D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1979.02.014 北京钢铁学院学报 1979年第2期 低合金钢(10 MOWVNb)中Y/a相 界面沉淀及位错碳化物 北京钢铁学院 陈梦谪· 李华瑞 程佳娟 上钢一厂 葛默輝 摘·要 w 本文选用薄晶体透射电镜法及x射线衍射定量相分析法研究10 MOWVNb抗氨 钢在Y→α转变过程中碳化物析出规律，观察到碳化物生要以相间沉淀、纤维状生 长及位蜡上析出三种方式形成，通过对碳化物固溶温度估算及x射线定量相分析， 进一步阐明在所给条件下析出的碳化物主要为V,C3。 运用晶界相对入射电子束倾斜能显示二雉晶界面特征方法，验证了Honeyc-- ombe提出的有关相间沆淀碳化物生校、长大的观点。 文中对高温回火过程中，碳化物可能以恒温相间沉淀方式桥出进行了初步探討。 一、引 言 在含有微量强碳化物形成元素V、Nb、Ti的低碳、低合金钢中，常是通过正火以及随 后高温回火，或者直接控制轧制，可以获得良好综合机械性能。以上二种工艺制度获得的 钢，就其内部组织而言，具有共同特点，都是在等轴微细品粒(5一204)铁素体基体上， 弥散分布着极微小颗粒（2~50n)的合金碳化物。山于这类钢使川较少量台金元茶， 而能收益较高强化效果，因此，具有较大经济价值。一些物理冶金学者以极大兴趣探讨ⅴ、 Nb、Ti等元素在钢中的作用机理。这方面工作已经开展了十多年，Morrison和Wood- head〔1)，谷野满和西田卓彦等〔2)以及Gray、Webster和Wood head〔3)等有这方面 工作的早期报导。有关作者认为电镜下观察到的线列状合金碳化物是沿位错析出〔2〕。1968 年Honeyco mbe及其合作者在含V、Mw、Cr三元低碳钢中，观察到Y-a在恒温转变中 出现纤维状及线列状碳化物〔4〕；同年，Gray和ycw在含Nb钢中，观察到Y-→a在连续冷 却过程中，形成人量线列状碳化物，他]都认为这种线列状碳化物是在：移动的Y/α相界面上 150
北 京 钢 铁 学 院 学 报 1 9 7 9年第 2 期 一 一 一 j曰 . .` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 创 . , . . `口 . . 口自. . . , . . 一 一 , 一 低合金钢( 10 M O W V N b) 中万以相 ’ ` 界面沉淀及位错碳化物 ’ 北 京钢铁学 院 陈梦 滴 李华 瑞 上钢一 厂 程 佳 确 葛 默 辉 摘 , 要 本 文选 用 薄晶体 透 射 电镜法及 二 射 线衍射定 量 相分析 法研 究 l o M O WV N b 坑氢 钢 在 Y , a 转变过 程 中碳化物 析 出规律 , 观 察 到碳北物主 要 以相 问沉 淀 , 纤 雄 状 生 长及 位蜡上 析 出三 种方 式形成 , 通过对珠化物固溶 、 温度 估算及 x 射线定 量相 分扳 , 进 一 步 阐明在所给条件下 析 出的碳 化物 丰要 为 V ` C 。 。 运 用晶 界相对 入 射 电子束倾 斜 能 显 一 示二 推 晶界面 特 征 方法 , 验 证 了 H o n e y c - o ln b e 提 出的有关 相间 沉淀碳化物生核 、 长 ` 大 的观点 。 文 中对 高温 回 火过粗 中 , 碳 叱扮可 能 以恒温相 间沉 淀方 式标 出进 行 了初步探 舒 。 一 、 引 言 在 含有微量强碳 化物形 成元 素 V 、 N b 、 T i 的 低碳 、 低 合金钢 中 , 常 是通过 正 火以 及随 后 高温 回 火 , 或者 直接 控 制轧 制 , 可 以 获得 良好综 合 机械性能 。 以 上二种 工艺 制 度获得 的 钢 , 就 其 内部组织 而 一 言 , 具有 共同 特点 , 都 是在 等 轴微 细品粒 ( 5 一 20 卜 ) 铁 素体荃 体 上 , 弥散分布着 极微小颗 粒 ( 2 一 5 0 n 川 ) 的 台金 碳 化物 。 山于 这 类 钢 使 川较少 量 合金 元 素 , 而 能 收益较 高强 化效 果 , 因此 , 具有较 大经 济价值 。 一些 物理冶 金学者 以 极大 兴趣 探讨 , 、 N b 、 T i 等元 素在 钢 中的 作用机理 。 这方 面 工作 已经 开展 了十 多年 , M o r r i s o n 和 W o o d 一 h e a d 〔 1 〕 , 谷野满 和西 田 卓彦等〔 2 〕以 及G r a y 、 W e b s t e r 和 W o o d h e a d 〔 3 〕等有这方 面 工 作的早 期报 导 。 有关作者 认为电镜 下 观察 到的线 列状 合金碳 化物是沿位 错析 出 〔 2 〕 。 19 6 8 年 H 0 n e y 。 。 m b e 及其 合作者在 含 V 、 M O 、 C r 三元 低碳 钢 中 , 观 察到 丫 一 , a 在恒 温 转变 中 出现纤 维状 及线 列状碳 化物 〔4 〕 , 同 年 , G ar y 和 y 。 ( 。 在 含N b 钢 中 , 观 察到 丫~ a 在连续 冷 却 过 程 中 , 形成 大量线 列状碳 化物 , 他 们都 认 为这种 线 列状碳 化物 是在移 功的 丫 / 。 相 界面上 1 5 0 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1979. 02. 014
