氏体晶粒大小、冷却速率等因素均有密切关系． 一些文献中研究了利于晶内铁素体形成的冷却速度
李红科等：冷却速度对L脱氧钢中晶内铁素体形成的影响 181 但对于不同成分的钢，所得的合适冷却速度存在差异. 体尺寸减小，沿晶界呈网状分布，此外组织中存在少量 Shim等阅在低碳钢中以8℃·s的冷却速度获得了富 魏氏体和混晶组织，如图1(c)所示.冷速为10℃·s 含针状铁素体的组织：杨占兵等回在含T非调质钢 时，组织中晶内铁素体含量明显减少，晶界铁素体含量 中，在0.5~2.5℃·s冷速范围内，会有晶内铁素体析 增加，且组织中存在少量混晶组织，如图1()所示. 出：尚德礼等@对T脱氧钢研究表明，在500~800℃ 冷速为15℃·s时，晶内铁素体进一步减少，贝氏体 之间，以8~15℃·s速度冷却时，钢中会有大量针状 开始增加，如图1(e)所示.冷速为30℃·s时，随着 铁素体组织的形成 冷速的增加铁素体基本消失，钢组织主要由大量羽毛 16Mn钢具有较高的强度、良好的低温韧性及焊接 状贝氏体及少量托氏体组成，如图1()所示 性能，是低合金钢中使用最广泛的钢种之一·但是，通 2试样在4~10℃·s冷速下组织如图2所示 常这类钢的组织为铁素体一珠光体组织，如果能够采 可明显看到，在相同冷速下1试样晶内铁素体含量均 用氧化物治金技术将最终组织转变为针状铁素体组 高于2试样，且2试样各冷速组织中晶粒粗大，均含 织，将大大提高16Mn钢的强韧性及可焊性.本文研究 有大量的魏氏体组织.魏氏组织是一种先共析转变组 了La处理16Mn钢中冷却速度对晶内铁素体形成的 织，在连续冷却时，只有在一定冷却速度下才能形成 影响，以得到最佳冷却速度范围，为镧氧化物治金在钢 虽然一般认为其存在对钢的抗拉强度影响不大，但却 中的应用提供依据 能明显降低钢的韧性.而La脱氧钢中含La复合夹杂 实验方案 物可诱导晶内铁素体形核，在冷却过程高温时可增加 铁素体的形核位置促进晶内铁素体形成，细化奥氏体 实验用钢在真空感应炉内冶炼，以16Mn钢为原 晶粒抑制魏氏体组织形成 料，加澜处理后浇注成6kg钢锭.具体成分如表1所 通过对比相同冷速下1和2"试样组织可知，1试 示，其中1试样为加镧脱氧钢试样，测得钢中镧的质 样组织中魏氏体组织明显减少，且在合适冷速下有大 量分数为0.013%：2试样为空白试样.钢锭经1200℃ 量晶内铁素体形核析出，随着冷却速度的逐渐增大，试 开锻、900℃终锻，锻造成中18mm圆棒，然后空冷.为 样组织中晶内铁素体的含量呈现先增加后减少的变化 了研究试样在不同冷速连续冷却过程中的组织转变， 规律，这是由于在不同冷速下过冷奥氏体的相变温度 并进一步确定晶内铁素体析出的合适冷却条件，将试 发生变化所致.由此可知，对于La脱氧钢如果想获得 样加工成d4mm×10mm,用DL805A淬火变形膨胀仪 大量晶内铁素体组织，需要严格控制冷却速度，从本实 测定试样的连续冷却转变图.本实验的试样均以10 验可得最佳冷速范围为4~10℃·s,且在8℃·s冷 ℃·s的速度加热到1200℃后保温300s,然后按不同 速时晶内铁素体的体积分数最大 的冷速将试样冷却至室温.实验所选择的10个不同 2.2 钢的连续冷却组织转变分析 的冷速分别为1、2、4、6、8、10、12、15、20和30℃·s1 根据实验所得膨胀曲线利用切线法找到各相变 从分析试样的1/2处切开，经镶嵌、预磨和抛光后，用 点，再结合不同冷速下的金相显微组织及其各组织的 4%硝酸乙醇溶液进行侵蚀，并在金相显微镜及扫描电 显微硬度，绘制得到实验钢的连续冷却转变图，如图3 镜下观察其显微组织形貌 所示.从图中可以明显看出，铁素体的开始转变温度 表1实验钢化学成分（质量分数） 总趋势是随着冷速增加逐渐降低的，快速冷却使奥氏 Table 1 Chemical composition of the tested steels % 体向铁素体转变开始温度降低，这就显著提高了铁素 试样C Si Mn P S La Al T.O 体的形核率，同时温度降低又可限制晶界的运动能力， 10.170.351.350.0310.0310.013<0.0050.0042 降低其长大速率，最终细化铁素体晶粒.在冷却速度 20.170.371.350.0310.031 <0.0050.0081 较小时，钢的显微组织由晶界铁素体、块状铁素体和珠 光体组成；冷速较高时，由于产生过高过冷度，组织中 出现贝氏体：当在中等冷速范围4~10℃·s之间，有 2 实验结果与讨论 大量晶内铁素体析出.