18Mn18Cr高氮钢析出相特征及形成机制

第36卷第6期 北京科技大学学报 Vol.36 No.6 2014年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2014 18Mn18Cr高氮钢析出相特征及形成机制 房 菲，李静媛四，王一德 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 通信作者，E-mail:lijy@usth.cdu.cn 摘要通过金相显微镜、扫描电镜、电子探针显微分析、透射电镜及热力学计算软件研究C和N含量对铸态及时效态 18Mnl8Cr高氮钢析出相特征及形成机制的影响.研究发现在铸态，随C/N质量比降低，析出相依次为Cr2C6相、σ相和C,N 相.增加C或N含量可分别促进CC,相和Cr2N相析出.C和N含量影响实验钢凝固模式及不稳定铁素体相共析分解产 物.18Mnl8C0.44N钢凝固模式为AF模式，不稳定铁素体相共析分解反应为8→o+Y2(0.025%C)和8→Y2+Cr(C,N,)6 (x/y>1)(0.16%C):18Ml8C0.72N钢凝固模式为A模式，晶界处存在少量颗粒状Cr2N相.在固溶时效态，实验钢仅析出 片层状的C,N。Ca61相.随C+N含量增加，片层状析出相体积分数和片层间隙增加，析出孕育时间减少. 关键词奥氏体不锈钢：析出相：显微组织：碳含量：氮含量 分类号TG142.71 Characteristics and forming mechanism of precipitates in 18Mn18Cr high nitrogen steel FANG Fei,LI Jing-yuan,WANG Yi-de School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lijy@ustb.edu.cn ABSTRACT The effects of carbon and nitrogen contents on the characteristics and forming mechanism of precipitates in as-cast and aged 18Mnl8Cr high nitrogen steels were investigated by optical microscopy,scanning electron microscopy,electron probe micro-analy- sis,transmission electron microscopy and thermodynamics calculation (Thermo-Calc).It is found that with the decrease in mass ratio of C to N,the precipitate is CrC phase,phase and CrN phase in the as-east steel in tur.The precipitation of CraC and CrN phase increases as the C or N content increases.C and N contents influence the solidification mode of the tested steel and the eutectoid decomposition of the unstable ferrite phase.The solidification mode of 18Mn18Cr0.44N steel is an AF mode,and the eutectoid decom- position reactions corresponding to the C contents of 0.025%and 0.16%are +(0.025%C)and Y2+Cra (CN,)(x/y >1)(0.16%C),respectively.The solidification mode of 18Mn18Cr0.72N steel is an A mode,and a little granular Cr2N phases precipitate on grain boundaries.Only laminar CrNC phase exits in the aged steel,and with the increase of C+N content,the volume fraction and lamellar spacing of the precipitates increase,but the incubation time decreases. KEY WORDS austenitic stainless steel:precipitates:microstructure:carbon content:nitrogen content 高氮奥氏体不锈钢由于具有优良的力学性能和中于金属间相（σ、TX等）、M:C6型碳化物和M2N 耐腐蚀性能而成为近年来广泛使用的新型结构材料 型氯化物的析出机制.Le等指出高氮钢中块状 之一·-.