形核。Honeyco mbe等人进一步的工作指示：Y→a转变过程中，合金碳化物以二种形态 在Y/α相界面上形核，它们相应形成线列状碳化物及纤维状碳化物，並运用薄晶体透射电 镜法进行验证：当电子束与线列状碳化物平行时，表现为线列状特征，利用试样倾转装置将 试样相对于入射电子束倾转一定角度，则显示出沿二维面析出特征，因而称之谓“相间流 波”〔6)，他们还提出：Y→α转变中，铁素体晶界的移动，直接受铁素体前沿奥氏体中碳浓 度所控制，当Y/α相界面上浓度够高时，只有不断析出碳化物，使其周围奥氏体中碳浓度不 断下降，保证了铁素体继续形成，Y/α晶界不断沿奥氏体方向移动，碳化物在铁素体一边继 续长大，依此反复进行，遗留下的便是相间沉淀碳化物。 概括而言，Ho ney co mbe关于Y/a相界面沉淀碳化物机制(7、8、9)是这样描 述的： 1. 相间沉淀：这种形式的碳化物与Y→α转变过程中台阶式生长机制以及K-S取问关 系有关，合金碳化物容易在能为生核、长大提供充分时间的低能、稳定的Y/α相界阶梯平面 上形成，而不是在高能、移动较快的Y/α相界阶梯竖面上形成。 2.纤维状碳化物：经常出现在没有阶梯的、高能Y/α界面上，这种形态的碳化物一旦 在Y/α相界面上形核，便随相界面移动，而连续长大。这种转变很似珠光体，但总是在更为 细小尺度内进行。 Purdy用超高电镜对1%Mo、0.4%C钢进行原位动态观察，进一步证实Mo2C纤维 状及相间沉淀直接在移动着的Y/α相界面上形核，二者在形成过程中相互具有竞争性〔10)。 尚未发表的工作〔11、12)证明：相界面结晶学特征，可以确定碳化物是以相间沉淀还是 纤维状析出。在γY→α相转变后，还发生在铁素体内位错密度较高处沉淀的第三类合金碳化 物(9)，作者强调，晶粒细化，沉淀强化对提高合金强度及韧性具有重要意义，特别是来源 于Y→α转变过程中及转变后沉淀出非常细小的合金碳化物的供献，在控制轧制中，相间沉 淀远比纤维状碳化物更重要。 林栋梁〔13)在含0.04原子%Nb0.02原子%c钢中，指出经控制轧制后，钢的下屈服强度 提高到35~42公斤/毫米2，这是由于晶粒细化，第二相NbC粒子析出及位错亚结构强化效果。 综上所述，在一般含强碳化物形成元素的合金钢中，通过晶粒细化，沉淀硬化及位错组 态联合作用，可以获得良好综合机械性能。 本文鉴于在低合金多元抗氢钢中，以不同形态沉淀的合金碳化物与获得良好综合机械性 能和抗氯腐蚀性能有密切关系〔14)，因此，选用薄晶体透射电镜法，配合以定量x衍射相分 析直接对比法〔15)，对不同形态的碳化物沉淀进行了探讨，並分析其影响因素，对位错中碳 化物给予了适当注意。 二、試险方法 试样取自碱性平炉冶炼，20毫米热轧钢板，合金成分及热处理程序分别见表I、表I 表I 合金成分 C s P Si Mn V Nb Mo 命 0.11 0.021 0.012 0.66 0.68 0.41 0.08 0.85 0.53 Aca为：944℃，Ac1为824℃ 151
形核 。 H 0 n e y 。 。 m b e 等人进 一 步的工作指示 : 丫 ~ 。 转 变过程 中 , 合金碳化物以二种形态 在 y / a 相界 面上形 核 , 它们相应 形成线 列 状碳 化 物 及纤维状 碳 化物 , 业 运用 薄 晶体透射 电 镜法进行 验证 : 当电子束与线列状碳化物平 行时 , 表 现 为线 列状 特征 , 利 用试样倾转装置将 试样相对 于入射 电 子 束倾转一 定角度 , 则显示 出 沿二维 面 析 出特 征 , 因而 称之 谓 “ 相 间流 波 ” 〔6 〕 , 他们还 提 出 : Y ` a 转变 中 , 铁素 体晶界的移 动 , 直接受 铁素 体前沿奥 氏体中碳浓 度所控制 , 当丫 / a 相界面上浓 度够高 时 , 只 有不断析出碳 化物 , 使其周 围奥氏体中碳浓度不 断下 降 , 保证 了铁素体继续 形成 , Y / a 晶界不断 沿奥氏体方 向移 动 , 碳化物在 铁素 体一边 继 续 长大 , 依 此反 复进行 , 遗留下的使是相间沉淀碳化 物 。 概 括而 言 , H o n e y e o m b e 关于 丫 / a 相界面 沉淀 碳 化物机 制 ( 7 、 8 、 9 ) 是这样描 述 的 : 1 . 相 间沉 淀 : 这种 形式 的碳 化物与 Y ” a 转 变过程 中台 阶式生 长机制以 及 K 一 S 取 向关 系有关 , 合金碳 化物容易 在能 为生核 、 长 大提供 充分 时间的低能 、 稳定的 丫 / a 相 界阶梯平面 上形成 , 而不 是在高 能 、 移动 较快 的丫 / a 相 界阶梯 竖面 上形成 。 . 于 .2 纤维状 碳化物 : 经 常出现 在没 有阶梯的 、 高能丫 / a 界面 上 , 这 种形态的碳化物一 旦 在 丫 / a 相 界面 上形核 , 便随 相界面移动 , 而连续 长大 。 这种 转变很似 珠光体 , 但 总是在更 为 细小尺 度内进 行 。 P ur d y 用超高 电镜对 l % M O 、 0 . 4 % C 钢 进行原 位动 态观 察 , 进 一 步证实 M o ZC 纤 维 状 及相间沉淀直接在移动 着的 丫 / a 相 界面 上形核 , 二 者在形 成过程 中相 互具有竞争性〔1 0 〕 。 尚未发表的 工作 〔1 1 、 1 2) 证 明: 相界面 结晶 学特征 , 可 以 确定碳 化物是 以相间沉 淀还 是 纤维 状析 出 。 在 丫 、 。 相 转变后 , 还 发生在 铁素体内位 错 密度较高处沉淀的第三 类 合金碳化 物〔 9 儿 作者 辑调 , 晶 粒 细 化 , 沉 淀强化对提高 合 金强度及韧性具有重要意义 , 特 别是来源 于 丫 , a 转 变过程 中及转变 后沉淀出非 常细小的 合金碳化物的供献 , 在 控 制轧制 中 , 相 间沉 淀远比纤维状碳 化物更 重要 。 林栋梁 〔1 3〕在 含0 . 04 原 子 % N b o . 02 原子 % c 钢 中 , 指 出经控 制轧制后 , 钢 的下屈服强度 爆高 到 35 一 42 公 斤 /毫米 忍 , 这 是由于 晶粒 细化 、 第二 相 N cb 粒 子析 出及位 错亚结构强 化效果 。 综 上所 述 , 在 一 般 含强碳 化物 形成 元素的合金 钢 中 , 通 过 晶粒细 化 、 沉淀 硬 化及位错组 态联 合作用 , 可以获得良好综 合机械性能 。 本文鉴于在 低合金多元抗氢钢 中 , 以不 同形态沉淀的合 金碳化物与获得良好综 合机械性 能和抗氧腐蚀性能 有密切关系 〔1 4 〕 , 因此 , 选 用薄 晶体透射 电镜法 , 配 合以 定量 x 衍射相 分 析直 接绍寸比法 ( 1 5〕 , 对不 同形 态的碳 化物沉 淀进 行 了探 讨 , 业 分析 其影响 因素 , 对位 错中碳 化物 给予了适 当注意 。 二 、 拭 验 方法 试样取自碱性平炉 冶炼 , 20 毫 米热 轧钢板 , 合 金成分 及热处理程序 分别 见表 I 、 表 I 表 I 合 金 成 分 C S P 5 1 M n N b M 0 0 . 1 1 0 . 0 2 1 0 . 0 1 2 0 . 6 6 0 . 6 8 0 . 4 1 0 . 0 8 0 . 8 5 0 . 5 3 A e 。 为 : 9 4 4 ℃ , A e , 为8 2 4 ℃ 1 5 1