这是因为当冷速合适时，过冷 2.1金相组织分析 奥氏体相变在较低的温度下进行，而相变温度区间增 1“试样在不同冷速下获得的显微组织如图1所 大四，这有利于晶内铁素体在原奥氏体晶内直接形核 示.从图中可以看到，当冷速为1℃·s时，钢的显微 或在原奥氏体晶内的有益夹杂物上形核 组织主要是块状铁素体和珠光体组织，如图1(a)所 2.3含La夹杂物诱导晶内铁素体形核 示.冷速为4℃·s时，组织主要由先共析铁素体+魏 将1钢8℃·s冷速下的试样，经4%硝酸乙醇侵 氏组织铁素体+托氏体的整合组织及少量晶内铁素体 蚀后，在光学显微镜下观察L脱氧后夹杂物诱导晶内 组成，如图1(b)所示.冷速为8℃·s时，组织主要为 铁素体形核的情况，如图4所示.可以看出，在La脱 大量晶内针状铁素体，块状铁素体基本消失，晶界铁素 氧试样中存在许多由夹杂物诱导形核呈放射状分布的
李红科等: 冷却速度对 La 脱氧钢中晶内铁素体形成的影响 但对于不同成分的钢，所得的合适冷却速度存在差异． Shim 等［8］在低碳钢中以 8 ℃·s － 1的冷却速度获得了富 含针状铁素体的组织; 杨占兵等［9］ 在含 Ti 非调质钢 中，在0. 5 ～ 2. 5 ℃·s － 1冷速范围内，会有晶内铁素体析 出; 尚德礼等［10］对 Ti 脱氧钢研究表明，在 500 ～ 800 ℃ 之间，以 8 ～ 15 ℃·s － 1速度冷却时，钢中会有大量针状 铁素体组织的形成． 16Mn 钢具有较高的强度、良好的低温韧性及焊接 性能，是低合金钢中使用最广泛的钢种之一． 但是，通 常这类钢的组织为铁素体--珠光体组织，如果能够采 用氧化物冶金技术将最终组织转变为针状铁素体组 织，将大大提高 16Mn 钢的强韧性及可焊性． 本文研究 了 La 处理 16Mn 钢中冷却速度对晶内铁素体形成的 影响，以得到最佳冷却速度范围，为镧氧化物冶金在钢 中的应用提供依据． 1 实验方案 实验用钢在真空感应炉内冶炼，以 16Mn 钢为原 料，加镧处理后浇注成 6 kg 钢锭． 具体成分如表 1 所 示，其中 1# 试样为加镧脱氧钢试样，测得钢中镧的质 量分数为0. 013% ; 2# 试样为空白试样． 钢锭经1200 ℃ 开锻、900 ℃终锻，锻造成 18 mm 圆棒，然后空冷． 为 了研究试样在不同冷速连续冷却过程中的组织转变， 并进一步确定晶内铁素体析出的合适冷却条件，将试 样加工成 4 mm × 10 mm，用 DIL805A 淬火变形膨胀仪 测定试样的连续冷却转变图． 本实验的试样均以 10 ℃·s － 1的速度加热到 1200 ℃后保温 300 s，然后按不同 的冷速将试样冷却至室温． 实验所选择的 10 个不同 的冷速分别为 1、2、4、6、8、10、12、15、20 和 30 ℃·s － 1 ． 从分析试样的 1 /2 处切开，经镶嵌、预磨和抛光后，用 4% 硝酸乙醇溶液进行侵蚀，并在金相显微镜及扫描电 镜下观察其显微组织形貌． 表 1 实验钢化学成分 ( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the tested steels % 试样 C Si Mn P S La Al T． O 1# 0. 17 0. 35 1. 35 0. 031 0. 031 0. 013 ＜ 0. 005 0. 0042 2# 0. 17 0. 37 1. 35 0. 031 0. 031 — ＜ 0. 005 0. 0081 2 实验结果与讨论 2. 1 金相组织分析 1# 试样在不同冷速下获得的显微组织如图 1 所 示． 从图中可以看到，当冷速为 1 ℃·s － 1时，钢的显微 组织主要是块状铁素体和珠光体组织，如图 1 ( a) 所 示． 冷速为 4 ℃·s － 1时，组织主要由先共析铁素体 + 魏 氏组织铁素体 + 托氏体的整合组织及少量晶内铁素体 组成，如图 1( b) 所示． 冷速为 8 ℃·s － 1时，组织主要为 大量晶内针状铁素体，块状铁素体基本消失，晶界铁素 体尺寸减小，沿晶界呈网状分布，此外组织中存在少量 魏氏体和混晶组织，如图 1( c) 所示． 冷速为 10 ℃·s － 1 时，组织中晶内铁素体含量明显减少，晶界铁素体含量 增加，且组织中存在少量混晶组织，如图 1 ( d) 所示． 冷速为 15 ℃·s － 1时，晶内铁素体进一步减少，贝氏体 开始增加，如图 1( e) 所示． 冷速为 30 ℃·s － 1时，随着 冷速的增加铁素体基本消失，钢组织主要由大量羽毛 状贝氏体及少量托氏体组成，如图 1( f) 所示． 