但是，由于间隙固溶元素C和N的加入， σ相的形成与奥氏体基体中氮贫化区的形成有关， 导致其析出行为比较复杂，且其析出机制可能与一 氮元素贫瘠是诱导σ相形成的主要因素，其形成机 般的奥氏体不锈钢中相的析出机制不同B-·.目 制为y→σ.马玉喜等因认为σ相是由奥氏体基体 前，关于高氮奥氏体不锈钢析出行为的研究主要集 发生共析反应而得到的，σ相析出的同时伴随γ相 收稿日期：2013-1206 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.010:http:/journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 6 期 2014 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 6 Jun． 2014 18Mn18Cr 高氮钢析出相特征及形成机制 房 菲，李静媛，王一德 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: lijy@ ustb． edu． cn 摘 要 通过金相显微镜、扫描电镜、电子探针显微分析、透射电镜及热力学计算软件研究 C 和 N 含量对铸态及时效态 18Mn18Cr 高氮钢析出相特征及形成机制的影响． 研究发现在铸态，随 C/N 质量比降低，析出相依次为 Cr23C6相、σ 相和 Cr2N 相． 增加 C 或 N 含量可分别促进 Cr23C6相和 Cr2N 相析出． C 和 N 含量影响实验钢凝固模式及不稳定铁素体相共析分解产 物． 18Mn18Cr0. 44N 钢凝固模式为 AF 模式，不稳定铁素体相共析分解反应为 δ→σ + γ2 ( 0. 025% C) 和 δ→γ2 + Cr23 ( CxNy ) 6 ( x /y ＞ 1) ( 0. 16% C) ; 18Mn18Cr0. 72N 钢凝固模式为 A 模式，晶界处存在少量颗粒状 Cr2N 相． 在固溶时效态，实验钢仅析出 片层状的 Cr2N0. 39C0. 61相． 随 C + N 含量增加，片层状析出相体积分数和片层间隙增加，析出孕育时间减少． 关键词 奥氏体不锈钢; 析出相; 显微组织; 碳含量; 氮含量 分类号 TG142. 71 Characteristics and forming mechanism of precipitates in 18Mn18Cr high nitrogen steel FANG Fei，LI Jing-yuan ，WANG Yi-de School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: lijy@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The effects of carbon and nitrogen contents on the characteristics and forming mechanism of precipitates in as-cast and aged 18Mn18Cr high nitrogen steels were investigated by optical microscopy，scanning electron microscopy，electron probe micro-analy￾sis，transmission electron microscopy and thermodynamics calculation ( Thermo-Calc) ． It is found that with the decrease in mass ratio of C to N，the precipitate is Cr23C6 phase，σ phase and Cr2N phase in the as-cast steel in turn． The precipitation of Cr23C6 and Cr2N phase increases as the C or N content increases． C and N contents influence the solidification mode of the tested steel and the eutectoid decomposition of the unstable ferrite phase． The solidification mode of 18Mn18Cr0. 