钢在980℃~1000℃奥氏体化后，晶粒度为8~9级 表I 热处理程序* 编 号 热·处 理 1花 980℃ 1小时正火 2# 980℃ 1小时水淬 3# 980℃ 1小时正火+400℃2小时回火 4# 980℃1小时正火+700℃2小时回火 5# 980℃ 1小时正火+740℃2小时回火 6# 1000℃40分钟油淬 7袋 1000℃40分钟水淬 热处理试样尺寸：20×60×200毫米 电子显微镜观察薄晶体试样制备是将15毫米直径园棒，切成厚度为0.15~0.2毫米薄片， 用细砂纸磨光，开窗法电解抛光减遵，电解液用磷酸+铬酐(51)。 三、结果及讨论 1. 合金碳化物形态 '(1)Y*α连续冷却转变时，治金碳化物形态〔16)。 980一1000℃奥氏体化后，分别以不同速度（正火、油淬、水淬）冷却到室温，500倍光 学显微镜观察，组织主要是铁素体基体及不同含量的贝氏体及马氏体，少量隐约可见的碳化 物（图1、2、3见图版）。用薄晶体透射电镜观察，在正火试样内，晶内、‘晶界含有大量 碳化物颗粒（图4，见图版），各样品中碳化物形态共有三种： ①相间沉淀碳化物不同速度冷却的试样，在室温下均观察到相间沉淀（图5、“6、7 8见图版)，说明它们的形成是以较快速度进行的。其形态特征表现为在同一冷却速度下， 明显反映出形成温度对相间沉淀的影响，碳化物带间距不相等，不同带内质点大小也不相 同，高温下先形成的带间距宽、质点大，低温下没形成的带间距窄，质点小，其结果与恒温 温度升高相间沉淀粗化的结论〔17)一致。相间沉淀质点一般为几nm到几十nm,带间距也 在相同的尺度范围内，有的甚至密不可区分。冷却速度愈大，相间沉淀带愈，质点愈小。 碳化物带一般平行于M(B)/a相界或a:/a2相界（高温时均为Y/a相界）（图5、6、7）， 也观察到相间沉淀带与弯曲的Y/α相界面平行（图8）。二种情况下的相间沉淀均紧靠Y/a 相界面。 ②纤维状碳化物这种形态的碳化物一般垂直于Y/α相界生长，愈靠近相界碳化物愈 密意粗，远离相界面则渐趋稀疏，碳化物直径也仅有几nm至几十nm(图6、9见图版)。 以上二种形态的碳化物与X/α相界密切相关。有时同-一Y/α相界的两侧，分别为相间沉 淀及纤维状碳化物，当晶界走向改变时，碳化物形态随之而改变（图6）。 ③位错中碳化物在980℃正火试样中，清晰观察到位错与碳化物的交互作用，碳化 物沿位错析出和对位错钉礼C图L、10、11见图版)。加大冷却速度，如980℃水淬试样， 晶内出现大量位错网络和位错掘结（图12见图版），可以判断，随着冷却速度加大，碳化物 152
钢在 98 D七 ~ 1 0 0 0℃ 奥氏体化后 , 表 l 晶粒度为启~ 9 级 热处理程序 牵 - 毓事 一 _ _ _ _ _ _ _ _ 一 .1 -1 .1 . . - . - . . .一 . . . . . - . 一 … 曰 - . .1 . 1 :. 川 . 一 一 . 1 - 一 〕 . . 一一 油 .l 旧 … -1 .1 旧 一` } 热 一 处 理 一 ` 一 . 热 处理试 样尺寸 : 。 Z p K 60 ` . 20 q毫 米 电子显微镜观 察薄 晶体试 样制 备是将巧毫 米直 径 园棒 , 切 成厚 度为。 . 15 ~ 0 . 2毫米薄片 , 用 细砂纸磨光 , 开窗 法 电解抛 光减 薄 , 电解液 用磷 酸 + 铬 醉 ( :5 1 ) 。 三 、 结 果 ’ 及讨论 1一 合 金碳化物形 态 一 ,l( ) 丫 , 。 连续 冷 却转变 时 , 合 金碳化物形 态 〔1 6〕 。 · ` ` 98 0 ~ 10 0 ℃奥氏体化后 , 分别以不同速 度 ( 正 火 、 油 淬 、 水淬 ) 冷却 到室温 , ’50 o倍 光 学显微镜观 察 , 组 织主 要是 铁 素体基体及不同 含量的 贝氏 体 及马氏体 , 少 量隐约可 见的碳 化 物 ( 图 l 、 2 、 3 见 图版 ) 。 用薄 晶体透射 电镜 观察 , 在 正火试 样 内 , 晶内 、 ` 晶 界含有大量 碳化物颗粒 ( 图 4 一 , 见 图版 ) , 各 i 样 品 中碳 化物形 态共有三 种 : ’ ① ` ’ 柑间沉 淀碳 化物不同速 度冷却 的试 样 , 在 室温下均 观 察到 相 hl1 沉淀 ( 图 5 犷 6 、 7 8 见图版 ) , 说 明它们 的形成 是以 较快逮度进行 的 。 其形 态特征 表现 为在同一 冷却速度下 , 明显反 映 出形 成温 度 对相 间 沉淀 的 影响 , 碳 化物带 间距 不相等 , 不 同 带内质点 大小也不 相 同 , 高温下 先形 成 的带间距宽 、 质 点 天 , 低 温下没形成 的带 间距 窄 , 质 点 小 , 其结果 与恒 温 温度升高相间沉淀粗 化的 结论 〔17 〕一致 。 相 · 间沉 淀 质 点一般为几 。 m 到九十 。 m , 、 带间 距也 茬相同 的尺 度范围 内 , ` 有的县至 密尔可 区 分 。 冷却 速 度愈 大 , 相间沉 淀带 愈 窄 , 质 , 撇小 。 