2# 试样在 4 ～ 10 ℃·s － 1 冷速下组织如图 2 所示． 可明显看到，在相同冷速下 1# 试样晶内铁素体含量均 高于 2# 试样，且 2# 试样各冷速组织中晶粒粗大，均含 有大量的魏氏体组织． 魏氏组织是一种先共析转变组 织，在连续冷却时，只有在一定冷却速度下才能形成． 虽然一般认为其存在对钢的抗拉强度影响不大，但却 能明显降低钢的韧性． 而 La 脱氧钢中含 La 复合夹杂 物可诱导晶内铁素体形核，在冷却过程高温时可增加 铁素体的形核位置促进晶内铁素体形成，细化奥氏体 晶粒抑制魏氏体组织形成． 通过对比相同冷速下 1# 和 2# 试样组织可知，1# 试 样组织中魏氏体组织明显减少，且在合适冷速下有大 量晶内铁素体形核析出，随着冷却速度的逐渐增大，试 样组织中晶内铁素体的含量呈现先增加后减少的变化 规律，这是由于在不同冷速下过冷奥氏体的相变温度 发生变化所致． 由此可知，对于 La 脱氧钢如果想获得 大量晶内铁素体组织，需要严格控制冷却速度，从本实 验可得最佳冷速范围为 4 ～ 10 ℃·s － 1，且在 8 ℃·s － 1冷 速时晶内铁素体的体积分数最大． 2. 2 钢的连续冷却组织转变分析 根据实验所得膨胀曲线利用切线法找到各相变 点，再结合不同冷速下的金相显微组织及其各组织的 显微硬度，绘制得到实验钢的连续冷却转变图，如图 3 所示． 从图中可以明显看出，铁素体的开始转变温度 总趋势是随着冷速增加逐渐降低的，快速冷却使奥氏 体向铁素体转变开始温度降低，这就显著提高了铁素 体的形核率，同时温度降低又可限制晶界的运动能力， 降低其长大速率，最终细化铁素体晶粒． 在冷却速度 较小时，钢的显微组织由晶界铁素体、块状铁素体和珠 光体组成; 冷速较高时，由于产生过高过冷度，组织中 出现贝氏体; 当在中等冷速范围 4 ～ 10 ℃·s － 1之间，有 大量晶内铁素体析出． 这是因为当冷速合适时，过冷 奥氏体相变在较低的温度下进行，而相变温度区间增 大［11］，这有利于晶内铁素体在原奥氏体晶内直接形核 或在原奥氏体晶内的有益夹杂物上形核． 2. 3 含 La 夹杂物诱导晶内铁素体形核 将 1# 钢 8 ℃·s － 1冷速下的试样，经 4% 硝酸乙醇侵 蚀后，在光学显微镜下观察 La 脱氧后夹杂物诱导晶内 铁素体形核的情况，如图 4 所示． 可以看出，在 La 脱 氧试样中存在许多由夹杂物诱导形核呈放射状分布的 · 181 ·
·182 工程科学学报，第37卷，第2期 50 之黎50m 图11*试样在不同冷速下的组织形貌.(a)1℃sl:(b)4℃s1:(c)8℃s1:(d)10℃s1:(e)15℃s1:(030℃s1 Fig.1 Microstructures of Sample1'at different cooling rates:(a)1℃s-l:(b)4℃sl:(c)8℃s-l:(d)10℃s-l:(e)15℃s-l:(0 30℃s1 晶内针状铁素体组织.并可看到在针状铁素体片条间 体系下的形核夹杂物应为Al,O,/SiO,外包La,O,S及MS 又长出了新的针状铁素体，即针状铁素体的感生形核 复合夹杂物，其尺寸多在1~3m之间. 现象四，余圣甫等认为圆晶内铁素体的感生形核是 现关于非金属夹杂物诱发晶内铁素体形核机理的 由于一次晶内铁素体在夹杂物上形核后有较高的界面 研究报道主要有如下几种：(1)应力一应变能机理：(2) 能及高密度的位错，具有高的应力一应变能，促进了二 惰性界面能机理：(3)贫Mn区机理：(4)最小错配度 次晶内铁素体形核长大.由于一次针状铁素体和感生 机理.尽管以上四种机理都可以解释某些晶内铁素体 形核二次铁素体均在原奥氏体晶内形核和长大，可使 的形核现象，但是它们之间存在彼此矛盾的地方.本 组织进一步得到细化 文根据Bramfitt针对不同晶格类型的物质间的匹配 通过带能谱的扫描电子显微镜对夹杂物大小和组 所提出的二维错配度计算模型，计算了在1185K(y→ 成对晶内铁素体形核的影响进行研究，结果如图5所 a转变开始温度)时钢中含La夹杂物与αFe相的晶 示.从能谱图可看到形核夹杂的成分包含La-S-O- 格错配度，计算公式如下式，计算结果如表2所示 A1-Si等元素.国内外许多对于诱发晶内铁素体形核的夹 I(dima:cosf）-dd:l 杂物的研究表明：可诱导晶内铁素体形核的多是复相形 d [ond 式.根据热力学计算及能谱成分分析可知，在本实验 3 -×100%.(1)