44N steel is an AF mode，and the eutectoid decom￾position reactions corresponding to the C contents of 0. 025% and 0. 16% are δ→σ + γ2 ( 0. 025% C) and δ→γ2 + Cr23 ( CxNy ) 6 ( x /y ＞ 1) ( 0. 16% C) ，respectively． The solidification mode of 18Mn18Cr0. 72N steel is an A mode，and a little granular Cr2 N phases precipitate on grain boundaries． Only laminar Cr2N0. 39C0. 61 phase exits in the aged steel，and with the increase of C + N content，the volume fraction and lamellar spacing of the precipitates increase，but the incubation time decreases． KEY WOＲDS austenitic stainless steel; precipitates; microstructure; carbon content; nitrogen content 收稿日期: 2013--12--06 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 06． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn 高氮奥氏体不锈钢由于具有优良的力学性能和 耐腐蚀性能而成为近年来广泛使用的新型结构材料 之一［1 － 2］． 但是，由于间隙固溶元素 C 和 N 的加入， 导致其析出行为比较复杂，且其析出机制可能与一 般的奥氏体不锈钢中相的析出机制不同［3 － 4］． 目 前，关于高氮奥氏体不锈钢析出行为的研究主要集 中于金属间相( σ、η、χ 等) 、M23 C6型碳化物和 M2N 型氮化物的析出机制． Lee 等［5］指出高氮钢中块状 σ 相的形成与奥氏体基体中氮贫化区的形成有关， 氮元素贫瘠是诱导 σ 相形成的主要因素，其形成机 制为 γ→σ． 马玉喜等［6］认为 σ 相是由奥氏体基体 发生共析反应而得到的，σ 相析出的同时伴随 γ'相

第6期 房菲等：18Mnl8Cr高氨钢析出相特征及形成机制 ·769· 的析出，其析出反应为Y→y+σ，但他们同时发现 过扫描电镜观察析出相形貌，利用电子探针显微分 在三晶界交汇处的σ相直接由X相转变形成.Si 析确定析出相元素分布，采用透射电镜确定析出相 等m指出，在时效态Fe-18Cr-l8Mn0.63N实验钢 的晶体结构，并通过Thermo--Calc软件和Thermo一 中仅存在不连续胞状形貌的Cr2N析出相，增加Mo Calc3.0数据库计算18%Cr,18%Mn,0.020%C, 元素可促进晶界及晶内颗粒状X相的析出.Yuan 0.025%C和0.16%C(质量分数)合金系的Fe-N 等图指出，Fe-24Mn-18Cr-3Ni-0.62N实验钢时效 伪二元相图.采用铁素体测量仪测量实验钢中铁素 处理720min后仅晶界处存在棒状的Cr2N析出相. 体的体积分数.采用Image--Pro Plus软件对实验钢 Saucedo--Munioz等向i认为，24Cr-15Ni-4Mn-0.32N- 中析出相体积分数进行统计，由于实验钢中析出相 0.O4C钢品界处同时存在M3C6和M,N析出相，且 分布并不均匀，对不同视场下金相照片中析出相的 优先于晶内M,N相析出.增加Mo含量，实验钢晶 体积分数进行统计，并取平均值. 内存在η相析出.由此可见，关于高氮奥氏体不锈 表1实验钢化学成分（质量分数） 钢中析出相种类及形貌研究结果不统一，但均指出 Table 1 Chemical compositions of tested steels 9 与实验钢中元素含量密切相关.目前关于高氮奥氏 编号 Cr Mn N C Fe C/N C+N 体不锈钢析出行为的研究主要集中于经历热加工后 1# 17.217.900.440.025余量0.0570.465 的高氮奥氏体不锈钢的析出行为.然而，在高氮奥 19.217.000.440.160余量0.3640.600 氏体不锈钢热加工（如热轧和焊接）之前，铸态时高 19.018.820.720.020余量0.0280.740 温析出行为的研究较少，但铸钢析出行为对于材料 的加工性能、力学性能和抗腐蚀性能的影响很大. 2 实验结果 一般情况下，材料原始状态不同，析出相的析出行为 也不同@.因此，关于铸态高氮奥氏体不锈钢中析 2.1铸态实验钢中析出相种类及形貌 采用铁素体测量仪测量实验钢中铁素体的体积 出相的析出行为及其影响因素的研究十分重要，有 分数，1"实验钢为0.27%，2实验钢为0.22%，3实 必要对其进行深入研究，为这类钢的合金成分设计、 验钢为0.