碳化物带一 般平 行 于 M ( B ) / a 相 界或 a , / a Z相 界 ( 高温 时均 为 Y / a 相 界 ) ( 图 5 、 6 、 7 ) , 也 观察 到相间沉 淀 带与弯 曲的丫 / a 相 界面 平行 ( 图 8 ) 。 二种 情况下 的相间 沉淀 均 紧靠 丫 / a 相 界 面 。 ② 纤 维状 碳 化物 这种 形 态的 碳 化物一 般垂 直 于丫 / a 相界生 长 , 愈靠近 相 界碳化物 愈 密愈粗 , 远离相 界面 则渐趋稀 疏 , ` 碳化物 直径 也仅 有几 n m 至几 十 n m ( 图 6 、 9 见 图版 ) 。 二 、 卫上二种形态的 ` 磷北丝毖潇双咧旦夕己蜜切担关 , 有时同= 丫 / a 相界的两侧 : 分 别为相 . 间 沉 淀 及纤 维状碳 化物 , 当晶 界走 l句改 变时 , 碳 化物形态 随之而 改 变 ( 图 6 ) 。 ③ 位错 中碳 化物 在 9 80 ℃ 正 火试 样中 , 清 晰 观察 到位错 与碳 化物 的 交 互 作用 . 碳 化 物 沿位错析 出和 对位谱钉 扎 一 ( 图 . 玩 10 , n 见 图饭) 。 加 大冷却 速 度 , 如 9 80 ℃水 淬 试样 二 晶 内出现 大量位错 网络 和位 错 涯结 ( 图 1 2见 图版 ) , 一 可以 判断 , 随 着冷却 速 度加 大 , 碳 化物 1 5 2
析出有可能完全被抑止住。 以上说明，连续冷却时Y→α转变过程中，碳化物以三种形式生成：即相间沉淀，纤维 状生长及沿位错线上析出。随着冷却速度增大，碳化物以更小尺度范围析出，进一步加大冷 速，碳化物沉淀完全被抑止住，而代之以贝氏体及马氏体大量形成（图2,3）。 (2)回火过程中碳化物形态 回火过程中碳化物形态远较Y→Q连续冷却时复杂，这是因为部分碳化物是在Y·α连续 冷却时形成，在随后回火过程中继续转化和长大，部分碳化物是贝氏体及马氏体在回火中的 分解产物。 ·①相间沉淀碳化物400℃回火，相间沉淀产物仍保持Y→α连续冷却转变过程中形成的 特征（图13）。低于600℃回火，贝氏体及马氏体分解产物主要为FeaC〔14)。400℃回火观 察到的相间沉淀碳化物仍然是连续冷却时形成的。高温740℃回火，相间沉淀具有恒温过程 中形成的特征（图14,24见图版），碳化物颗粒相同，带间距相等。晶内成弯曲排列的碳化 物带（图15见图版），显然，与现存的相界面并无直径联系。高于600℃回火，FeaC为V,C3所 代替〔14)，所以，恒温相间沉淀特征在高温回火中出现，有可能与粒状贝氏体中奥氏体在高 温回火时分解有关，下面我们将进一步阐明文中所给条件下，相间沉淀及纤维状碳化物主要 为V,Ca。 ②纤维状碳化物它们与在连续冷却过程中形成的并无火的差异，尺度稍粗大而已。 (图16见图版)同一晶界两侧生长不同尺度的纤维状碳化物，在奥氏体恒温分解时，也曾在 不同恒温下观察到，因此740℃回火观察到这种碳化物形态，仍有可能是Y*α连续冷却过程 申形成的，而在回火中继续长大。 ③·，位错中碳化物700℃及740℃回火试样中，合金碳化物表现为成串地在位错线上析 出（图17），部分V,Ca不表现沿位错析出，但具有明显Baker-Nutting取向关系〔18) (图17、18见图版)， {100}v,c3l{100} v,c81|L 而在￥→L连续冷却时，未观察到这种取向关系，它们是不稳定的贝氏体及马氏体在回火中 分解产物。 二、合金碳化物类型 根据x衍射定性定量测定〔14)以改电子衍射分析，10 MoWVNb钢中存在着四种主要类 型合金碳化物：V,C3、NbC、FeaC及Mo,C,V,Ca占碳化物总量76~90%，Mo2C量极 少，x衍射感测不出，Y-·a连铁冷却，生成的Fc3C最也很少，回火温度高于650℃，Fc3C 全部为合金碳化物所代替。选区电子衍射表明、V,C,一般为片状或细小针状（图19a、b见 图版)，NbC呈较大颗粒状（图20a、b见图版），Mo2C为细小杆状（图21a、b见图版）。 V,C、NbC及Mo,C都可能以相间沉淀及纤维形态析出。本文前述所观察三种碳化物形态 属那一种合金类型呢？逐一回答这一问题是有困难的，其一合金元素较复杂碳化物类型多， 其二析出碳化物如此细小，以至于在某些情况下，采用一般选区电子衍射也成为不太可能。 本文依据合金碳化物溶液于奥氏休中的温度(T)与溶解度积(k,)有如下的关系〔19、20)： 10g(ky,ca)=1og(V)(C)3=-30400 T +23.02 153
析 出有可能完 全被抑止 住 。 以 上说明 , 连续 冷却时 丫 、 a 转 变过 程 中 , 碳 化物 以 三种 形式生 成 : 即 相间沉淀 , 纤 维 林生 长及 沿位错线 上析出 。 随着 冷却速度 增大 , 碳 化物 以 更小 尺度范围析出 , 进一 步加大冷 速 , 碳化物沉淀 完全被抑止住 , 而 代之以 贝氏体 及马氏 体大量形 成 ( 图 2 , 3 ) 。 ( 2) 回火过 程 中碳 化物形态 ` 、 回火过 程中碳化物形 态远 较丫一 。 连续 冷却时复杂 , 这是 因为部分碳 化物是在 Y 一。 连续 冷却 时形成 , 在随后 回火过程 中继续转化和 长大 , 部分碳 化物是 贝氏体及马 氏体在回火 中的 分辫护箱 。 沉淀碳化物4。。 ℃回 、 , 1 相 间沉淀产物。 保持丫一 。 连续冷却转变过程 、 。 成的 特征 ( 图 1 3) 。 低 于 6 0 ℃回火 , 贝 氏体及马 氏体分解产物主要为 F ea c 以4 〕 。 40 。℃ 回火 观 察到的相 间沉淀碳化物仍 然是 连续冷却 时形成 的 。 高温 74 0 ℃ 回 火 , 相 间沉淀具有恒 温过程 中形成 的特征 ( 图 14 , 24 见 图版) , 碳化物颗粒相同 , 带间距相等 。 晶内成弯曲排 列的碳化 物带( 图 15 见 图版 ) , 显然 , 与现存的相 界面 并无直径 联 系 。 