工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 图 1 1# 试样在不同冷速下的组织形貌． ( a) 1 ℃·s － 1 ; ( b) 4 ℃·s － 1 ; ( c) 8 ℃·s － 1 ; ( d) 10 ℃·s － 1 ; ( e) 15 ℃·s － 1 ; ( f) 30 ℃·s － 1 Fig． 1 Microstructures of Sample 1# at different cooling rates: ( a) 1 ℃·s － 1 ; ( b) 4 ℃·s － 1 ; ( c) 8 ℃·s － 1 ; ( d) 10 ℃·s － 1 ; ( e) 15 ℃·s － 1 ; ( f) 30 ℃·s － 1 晶内针状铁素体组织． 并可看到在针状铁素体片条间 又长出了新的针状铁素体，即针状铁素体的感生形核 现象［12］． 余圣甫等认为［13］晶内铁素体的感生形核是 由于一次晶内铁素体在夹杂物上形核后有较高的界面 能及高密度的位错，具有高的应力--应变能，促进了二 次晶内铁素体形核长大． 由于一次针状铁素体和感生 形核二次铁素体均在原奥氏体晶内形核和长大，可使 组织进一步得到细化． 通过带能谱的扫描电子显微镜对夹杂物大小和组 成对晶内铁素体形核的影响进行研究，结果如图 5 所 示． 从能谱图可看到形核夹杂的成分包含 La--S--O-- Al--Si 等元素． 国内外许多对于诱发晶内铁素体形核的夹 杂物的研究表明: 可诱导晶内铁素体形核的多是复相形 式［14］． 根据热力学计算及能谱成分分析可知，在本实验 体系下的形核夹杂物应为 Al2O3 / SiO2外包 La2O2 S 及 MnS 复合夹杂物，其尺寸多在1 ～ 3 μm 之间． 现关于非金属夹杂物诱发晶内铁素体形核机理的 研究报道主要有如下几种: ( 1) 应力--应变能机理; ( 2) 惰性界面能机理; ( 3) 贫 Mn 区机理; ( 4) 最小错配度 机理． 尽管以上四种机理都可以解释某些晶内铁素体 的形核现象，但是它们之间存在彼此矛盾的地方． 本 文根据 Bramfitt［15］针对不同晶格类型的物质间的匹配 所提出的二维错配度计算模型，计算了在 1185 K ( γ→ α 转变开始温度) 时钢中含 La 夹杂物与 α-Fe 相的晶 格错配度，计算公式如下式，计算结果如表 2 所示． δ ( hkl) s ( hkl) n = ∑ 3 i = 1 | ( d［uvw］i s cos θ) － d［uvw］i n | d［uvw］i n 3 × 100% ． ( 1) · 281 ·
李红科等：冷却速度对L脱氧钢中晶内铁素体形成的影响 ·183 b 50 Hm 图22*试样在不同冷速下的组织形貌.(a)4℃s1:(b)8℃·s1:(c)10℃·s1 Fig.2 Microstructures of Sample2 at different cooling rates:(a)4℃sl:(b)8℃·s-l:(c)l0℃s-l 1200 1000 800 PF+GBF 600 400 Ms 200 9 10 10 10 10 时间s 图4La脱氧钢中夹杂物诱导晶内铁素体形核 GBF一品界铁素体：PF一板条铁素体：P一珠光体：B一贝氏体 Fig.4 Inclusions as intragranular ferrite nucleation sites in La deoxi- M一马氏体转变开始 dation steel 图31样钢的连续冷却转变图 Fig.3 Continuous cooling transformation diagram of Sample 1* 表2含La夹杂物与afFe相在1185K时的品格错配度 Table 2 Lattice disregistry between lanthanum-containing inclusions 式中，(hkl),为基底的一个低指数晶面，u],为晶 and a-Fe at 1185K 面(hl),上的一个低指数方向，(h)。为形核相的一 夹杂物晶格结构品格常数/nma/aa 错配度/% 个低指数晶面，uw]。为晶面(hk)。上的一个低指数 LaAlO: 立方 0.3807 1.328 6.09 方向，dad为沿uw],方向的原子间距，d.为沿 La202S 立方 0.4062 1.417 0.2 a].方向的原子间距，0为o],与nw]。的夹角. La203 六方 0.3943 1.416 2.8 从上可知，La脱氧钢中存在大量细小弥散分布的 La:S4 立方 0.8819 3.077 2.6 含La复合夹杂物，通过控制合适冷速可以作为晶内铁 LazS3 立方 0.8616 3.006 0.2 素体的形核核心，诱导晶内铁素体形核，形核夹杂物尺 LaS 立方 0.5848 2.040 2.0 寸多在1~3m之间.此外，晶内部分针状铁素体可 注：a为品格常数