可见，1"和2"实验钢中存在少量铁素体 制定热加工和焊接工艺等提供基础资料. 相，而3实验钢中不含有铁素体相.图1为实验钢 笔者拟通过改变实验钢中间隙元素C和N含 铸态金相组织（明场像、暗场像及微分干涉像）.由 量，采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子 图1(a)和(b)可知，当氮质量分数为0.44%时，实 探针显微分析(EPMA)和透射电镜(TEM)研究C和 验钢中铁素体呈枝晶状分布于晶内.由暗场像可 N含量对铸态及时效态18Mnl8Cr钢中析出相形 知，品界及部分品内枝品处存在析出相，析出相的宏 貌、分布、成分及种类的影响，并采用Thermo--Calc 观形貌为蠕虫状.根据微分干涉像可知，奥氏体基 软件计算不同C和N含量实验钢的Fe-V伪二元相 体内存在褶皱，且褶皱分布在铁素体枝晶周围.文 图，理论研究C和N含量对铸态实验钢析出行为的 献1]指出褶皱与元素的不均匀分布密切相关.由 影响 此可推断，1"和2"实验钢由初晶奥氏体相和铁素体 1 实验材料及方法 枝晶组成，其凝固模式为AF模式，即凝固开始时奥 氏体相作为初晶相形核，在奥氏体相形成过程中不 实验钢为实验室治炼，成分如表1所示.冶炼 断向钢液中排出铁素体形成元素，而凝固后期富集 所用的原材料有氮化铬铁、电解锰、金属铬及工业纯 铁素体形成元素的钢液转变为铁素体相，铸态组织 铁，其中氮化铬铁的化学成分（质量分数）为Cx 由初晶奥氏体相和铁素体相组成.由图1(c)所示， 62.2%,N4.57%,C0.096%,Si0.87%,P 3实验钢晶内枝晶状的铁素体相消失.由微分干涉 0.028%,余量为Fe,其他原料的纯度都在99%以 像可知，奥氏体基体中同样存在褶皱.由暗场像可 上.铸态实验钢在1050℃固溶4h后水冷，然后在 知，晶界处存在少量的析出相.由此可推断，3实验 800℃下保温5~900min后水冷得到时效态钢样. 钢由单一奥氏体相组成，其凝固模式为A模式，即 铸态及时效态试样经机械预磨和抛光后，进行 凝固开始时钢液完全转化为奥氏体相，并在整个凝 化学侵蚀.侵蚀剂HNO,、HCl和甘油体积比为1：2： 固过程中稳定存在直至凝固结束 2溶液，侵蚀后通过Leica DM2500M型光学显微镜 1实验钢中CN质量比为0.057.图2为1"实 观察明场、暗场和微分干涉状态下的显微组织.通 验钢中析出相的扫描电镜形貌.可以看出原枝晶臂

第 6 期 房 菲等: 18Mn18Cr 高氮钢析出相特征及形成机制 的析出，其析出反应为 γ→γ' + σ，但他们同时发现 在三晶界交汇处的 σ 相直接由 χ 相转变形成． Shi 等［7］指出，在时效态 Fe--18Cr--18Mn--0. 63N 实验钢 中仅存在不连续胞状形貌的 Cr2N 析出相，增加 Mo 元素可促进晶界及晶内颗粒状 χ 相的析出． Yuan 等［8］指出，Fe--24Mn--18Cr--3Ni--0. 62N 实验钢时效 处理 720 min 后仅晶界处存在棒状的 Cr2N 析出相． Saucedo--Muoz 等［9］认为，24Cr--15Ni--4Mn--0. 32N-- 0. 04C 钢晶界处同时存在 M23 C6和 M2N 析出相，且 优先于晶内 M2N 相析出． 增加 Mo 含量，实验钢晶 内存在 η 相析出． 由此可见，关于高氮奥氏体不锈 钢中析出相种类及形貌研究结果不统一，但均指出 与实验钢中元素含量密切相关． 目前关于高氮奥氏 体不锈钢析出行为的研究主要集中于经历热加工后 的高氮奥氏体不锈钢的析出行为． 然而，在高氮奥 氏体不锈钢热加工( 如热轧和焊接) 之前，铸态时高 温析出行为的研究较少，但铸钢析出行为对于材料 的加工性能、力学性能和抗腐蚀性能的影响很大． 一般情况下，材料原始状态不同，析出相的析出行为 也不同［10］． 因此，关于铸态高氮奥氏体不锈钢中析 出相的析出行为及其影响因素的研究十分重要，有 必要对其进行深入研究，为这类钢的合金成分设计、 制定热加工和焊接工艺等提供基础资料． 笔者拟通过改变实验钢中间隙元素 C 和 N 含 量，采用金相显微镜( OM) 、扫描电镜( SEM) 、电子 探针显微分析( EPMA) 和透射电镜( TEM) 研究 C 和 N 含量对铸态及时效态 18Mn18Cr 钢中析出相形 貌、分布、成分及种类的影响，并采用 Thermo--Calc 软件计算不同 C 和 N 含量实验钢的 Fe--N 伪二元相 图，理论研究 C 和 N 含量对铸态实验钢析出行为的 影响． 1 实验材料及方法 实验钢为实验室冶炼，成分如表 1 所示． 冶炼 所用的原材料有氮化铬铁、电解锰、金属铬及工业纯 铁，其中氮化铬铁的化学成分 ( 质 量 分 数) 为 Cr 62. 2% ，N 4. 57% ，C 0. 