高 于 6 0 ℃回火 , F e : C 为V ` C : 所 代替 〔14 〕 , 所 以 , 恒温 相间 沉淀特征在高温回 火 中出现 , 有可能写粒状 贝氏体 中奥氏体在高 温回火 时分解有关 , 下 面我们 将进一 步 阐 明文中所给 条件下 , 相 间沉淀及纤维状碳化物主要 为V ` C 。 。 ② 纤维状 碳 化物 它们 与在 连续 冷却过程 中形成的并 无大 的差异 , 尺 度稍粗大而 已 。 ( 图 1 6见 图版 ) 同一 晶界两侧 生 长不 同 尺度的纤维 状碳化物 , 在 奥氏体恒温 分解时 , 也曾在 不同 恒温下 观察 到 , 因此 74 。 ℃回 火观察到这种 碳化物 形态 , 仍 有可 能是丫 , 认连续 冷却 过程 中形成 的 , 而在 回 火中继 续长 大 。 ③ · 位错中碳 化物 7 0 ℃ 及 74 0 ℃回 火试 样 中 , 合 金碳 化物表现为成串地在 位错线 上析 出 ( 图 17 、 ) , 部分 V 。 C 。 不 表现 沿 位 错析 出 , 但 具 有明显 B a k e r 一 N 叭 t i n g 取 向关系〔18〕 ( 图 17 、 玲见 图版 ) , 即 ( 10 0 } 、 ` 。 。 i t { 10 0 } L v ` c 3 日 L 而在 丫, L 连续 冷却 时 , 未观察到这 种取 向关系 , 它 ’fIl 是不 稳定 的贝氏体及马氏 体在 回火 中 分解产物 。 二 、 合 金碳化物 类型 . 根 据 x 衍射 定性定量 测定 〔14 〕以 及电子 衍射分析 , 10 M o W V N b 钢中存在 着四 种主 要类 塑 合金碳化物 : V ` C 。 、 N b C 、 I 了 e 。 C 及 M o : C , V ` C 。 占碳 化物总量 7 6~ 9 0 % , M o : C 量极 少 , x 衍 射感 测不 出 , Y 一 a 连续 冷却 时 , 生 成的 F o 3 C 量 也很少 , 回火温 度高 于6 50 ℃ , F e : C 全部为合 金碳 化物所代替 。 选 区 电子衍射 表明 、 V 4 C 。 一 般为片状 或细 小针状 ( 图 19 .a b 见 图版 ) , N 卜C 呈较大 颗粒 状 ( 图 Z o a 、 b见图版 ) , M o : C 为细小杆状 ( 图 2 1 a 、 b见 图版 ) 。 V . 0 ` 、 N b C 及 M 。 : C 都可 能以 相 间沉淀 及纤维形 态析 出 。 本文前述所观察三种碳化物形 态 属那一种 合金类型呢? 逐一 回答 这一 问题是 有困难 的 , 其一 合金 元素较复杂碳化物类型 多 , 其二 析 出碳 化物如此 细小 , 以至 于在某 些情况下 , 采 用一 般选 区 电子衍射也 成为不太可 能 。 本文 依据合金碳 化物溶 液于 奥氏体中的温 度 ( T ) 与溶解度积 ( k , ) 有如下的关系 〔19 、 2 0) : l ` , g ( k v ` e 。 ) = l ` ) g ( V ) ` ( C ) 3 一 3 0 4 0 0 一 T + 2 3 . 0 2 1 5 3
log(kNsc)=/og(Nb)(C)0.87=-7520 T÷+3.11 计算求得钢中V,C3及NbC溶解于奥氏体中的最低温速分别为827℃及1219℃，以上估 算说明选用980℃~1000℃固溶，V,C3基本溶解，而NbC则保留下来。其次，x光定量分析 (图22,23,24，见图版)及表亚也表明：三种冷却状况下，NbC量基本相同，而V,C3量 随冷却速度不同有显著差异，这也说明：NbC为一次未溶碳化物，因此其量几乎不受Y→a 转变过程中加热温度及冷却速度的影响，而V,C是溶解于奥氏后，在Y→α连续转变过程中以 不同形态重新析出的二次碳化物析出量的多少，与冷却速度有很大关系。以上综合分析阐明 在Y+a转变时，以相间沉淀，纤维状生长及位错线析出的合金碳化物应是V,C3而不是NbC 或其它。並不排除有可能在轧制过程中NbC以不同形态析出。 表夏 每100克钢中碳化物的重量（克） 样品 ViCx NbC ,980℃正火 0.21 0.05 1000℃油淬 0.05 0.06 1000℃水淬 0.05 0.07 3.Y/α相界面沉淀碳化物生核与长大 相间沉淀及纤维状合金碳化物，都已为实验证明它们是在移动着的Y/α相界面上生核 〔6、10)。本文应用薄晶体透射电镜法，将有关、但非平行于相间沉淀带的晶界面相对于入 射电子束倾斜，则可以通过二维晶界面反映出相间沉淀碳化物带的二维特征。图'(25、)是 根据上述原理观察到的相间沉淀与Y/α相界面的关系图象。我们可以用立体透射图(25、b) 加以说明。应该指出、b二图相互之间相差一个倾转角。图b中可以清晰看到，当入射电子 束与三角晶界面交线平行时，则相应的图象应是三条相交于一点的晶界线及沿Y/α相界平行 的相间沉淀线列，此为一般常见的图象如图5所示。若将图b中非平行于碳化物带的晶界面 相对于入射电子束倾斜一个角度，相应的图象即如图所示，不难看出碳化物带借倾斜晶界 面上反映出二维特征晶界面上的碳化物也成列状排列，並与三角晶界交线平行。图a、b在一 定程度上还反映出阶梯式生长关系。这个方法的特点是，仅在一张照片生直观地显示出相间 沉淀沿Y/a相界面生长特征'。从而从另一个角度验证了Honeyco mbe相间沉淀生核、长 大机制。 Ho童ey co mbe关于相间沉淀优先在低能Y/u相界平i,仙不是在高能移动较快的 Y/α竖面形核机理，说明这种情况下形成的相间沉淀最刿显特征之一是碳化物带基本平行于 Y/a相界或成小角度。本文中具有弯曲相间沉淀带並平行于弯曲的Y/α相界面（图8）， 以及晶内平行弯曲的碳化物带（图15），·则难于用以上机制解释。最近的工作〔11、12)证 明，相界面的结晶学特点，可以决定是发生相间沉淀，还是发生纤维状碳化物。本文认为 Y/α相界面结晶学特征与相间沉淀有密切关系，但不是唯一依据。·因为相间沉淀与纤维状碳 化物形核、生长的热力学条件是很重要的，相间沉淀碳化物一般可以在较高温度下形成，纤 维状碳化物在较低温度下形成〔8)，但它们之间具有竞争性〔10〕。另一方面同一Y/α相界面 两侧同时出现二种不同形态的碳化物，帕界走向改变时，形态发生相应改变（图6），难 154