李红科等: 冷却速度对 La 脱氧钢中晶内铁素体形成的影响 图 2 2# 试样在不同冷速下的组织形貌 . ( a) 4 ℃·s － 1 ; ( b) 8 ℃·s － 1 ; ( c) 10 ℃·s － 1 Fig． 2 Microstructures of Sample 2# at different cooling rates: ( a) 4 ℃·s － 1 ; ( b) 8 ℃·s － 1 ; ( c) 10 ℃·s － 1 GBF—晶界铁素体; PF—板 条 铁 素体; P—珠 光 体; B—贝 氏 体; Ms—马氏体转变开始 图 3 1# 样钢的连续冷却转变图 Fig． 3 Continuous cooling transformation diagram of Sample 1# 式中，( hkl) s 为基底的一个低指数晶面，［uvw］s 为晶 面( hkl) s 上的一个低指数方向，( hkl) n 为形核相的一 个低指数晶面，［uvw］n 为晶面( hkl) n 上的一个低指数 方向，d［uvw］s 为沿［uvw］s 方向的原子 间 距，d［uvw］n 为沿 ［uvw］n 方向的原子间距，θ 为［uvw］s 与［uvw］n 的夹角． 从上可知，La 脱氧钢中存在大量细小弥散分布的 含 La 复合夹杂物，通过控制合适冷速可以作为晶内铁 素体的形核核心，诱导晶内铁素体形核，形核夹杂物尺 寸多在 1 ～ 3 μm 之间． 此外，晶内部分针状铁素体可 图 4 La 脱氧钢中夹杂物诱导晶内铁素体形核 Fig． 4 Inclusions as intragranular ferrite nucleation sites in La deoxidation steel 表 2 含 La 夹杂物与 α-Fe 相在 1185 K 时的晶格错配度 Table 2 Lattice disregistry between lanthanum-containing inclusions and α-Fe at 1185 K 夹杂物 晶格结构 晶格常数/ nm a / aα-Fe 错配度/% LaAlO3 立方 0. 3807 1. 328 6. 09 La2O2 S 立方 0. 4062 1. 417 0. 2 La2O3 六方 0. 3943 1. 416 2. 8 La3 S4 立方 0. 8819 3. 077 2. 6 La2 S3 立方 0. 8616 3. 006 0. 2 LaS 立方 0. 5848 2. 040 2. 0 注: a 为晶格常数． · 381 ·
·184… 工程科学学报，第37卷，第2期 400 300 200 100 6 10 能量keV 图5品内铁素体形核夹杂物的形貌与组成 Fig.5 Morphology and composition of inclusions as intragranular ferrite nucleation sites 促进感生形核现象细化组织，这种相互交叉、互锁连接 [6]Wen B,Song B,Pan N,et al.Effect of austenitizing temperature 的铁素体板条，能够更好提高钢材的强度和韧性a on microstructure in 16Mn steel treated by cerium.Int J Miner Metall Mater,2011,18(6)652 3结论 [7]Song Y,Wu G P,Wu T L.Application of oxide metallurgy tech- nique in improving microstructure and property of steel.China (1)La脱氧钢如果想获得大量晶内铁素体组织， Metall,2012,22(6):1 需要严格控制冷却速度，其最佳冷速范围为4~10℃· (宋宇，武国平，吴天礼.氧化物治金技术在改善钢材组织和 s',且在8℃·s冷速时晶内铁素体的体积分数最大 性能中的应用.