096% ，Si 0. 87% ，P 0. 028% ，余量为 Fe，其他原料的纯度都在 99% 以 上． 铸态实验钢在 1050 ℃ 固溶 4 h 后水冷，然后在 800 ℃下保温 5 ～ 900 min 后水冷得到时效态钢样． 铸态及时效态试样经机械预磨和抛光后，进行 化学侵蚀． 侵蚀剂 HNO3、HCl 和甘油体积比为 1∶ 2∶ 2溶液，侵蚀后通过 Leica DM2500M 型光学显微镜 观察明场、暗场和微分干涉状态下的显微组织． 通 过扫描电镜观察析出相形貌，利用电子探针显微分 析确定析出相元素分布，采用透射电镜确定析出相 的晶体结构，并通过 Thermo--Calc 软件和 Thermo-- Calc 3. 0 数据库计算 18% Cr，18% Mn，0. 020% C， 0. 025% C 和 0. 16% C ( 质量分数) 合金系的 Fe--N 伪二元相图． 采用铁素体测量仪测量实验钢中铁素 体的体积分数． 采用 Image--Pro Plus 软件对实验钢 中析出相体积分数进行统计，由于实验钢中析出相 分布并不均匀，对不同视场下金相照片中析出相的 体积分数进行统计，并取平均值． 表 1 实验钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of tested steels % 编号 Cr Mn N C Fe C/N C + N 1# 17. 2 17. 90 0. 44 0. 025 余量 0. 057 0. 465 2# 19. 2 17. 00 0. 44 0. 160 余量 0. 364 0. 600 3# 19. 0 18. 82 0. 72 0. 020 余量 0. 028 0. 740 2 实验结果 2. 1 铸态实验钢中析出相种类及形貌 采用铁素体测量仪测量实验钢中铁素体的体积 分数，1# 实验钢为 0. 27% ，2# 实验钢为 0. 22% ，3# 实 验钢为 0． 可见，1# 和 2# 实验钢中存在少量铁素体 相，而 3# 实验钢中不含有铁素体相． 图 1 为实验钢 铸态金相组织( 明场像、暗场像及微分干涉像) ． 由 图 1( a) 和( b) 可知，当氮质量分数为 0. 44% 时，实 验钢中铁素体呈枝晶状分布于晶内． 由暗场像可 知，晶界及部分晶内枝晶处存在析出相，析出相的宏 观形貌为蠕虫状． 根据微分干涉像可知，奥氏体基 体内存在褶皱，且褶皱分布在铁素体枝晶周围． 文 献［11］指出褶皱与元素的不均匀分布密切相关． 由 此可推断，1# 和 2# 实验钢由初晶奥氏体相和铁素体 枝晶组成，其凝固模式为 AF 模式，即凝固开始时奥 氏体相作为初晶相形核，在奥氏体相形成过程中不 断向钢液中排出铁素体形成元素，而凝固后期富集 铁素体形成元素的钢液转变为铁素体相，铸态组织 由初晶奥氏体相和铁素体相组成． 由图 1( c) 所示， 3# 实验钢晶内枝晶状的铁素体相消失． 由微分干涉 像可知，奥氏体基体中同样存在褶皱． 由暗场像可 知，晶界处存在少量的析出相． 由此可推断，3# 实验 钢由单一奥氏体相组成，其凝固模式为 A 模式，即 凝固开始时钢液完全转化为奥氏体相，并在整个凝 固过程中稳定存在直至凝固结束． 1# 实验钢中 C /N 质量比为 0. 057． 图 2 为 1# 实 验钢中析出相的扫描电镜形貌． 可以看出原枝晶臂 ·769·

·770 北京科技大学学报 第36卷 100um 1004m 1004m 100 100m 100m 1004m 100μm 100um 100 pim 1004m 100um 图1实验钢金相组织（明场、暗场和微分干涉像）.(a)1实验钢：(b)2实验钢：()3实验钢 Fig.1 Microstructures of the tested steel (bright field image,dark field image,and differential-interference image):(a)1 steel:(b)2 stecl; (c）3sted 含量高于基体，而与析出相相比，则Cr低、C高.由 于o相(FeCr)完全不溶解C、N元素，其析出时将C 和N元素排向周围奥氏体基体中，因此可推测析出 相是c相(FeCr). 2实验钢中C/N质量比为0.364.从图1(b)中 可以看出，晶界及晶内枝晶处均有第二相析出.图4 为2"实验钢中析出相的扫描电镜照片.由图4(a) 可知，2”实验钢中析出相主要有四种典型形貌，分别 图21*实验钢析出相形貌的扫描电镜照片 如图4(b)~(e)所示.图4(b)所示析出相呈短棒 Fig.2 SEM image of precipitates in1steel 状，沿着晶界呈断续链状分布.在部分三叉晶界处 则出现胞状片层析出相形貌，如图4（©）所示为粗片 处存在少量棒状析出相，长度为3~10μm,宽度约 层状析出相，其片层长度、宽度及片层间隙分别为 为1um,以非共格方式镶嵌于基体内.