1 0 9 (七、 、 。 ) = 1 0 9 (N b ) ( e ) 。 · ` ’ 二 7 5 2 0 T ’ + 3 . 1 1 ` 计算求得 钢中 v ` C 3及 N bC 溶解于 奥氏体中的最 低温速分 别为 8 2 7℃ 及 1 2 1 9℃ , 以 上估 算说 明选 用 98 。℃~ 1 0 0 ℃固 溶 , v ` C : 基本溶解 , 而 N b C 则 谋留下来 。 其 次 , x 光定量分 析 (图 2 , 2 3 , 2 4 , 见图版 ) 及表 I 也表 明 : 三 种冷却 状 况下 , N b C 量基本 相同 , 而 v ` C 。 量 随冷却速度不同有显著差异 , 这也说 明 : N b C 为一 次未溶 碳化物 , 因此 其量几 乎不 受 丫` a 转变过程中加热温度及冷却速 度的影响 , 而v ` C 。 是溶解于奥 氏后 , 在丫、 a 连续转变过程 中以 不同 形 态重新析 出的二次碳化 物析出晕的多少 , L 与冷 却速 度 有很 卜 大 关系 。 以 上综 合分 析 阐明 在` 一中变时 , 以相间沉淀 , 纤维状 生长 及位 错线析 出 的合金碳 化物应 是 v ` C 3 而不是 种 C 或其它 。 业不排除 亨可能在热制过程 中N b C 以不同 形态析 出 。 . ` 春严 每 1 .90 克钢 中碳 化物 的重 量 (克 ) 自八0U 上户a1 样品 ` 、 9 8D ℃ 正火 1 0 0 0 ℃ 油淬 1 0 0 0犯 水淬 V ` C s N b C 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 7 3 . 汀 a 相界 面沉淀碳化物 生核与长大 , 、 」 , 相间沉淀 及纤 维 状 合金碳 化物 , 都 已 为 实验 证 明它 们 是 在 移动 着的 丫 / a 相界面上生 核 〔 6 、 10 几 本文 应用薄 晶体透 射电镜 法 , 将有关 、 但非 平 行 于相 间沉淀带 的 晶界 面相对于 入 射电子 束倾斜 , 则 可 以 通过 二 维晶 界面 反 映 出 】 相间 沉淀碳 化物带 的二 维特征 。 图 (肠 、 a ) 是 根据 上述 原 理观察 到 的 相间沉淀 与 丫 / a 相界 面 的关系图 象 。 我 们可 以 用立 体透 射 图 (2 心 、 b) 加 以 说明 。 应 该指 出 a 、 b 二图 相互 之间 相 差一 个倾转 伯 。 图 b 中 一 可以 清 晰看 到 , 当入射 电子 束与三 角 晶界面交线 平 行 时 , 则 相应 的 图象 应 是三 条 相交 于一点的 晶界线 及 沿丫 / a 相界 平行 的相 间沉淀线 列 , 此为一 般常 见的 图象如 图 5 所示 。 若 将图 b 中非平 行 于碳 化物带 的 晶界面 相对 于入射 电子束 倾斜一 个角度 , 相应 的 图象 即如 图 a 所 示 , 不 难 看 出碳 化物带 借倾斜 晶 界 面上 反映 出二 维特 征晶 界面 上 的碳 化物 也成列 状排 列 , 业与 三角 晶界 交线平 行 。 图 a 、 b在 一 定 程 度上还 反 映 出阶梯 式 生长关系 。 这 个方 法 的特 点是 , 仅 在一 张焦片生直观地显示 出相 间 沉淀沿 Y / a 相 界面生 长特征 ’ 。 从 而从 另一 个角 度验 证 了 H 0 ne y 。 。 m b e 相间沉 淀生 核 、 长 大机枷 。 ` · 一 : . H o 。 。 y c o o b e 关 于 相间 沉 淀 优先 在 低能 丫八, 相 界平 而 , 而不 是 在 高能移 功较快 的 丫 a/ 竖 面 形核 机理 , , 说 明这 种情 况下 形成 的 相间沉淀最 明显特 征 之一 是 碳化物带 基本 平行 于 丫 / 。 相界或成州小 角 ; 度 。 本文 中具有弯 曲相 间沉 淀带业平 行 于弯曲的 丫/ a 相 界面 ( 图 8 ) , 以及晶内平 行 弯 曲的碳化物带 ( 图巧 ) , 财难子用 以 上机 制解释 。 最 近 的工 作 ( l r 、 1 2〕 证 明 , ` 相界面的 结晶学特点 , 可 以 决定 是发生 相 间沉 淀 , 还是 发生 纤 维 状碳 化物 。 本文 认 为 丫 a/ 相界 面结晶学特征 与相 间沉淀有密切 关系 , 但不 是唯一 依据 。 因为相间沉淀与纤维状碳 化物 形核 、 生长的热办学条 件 是很 重要 的 , 相间沉 淀碳 化物一 般 可 以 在 较高温度下形成 , 纤 维状碳 化物在 较低 温度 下形成〔8 升 但 它 们 之间具有竞争性 〔1 0 〕 。 另一 方 面同一 丫 / a 相 界面 两 侧同 时出 现二 种不 同 形态 的碳 化物 , 当 品 界 走向改 变时 , 形态 发生 相 应 改 变 ( 图 6 ) , 难 1 5 4