中国治金，2012,22(6)：1) 8] Shim J H,Cho Y W,Chung S H,et al.Nucleation of intragranu- 相较于原始样组织得到明显改善，并且可以有效减少 lar ferrite at Ti2O;particle in low carbon steel.Acta Mater,1999, 魏氏体组织形成. 47(9):2751 (2)根据晶格错配度机理，计算了钢中含La夹杂 [9]Yang Z B,Wang S,Wang F M,et al.Effect of cooling rate on 物与fe相的晶格错配度，其中La,0,S夹杂物与a- formation of intragranular ferrite in Ti-containing non-quenched Fe相的晶格错配度最小为0.2%，钢中含La夹杂物均 and tempered steel.Heat Treat Met,2008,33(6):24 可作为晶内铁素体的有效形核核心，促进其形成 (杨占兵，王森，王福明，等.冷却速度对含T非调质钢中品 内铁素体形成的影响.金属热处理，2008,33(6)：24) (3)La脱氧钢中可获得较多细小、弥散分布的含 0o] Shang D L,Lu C F,Yii G W.Effect of cooling rate on the for- La复合夹杂物，通过控制合适的冷却速度，其可作为 mation of acicular ferrite in Ti deoxidized steel.Steelmaking, 晶内铁素体的异质形核核心诱导晶内铁素体形成，并 2009,25(4):54 可促使出现感生形核现象，具有形核效果的夹杂物一 (尚德礼，吕春风，于广文.冷却速度对下脱氧钢中针状铁 般在1~3m之间. 素体形成的影响.炼钢，2009,25(4)：54) [11]Liu Y Q.Heat Treatment of Steel.Beijing:Metallurgical Industry 参考文献 Press,1981 (刘永铨.钢的热处理.北京：治金工业出版社，1981) 1]Huang M Z,Wang X M.The application of rare earth in the [12]Rick R A,Howell P R,Barritte G S.The nature of acicular fer- steel.Sci Technol Inf,2009(21):51 rite in HSLA steel weld metals.Mater Sci,1982,17 (3):732 (黄梦真，王晓梅.稀土在钢中的应用.科技信息，2009 [13]Yu S F,Yu Y C,Xie ML,et al.Effect of second thermal cycle (21):51) on intragranular ferrite.Trans China Weld Inst,2003,24(2): 2]Liu ZZ,Kuwabara M.Recent progress in oxide metallurgy tech- 89 nology and its application.Steelmaking,2007,23(3):7 (余圣甫，余阳春，谢明立，等.二次热循环对品内铁素体的 (刘中柱，桑原守.氧化物治金技术的最新进展及其实践.炼 影响.焊接学报，2003,24(2)：89) 钢，2007,23(3)：7) [14]Zhu L G,Wu Y G,Han Y H.Progress on thermodynamics and B]Zhang D.Terasaki H,Komizo Y I.In situ observation of the for- dynamics research of oxide metallurgy technology.Hebei United mation of intragranular acicular ferrite at non-metallic inclusions in Unir Nat Sci Ed.2013,35(2):39 C-Mn steel.Acta Mater,2010,58(4)1369 (朱立光，吴耀光，韩毅华.氧化物治金技术的热力学及动 [4]Wen B.Song B,Pan N,et al.Effect of cerium on inclusions and 力学研究进展.