该析出相与 4.0、0.20和0.25um左右，析出相与晶界呈90°向 奥氏体基体之间存在亮于基体（暗于析出相）的区 晶内生长；如图4()所示为细片层状，与晶界呈 域，说明此区域的成分不同于析出相和基体.图3 30°左右向晶内生长.出现在晶内的析出相，形貌比 为1"实验钢经电子探针显微分析后的面扫描结果， 较统一，主要为粗片层状，其片层长度、宽度及片层 图中采用颜色代表元素的相对含量，红色→黄色→ 间隙分别为2.0、0.20和0.18~0.30μm,如图4(e) 绿色→蓝色→黑色依次变化代表元素含量降低.由 所示. 图可知，析出相富集Cr元素贫瘠C和N元素，因此 图5为2"实验钢中晶界、晶界附近及晶内析出 可推断该析出相不是碳氮化物.析出相周围C和C: 相的电子探针显微分析面扫描图.由图5(a)可知

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 1 实验钢金相组织( 明场、暗场和微分干涉像) . ( a) 1# 实验钢; ( b) 2# 实验钢; ( c) 3# 实验钢 Fig． 1 Microstructures of the tested steel ( bright field image，dark field image，and differential-interference image) : ( a) 1# steel; ( b) 2# steel; ( c) 3# steel 图 2 1# 实验钢析出相形貌的扫描电镜照片 Fig． 2 SEM image of precipitates in 1# steel 处存在少量棒状析出相，长度为 3 ～ 10 μm，宽度约 为 1 μm，以非共格方式镶嵌于基体内． 该析出相与 奥氏体基体之间存在亮于基体( 暗于析出相) 的区 域，说明此区域的成分不同于析出相和基体． 图 3 为 1# 实验钢经电子探针显微分析后的面扫描结果， 图中采用颜色代表元素的相对含量，红色→黄色→ 绿色→蓝色→黑色依次变化代表元素含量降低． 由 图可知，析出相富集 Cr 元素贫瘠 C 和 N 元素，因此 可推断该析出相不是碳氮化物． 析出相周围 C 和 Cr 含量高于基体，而与析出相相比，则 Cr 低、C 高． 由 于 σ 相( FeCr) 完全不溶解 C、N 元素，其析出时将 C 和 N 元素排向周围奥氏体基体中，因此可推测析出 相是 σ 相( FeCr) ． 2# 实验钢中 C /N 质量比为 0. 364． 从图 1( b) 中 可以看出，晶界及晶内枝晶处均有第二相析出． 图 4 为 2# 实验钢中析出相的扫描电镜照片． 由图 4( a) 可知，2# 实验钢中析出相主要有四种典型形貌，分别 如图 4( b) ～ ( e) 所示． 图 4( b) 所示析出相呈短棒 状，沿着晶界呈断续链状分布． 在部分三叉晶界处 则出现胞状片层析出相形貌，如图 4( c) 所示为粗片 层状析出相，其片层长度、宽度及片层间隙分别为 4. 0、0. 20 和 0. 25 μm 左右，析出相与晶界呈 90°向 晶内生长; 如图 4 ( d) 所示为细片层状，与晶界呈 30°左右向晶内生长． 出现在晶内的析出相，形貌比 较统一，主要为粗片层状，其片层长度、宽度及片层 间隙分别为 2. 0、0. 20 和 0. 18 ～ 0. 30 μm，如图 4( e) 所示． 图 5 为 2# 实验钢中晶界、晶界附近及晶内析出 相的电子探针显微分析面扫描图． 由图 5( a) 可知， ·770·

第6期 房菲等：18Mnl8Cr高氨钢析出相特征及形成机制 ·771· 2 um 2μm Mn SEI micrograph 24m 24m 图3通过电子探针显微分析表征1实验钢中析出相的元素分布 Fig.3 Element distribution of precipitates in 1"steel analyzed by EPMA b 204m 3 um 图42试样中不同形貌析出相 Fig.4 SEM images of precipitates in 2 steel

第 6 期 房 菲等: 18Mn18Cr 高氮钢析出相特征及形成机制 图 3 通过电子探针显微分析表征 1# 实验钢中析出相的元素分布 Fig． 3 Element distribution of precipitates in 1# steel analyzed by EPMA 图 4 2# 试样中不同形貌析出相 Fig． 4 SEM images of precipitates in 2# steel ·771·