以判断那种碳化物形态是先生成，看来，选用薄晶体透射电镜动态原位观察对进一步阐明相 界面沉淀将是有益的。 四、结 论 1.10 MOWVNb钢在连续冷却时，Y→α转变过程中观察到碳化物以相间沉淀、纤维 状生长以及位错线上析出三种方式形成。 2.用x衍射定量相分析及碳化物固溶温度估算，进一步阐明文所给真体条件下，Y →α连续冷却过程中析出的碳化物主要为V,C3。 3.应用薄晶体试样中晶界相对于入射电子束倾斜能显示二维晶界面特征的方法，验证 了Honey co mbe关于相间沉淀容易在低能、平直的Y/a相界面生核、长大机制。 4:低温400℃回火，相间沉淀碳化物保持在连续冷却过程中析出的特征，.高温740℃回 火，部分相间沉淀碳化物具有恒温形成时的特征，这种形式的相间沉淀有可能是粒状贝氏体 中的奥氏体在高温回火时的分解产物。 参考。文献 (1)Morrison,W.B.Woodhead,J.H.,J.Iron steel Inst,Vol201 (1963),43. 〔2)谷野满、西田克彦等，日本金属学会志，Vo1.29,(1965),728,734,794. (3)Gray,J.M.,Webster,P.and Woodhcad,J.H.,J.Iron steel 1nst,Vo1.203,(1965),812 (4)Davenport,A.T.Berry,F.G &.Honeyco mbe,R.W.K.,Metal sci.J.,2(1968),104. (5)Gray,J.M.&.yeo,B.S.,Trans.Am.Soc.Metals Quarterly, (61)2,(1968),255. (6)Davenport,A.T.,Honeyco mbe,R.W.K.,Proc.Roy.soc. Lond A.322,(1971),191 (7)Campbell,K.and Honeyco mbe,R.W.K.,Met.sci.,Vol.8, (1974),197 (8)Honeyco mbe,R.W.K.,Met.Trans.A,(1976),915 (9)Honeyco mbe,R.W.K.,Basic research on achievemenl of to ughness and strength of alloy steels (10)Purdy,G.R.Acta Metallugica,Vo1.26,(1978),487 (11)Miller,D.R.unpublished work (12)Bee,J.V.,Ho well,P.R.and Honeyco mbe,R.W.K.,Co.urse of publication 〔13)林栋梁上海交通大学学报，1.(1978)，134 〔14)葛默辉、陈梦谪、李华瑞、程桂娟高温高压氢介质中钢内碳化物与抗氢性能的 上海冶金，1979,1,65 155
以 判断那 界而沉 淀 化物 形态是先生 成 , 有益 的 。 ` 看来 , 种将碳是 选用薄 晶体透 射电镜动 态原位 观察对进一 步阐明相 四 》 结 飞亡 1 . l o M O W v Nb 钢在 连续 冷却 时 , 丫 净。 转 变过程 中观蔡甸破化物以 相向沉淀 、 纤 维 状生长以 及位错线上析 出兰种方式形成 。 2 . 用 二 ’ 衍射定 皇相分析 及碳 化物固 溶温度估算 , 进一 步阐 明文 币所给真体 条件 下 , 丫 , 。 连续冷知过程 中析 出的碳化物主要为V ` c 。 。 3一口角薄晶体试 样中晶 界相对 子入射电子 束倾斜 能显 示二维 晶界面特征的方 法 , 验 证 了 H 0 n e ; c o m b e 关于相间沉淀容易在 低能 、 平直 的丫 a/ 相界 面生核 、 长灵机制 , 4 缈 ℃回火 , . 相 间沉淀碳 化物谬持在连续 冷却过 程中析出 一 的 特征 , . 、 高温 7 4。 ℃回 火 , 部分 相间沉淀碳化物具有恒温 形成 时的特征 , 这 种形式的相 间沉淀有可 能是粒 状 贝氏体 巾的奥氏体在高温回 火时 的分解产 物 。 参 考 文 献 ( 1 〕 〔2 〕 〔 3 〕 M 0 r r i s o n , W . B . W o o d l e a d , J . H . , J . l r o n s t e e l I n s t , V o l 2 0 1 ( 1 9 6 3 ) , 4 3 . 谷野 满 、 西田 草彦 等 , 日本 金属 学 会志 , V o l . 2 9 , ( 2 9 6 5 ) , 7 2 8 , 7 3 4 , 7 9 4 . G r a y , J . M . , W e b s t e r , P . a n d W o o j h o a d , J . IJ . , J . l r o n s t e e l 1 n s t , V o l . Z o 3 , ( 一9 6 5 ) , 5 1 2 D a v e n p o r t , A . T . B e r r y , F . G & . H o n o y e o m b e , R . W . K . , M e t a l s e i . J . , 2 ( 1 9 6 8 ) , 1 0 4 . G r a y , J . M . & , y e o , B . S . , T r a n s . A n i . S o e . M e t a l s Q u a r t e r l y , ( 6 1 ) 2 , ( 1 9 6 8 ) , 2 5 5 . D a v e n p o r t , A . .T , H o n e y e o m b e , R . W . K . , P r o e . R o y . s o e . L o n d A . 3 2 2 , ( 1 9 7 1 ) , 1 9 1 C a m p b o l l , K . a n d H o n e 犷 e o m l ) e , R . W . K . , M e t . s e i . , V o l . 8 , ( 1 9 7 4 ) , 1 9 7 H 0 n e y e o m b e , R . W . K . , M e t . T r a n s . A , ( 一9 7 6 ) , 9 1 5 H 0 n e y e o m b e , R . W . K . , B a s i e r e s e a r e h o n a e h i e v e m e n l o f t 0 u g h n e s s a n d s t r e n g t h o f a l l o y s t e e l s P u r d y , G . R . A e t a M e t a l l u g i e a , V o l . 