河北联合大学学报：自然科学版，2013,35 microstructure of 16Mn steel.J Chin Rare Earth Soc,2010,28 (2):39) (6):733 5] Bramfitt B L.The effect of carbide and nitride additions on the (文彬，宋波，潘宁，等.铈对16M钢中夹杂物和组织的影 heterogeneous nucleation behavior of liquid iron.Metall Trans, 响.中国稀土学报，2010,28(6)：733) 1970,1(7):1987 [5]Wen B.Song B.Pan N,et al.Influence of Ce on characteristics [16]Tomita Y,Saito N,Tsuzuki T,et al.Improvement in HAZ of inclusions and microstructure of pure iron.J Iron Steel Res Int, toughness of steel by TiN-MnS addition.IS/J Int,1994,34 2011,18(2):38 (10):829
工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 图 5 晶内铁素体形核夹杂物的形貌与组成 Fig． 5 Morphology and composition of inclusions as intragranular ferrite nucleation sites 促进感生形核现象细化组织，这种相互交叉、互锁连接 的铁素体板条，能够更好提高钢材的强度和韧性［16］． 3 结论 ( 1) La 脱氧钢如果想获得大量晶内铁素体组织， 需要严格控制冷却速度，其最佳冷速范围为 4 ～ 10 ℃· s － 1，且在 8 ℃·s － 1冷速时晶内铁素体的体积分数最大． 相较于原始样组织得到明显改善，并且可以有效减少 魏氏体组织形成． ( 2) 根据晶格错配度机理，计算了钢中含 La 夹杂 物与 α-Fe 相的晶格错配度，其中 La2O2 S 夹杂物与 α- Fe 相的晶格错配度最小为 0. 2% ，钢中含 La 夹杂物均 可作为晶内铁素体的有效形核核心，促进其形成． ( 3) La 脱氧钢中可获得较多细小、弥散分布的含 La 复合夹杂物，通过控制合适的冷却速度，其可作为 晶内铁素体的异质形核核心诱导晶内铁素体形成，并 可促使出现感生形核现象，具有形核效果的夹杂物一 般在 1 ～ 3 μm 之间． 参 考 文 献 ［1］ Huang M Z，Wang X M． The application of rare earth in the steel． Sci Technol Inf，2009( 21) : 51 ( 黄梦真，王 晓 梅． 稀 土 在 钢 中 的 应 用． 科 技 信 息，2009 ( 21) : 51) ［2］ Liu Z Z，Kuwabara M． Ｒecent progress in oxide metallurgy technology and its application． Steelmaking，2007，23( 3) : 7 ( 刘中柱，桑原守． 氧化物冶金技术的最新进展及其实践． 炼 钢，2007，23( 3) : 7) ［3］ Zhang D，Terasaki H，Komizo Y I． In situ observation of the formation of intragranular acicular ferrite at non-metallic inclusions in C--Mn steel． Acta Mater，2010，58( 4) : 1369 ［4］ Wen B，Song B，Pan N，et al． Effect of cerium on inclusions and microstructure of 16Mn steel． J Chin Ｒare Earth Soc，2010，28 ( 6) : 733 ( 文彬，宋波，潘宁，等． 铈对 16Mn 钢中夹杂物和组织的影 响． 