·772 北京科技大学学报 第36卷 晶界处颗粒状的析出相富集Cr和C元素，贫瘠Mn 集，但富集程度远小于C元素，由此可推断片层状 元素，N元素含量与奥氏体基体相近.因此可推断 CrC,相中部分C原子被N原子所替换.因为C和 该析出相不是氮化物，可能为铬的碳化物.析出相 N原子均为间隙原子，且原子半径相近，在晶内N 的透射电镜明场像及衍射花斑分析结果如图6所 原子短程有序，扩散速率较快，且钢中氮含量较高. 示.该颗粒状的析出相是具有面心立方结构、点阵 因此在CrC。相形成时，其中部分C原子被N原子 常数a为1.065nm的CraC6相.随着固态相变的进 取代，形成碳氮化铬析出相.由于该析出相处富集 行，晶界处的析出相以片层形式向晶内生长，如图5 C元素程度高于N元素，因此该碳氮化物可表述为 (b)所示.相对于奥氏体基体，片层状析出相成分与 Cr3(C,N,)6(x/y>1).Matsuo等曾指出，B和N 晶界处颗粒相成分相近，均为富集C和C元素，贫 可替代MaC。中C元素形成M2(C,B,N)6析出相. 瘠Mn元素.Hu等a曾指出在NiCr-W合金中晶 马玉喜等曾采用物理化学相分析法指出时效态 界处存在向晶内生长的片层状的MC。析出相，因 1Cr22Mnl5N0.6C0.14实验钢中存在M3C6型碳化 此可推断该片层状的析出相为Cr3C6;根据N元素 物，其真实的结构式为(Feu.wCra.5%0 Mno.1mNia.os）3- 面扫描结果可知，该析出相处也存在少量N元素富 (Ca.6Na16)6·由此可见，MC6型碳化物中部分C Mn 24m 24m Cr 24m 2 um 2 um 2 um 2m m 24m 24m 图5通过电子探针显微分析表征2#实验钢析出相的元素分布.(a)品界处：(b)晶界附近：(c)晶内 Fig.5 Element distribution of preeipitates in 2"steel analyzed by EPMA:(a)gain boundary:(b)vicinity of the gain boundary:(c)grain Z-i011 (000 (i 020 500nm 图62实验钢品界处析出相透射电镜照片，()明场像：(b)行射斑分析 Fig.6 TEM images of precipitates at grain boundaries in 2 steel:(a)bright field;(b)diffraction pattern

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 晶界处颗粒状的析出相富集 Cr 和 C 元素，贫瘠 Mn 元素，N 元素含量与奥氏体基体相近． 因此可推断 该析出相不是氮化物，可能为铬的碳化物． 析出相 的透射电镜明场像及衍射花斑分析结果如图 6 所 示． 该颗粒状的析出相是具有面心立方结构、点阵 常数 a 为 1. 065 nm 的 Cr23C6相． 随着固态相变的进 行，晶界处的析出相以片层形式向晶内生长，如图 5 ( b) 所示． 相对于奥氏体基体，片层状析出相成分与 晶界处颗粒相成分相近，均为富集 Cr 和 C 元素，贫 瘠 Mn 元素． Hu 等［12］曾指出在 Ni--Cr--W 合金中晶 界处存在向晶内生长的片层状的 M23 C6 析出相，因 此可推断该片层状的析出相为 Cr23 C6 ; 根据 N 元素 面扫描结果可知，该析出相处也存在少量 N 元素富 集，但富集程度远小于 C 元素，由此可推断片层状 Cr23C6相中部分 C 原子被 N 原子所替换． 因为 C 和 N 原子均为间隙原子，且原子半径相近，在晶内 N 原子短程有序，扩散速率较快，且钢中氮含量较高． 因此在 Cr23C6相形成时，其中部分 C 原子被 N 原子 取代，形成碳氮化铬析出相． 由于该析出相处富集 C 元素程度高于 N 元素，因此该碳氮化物可表述为 Cr23 ( CxNy ) 6 ( x /y ＞ 1) ． Matsuo 等［13］曾指出，B 和 N 可替代 M23C6中 C 元素形成 M23 ( C，B，N) 6析出相． 马玉喜等［14］曾采用物理化学相分析法指出时效态 1Cr22Mn15N0. 6C0. 14 实验钢中存在 M23 C6 型碳化 物，其真实的结构式为 ( Fe0. 298 Cr0. 590 Mn0. 107Ni0. 005 ) 23- ( C0. 864N0. 136 ) 6 ． 由此可见，M23C6型碳化物中部分 C 图 5 通过电子探针显微分析表征 2# 实验钢析出相的元素分布 . ( a) 晶界处; ( b) 晶界附近; ( c) 晶内 Fig． 5 Element distribution of precipitates in 2# steel analyzed by EPMA: ( a) gain boundary; ( b) vicinity of the gain boundary; ( c) grain 图 6 2# 实验钢晶界处析出相透射电镜照片 . ( a) 明场像; ( b) 衍射斑分析 Fig． 6 TEM images of precipitates at grain boundaries in 2# steel: ( a) bright field; ( b) diffraction pattern ·772·