2 6 , ( 19 7 8 ) , 4 8 7 M 1 1 l e r , D . R . u n p u b l i s h e d w o r k B e e , J . V . , H o w e l l , P , R . a n d H o n e y e o m b e , R . W . K . , C O 一 u r s e 0 f P u b l i e a t i o n 林栋梁上海 交通大学学报 , 1 . ( 1 9 7 8 ) , 134 葛默辉 、 陈梦 滴 、 李华瑞 、 程桂娟 高 温高压 氢介质中钢 内碳 化物 与抗氢 性能 的 上海冶金 , 1 9 7 9 , 一, 6 5 ] 5 5 、 . 、声J.二. 45 尹护、I.J 、 . 工J户es 67 尹l 、沪. . 目饭 〔8 〕 ( 9 〕 、沪. 、 八U 护、沪.l ù几上主., , 土心lO 尹卫、 J 沪胜、.ó 〔1 3〕 〔14 〕
〔15)李华骆、陈梦谪、葛默辉、程桂奶低碳低合金钢碳化物x射线定量相分析的直 接对比法 中国金属学年会文集，(1978) 〔16)北京钢铁学院、，上.钢一厂透射电镜观察薄品体Y/α相间沉淀 电予光学会议交流资料之二(1978) (17)Batte,A.D.Honeyco mbe,R.W.K.J.Iron stecl Inst,, 211(1973),284, (18)Baker,R.G Nutting,J.Precipitation Processes in steels,. iron and steel Institute special Report,No.64 (1959)1 〔19)棍晴男，杯修司，林登，铁钢第58年，第13号，，(1972)，1759。 (20)Nord berg,H.and Alonssen,B.,J.Iron steel Inst.,206, (1968),1263. 木文部分照片由上海钢研所俞学节及北京科学器材公司电镜室协助拍出，特此致谢。 木文工作得到柯俊教授指导，论文先后经柯俊、章守华二教授修改，特此致以衷心感 谢！ 156
〔 〕 李华瑞 5 1 、 陈梦滴 、 葛默 辉 、 程 干仁娟 低碳 低合 金钢碳 化物 射线 定 量相分 析 的直 x 接 对比法 中国金 属学 年会文集 , ( 1 9 7 8 ) 〔1 6〕 北 京钢铁 学院 、 卜钢 一 厂 透 射 电镜 观察 薄 晶体 Y / a 相 间沉 淀 电子 光学会议 交流 资料 之 二 ( 1 9 7 8) 〔1 7〕 B a t t e , A . D . & H o n 刀 y e o m } 〕 。 , R . W . I丈 . J . l r o n s t e e l I n s t . , 2 1 1 ( 19 7 3 ) , 2 8 ` 4 , 〔1 8 〕 B a k e r , R . G & N u t t i n g , J . p r e e i p 三t a t i o n p r o e e s s e s i n , s t e e l s , , 1 r o n a n d s t e e l I n s t i t u t e s p e e i a l 一 R e p o r 王 , N J . 6 4 一 ( 19 5 9 ) i ` 〔19 〕 棍 晴男 , 手F 修司 , 林 登 , 铁 钢第5拜 , 第 13 号 , ( 1 9 7 2) , 「 1 75 9 。 . - 〔2 0〕 N o r d b e r g , H . a n d A l o 。 s s e n , B . , J . l r o 。 s t e 弓l 一n s t . , 2 0 6 , ( 1 9 6 8 ) , 1 2 6 3 . 木文部分照 片由上海钢研所俞 学节 及北京科 学器 材公 司 电镜 室协助拍出 , 特此致 谢 , 木文 工作得到 柯 俊教授指 导 , 论文先后 经柯俊 、 章守华二 教授 修改 , 特此致 以衷心庐 谢 ! 矛 护心 一
低合金钢(10 Mo W V Nb)中Y/a相界而沉淀及位错碳化物 图版 图1980℃正火 ×500 图21000℃油淬 ×500 图31000℃水淬 ×500 图4980℃正火 ×10000 (金属薄膜) 14
低合金 钢 ( 10 M O W V N b) 中 Y / 。 相 界而 沉淀 及位 错 碳化物 图版 图 1 9 8 0 ℃ 正 火 义 5 0 0 图 2 10 0 0℃ 油 淬 X 5 0 0 疑翠 图 3 2 0 0 0℃水 淬 X 5 0 0 图 4 9 8 0℃ 正 火 又 10 0 0 0 (金 属薄膜 ) 1 4
图5980℃正火 ×20000 (金属薄膜) 图61000℃油淬 ×30000 (金属薄膜) 图71000℃水淬 ×60000 (金属薄膜) 图81000℃油淬 ×30000 (金属薄膜) 图91000℃油淬 ×60000 (金属薄膜) 1
图 5 9 8 0℃ 正 火 , 口 义 2 0 0 0 0 ( 金 属 薄膜) 图 6 1 0 0 0 ℃ 油淬 x 3 0 0 0 0 ( 金 属 薄膜 ) 1 0 0 0 oC 水淬 X 6 0 0 0 0 ( 金 属 薄膜 ) 图 8 1 0 0 0 ℃ 油淬 x 3 0 0 0 0 ( 金属 薄膜 ) . . 图 9 1 0 0 0 ℃ 油淬 火 6 0 0 0 0 ( 金 属薄膜 ) 1 代
图10980℃正火 ×18000(金属薄膜) 图11980℃正火 ×42000(金属薄膜) 图12980℃水淬 ×35000(金属薄膜) 1500(铜版) 16
图 1 0 9 8 0 ℃ 正 火 义 一8 0 0 0 ( 金属 薄膜 ) 图 1 1 9 8 0 ℃ 正 火 X 4 20 0 0 ( 金 属薄膜 ) 图1 2 9 8 0 ℃ 水淬 X 3 5 0 0 0 ( 金 属 薄 膜) 1 5 0 0 ( 寸同)凌) 1 6