中国稀土学报，2010，28( 6) : 733) ［5］ Wen B，Song B，Pan N，et al． Influence of Ce on characteristics of inclusions and microstructure of pure iron． J Iron Steel Ｒes Int， 2011，18( 2) : 38 ［6］ Wen B，Song B，Pan N，et al． Effect of austenitizing temperature on microstructure in 16Mn steel treated by cerium． Int J Miner Metall Mater，2011，18( 6) : 652 ［7］ Song Y，Wu G P，Wu T L． Application of oxide metallurgy technique in improving microstructure and property of steel． China Metall，2012，22( 6) : 1 ( 宋宇，武国平，吴天礼． 氧化物冶金技术在改善钢材组织和 性能中的应用． 中国冶金，2012，22( 6) : 1) ［8］ Shim J H，Cho Y W，Chung S H，et al． Nucleation of intragranular ferrite at Ti2O3 particle in low carbon steel． Acta Mater，1999， 47( 9) : 2751 ［9］ Yang Z B，Wang S，Wang F M，et al． Effect of cooling rate on formation of intragranular ferrite in Ti-containing non-quenched and tempered steel． Heat Treat Met，2008，33( 6) : 24 ( 杨占兵，王森，王福明，等． 冷却速度对含 Ti 非调质钢中晶 内铁素体形成的影响． 金属热处理，2008，33( 6) : 24) ［10］ Shang D L，Lü C F，Yü G W． Effect of cooling rate on the formation of acicular ferrite in Ti deoxidized steel． Steelmaking， 2009，25( 4) : 54 ( 尚德礼，吕春风，于广文． 冷却速度对 Ti 脱氧钢中针状铁 素体形成的影响． 炼钢，2009，25( 4) : 54) ［11］ Liu Y Q． Heat Treatment of Steel． Beijing: Metallurgical Industry Press，1981 ( 刘永铨． 钢的热处理． 北京: 冶金工业出版社，1981) ［12］ Ｒick Ｒ A，Howell P Ｒ，Barritte G S． The nature of acicular ferrite in HSLA steel weld metals． J Mater Sci，1982，17( 3) : 732 ［13］ Yü S F，Yü Y C，Xie M L，et al． Effect of second thermal cycle on intragranular ferrite． Trans China Weld Inst，2003，24( 2) : 89 ( 余圣甫，余阳春，谢明立，等． 二次热循环对晶内铁素体的 影响． 焊接学报，2003，24( 2) : 89) ［14］ Zhu L G，Wu Y G，Han Y H． Progress on thermodynamics and dynamics research of oxide metallurgy technology． J Hebei United Univ Nat Sci Ed，2013，35( 2) : 39 ( 朱立光，吴耀光，韩毅华． 氧化物冶金技术的热力学及动 力学研究进展． 河北联合大学学报: 自然科学版，2013，35 ( 2) : 39) ［15］ Bramfitt B L． The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron． Metall Trans， 1970，1( 7) : 1987 ［16］ Tomita Y，Saito N，Tsuzuki T，et al． Improvement in HAZ toughness of steel by TiN--MnS addition． ISIJ Int，1994，34 ( 10) : 829 · 481 ·