D0I:10.13374/j.issn1001-一053x.1984.04.009 北京钢铁学院学报 1984年第4期 1Cr13钢中相界面析出碳化物 及其对裂纹扩展的影响 金物教研宝尹桂全陈梦谪柯俊 摘 要 木文用薄晶体透射电镜法，探讨了1C13不锈钢等温分解时两种不同形态的相间析出碳化物一“相间沉定”和纤 维状碳化物形成的条作，分折了它们的不同形态之间的联系，并利用扫描电镜同时观察冲击断口形貌及对应的倾斜面 显微组织，发现了相界面析出碳化物对微裂纹传播的阻碍作用，最后用一次裂纹扩展作了验证，并与诈回火试样进行 比较。 前 言 近年来，对于合金钢中奥氐体分解的研究工作表明：存在一种与熟知的珠光体转变不 同的相变方式一生成铁素体和特殊碳化物点列或特殊碳化物纤维的混合物，即“相界面沉 定”，而通常那种珠光体的生成过程被抑制〔1][2]。一般认为，它们是在奥氐体() 铁素体(a)转变过程中的r/a相界面上成核，在α基体中长大的所谓的“界面成核机 制”。析出相与基体保持一定取向关系[3~]。也已发现，这些钢中的相界面沉淀碳化物， 在从高温奥氏体化状态到室温的缓冷过程中也可生成[6]。甚至不含强碳化物形成元素的 钢，当在A!点以下的上贝氏体形成温度附近等温转变时，亦可生成F©C相间沉淀组织 (文献中有称“退化珠光体”的)【7门。以前的工作对它们的形核、长大过程以及强化研 究得较多，对它们在钢中其它作用只有初步探索[8]~[10]，尤其对各种形态碳化物在钢 的断裂过程中微观行为报导不多。 本文用潜晶体透射电镜法，探讨了1C13不锈钢等温分解时两种不同形态的相间析山 碳化物一“相间沉淀”和纤维状碳化物形成的条件，分析它们的不同形态之间的联系；并 利用扫描电镜同时观察冲击断口形貌及对应的倾斜面显微组织，研究“相间沉淀”和微裂 纹扩展的关系，探索相界面沉淀对钢的韧性和断裂过程的影响，然后用一次裂纹扩展作了 验证。 ◆北京钢铁学院1979届研究生，现在马核山钢铁学院金相教研酐家工作 89
北 京 铜 铁 学 院 学 报 年 第 期 州 ， 一 口 曰口‘ ‘ 洲 ‘ 臼“ 边‘ ， ‘ 钢中相界面析出碳化物 及其对裂纹扩展的影响 全物教研 室 尹 桂 全 陈梦摘 柯俊 摘 要 木文用薄晶休透 射电镜法 ， 探讨了 不 锈钢等温分解时两种不同 形态的 相间析 出碳化物一 “ 相间沉定 ” 和纤 维状碳化物形成的 条件 ， 分析了 它们的不 同形态之间的联系， 并利用 扫描 电镜同 时观察冲击断 口 形貌 及对应的倾料 面 显徽组 织 ， 发现了相界面析 出碳化物对微裂纹传播的阻碍作用 ， 最后用 一 次 裂纹扩展作了验证 ， 并与淬回 火试样进 行 比较 。 启斤 ，玉 日幼 万 近 年来 ， 对 于 合金钢 中奥 氏体分解 的研究工作表 明 存在一 种 与熟知的珠 光体转变不 同的相变方式一生成铁素体和特殊碳化物点列或特殊碳化物纤维 的混 合物 ， 即 “ 相界面沉 定” ，而通 常那种珠光体的生成过程 被抑制 〔 门 〕 。 一 般认为 ， 它们 是在奥 氏体 ‘ 铁素体 转变过 程 中的 相界 面上成核 ， 在 基 体中长大 的所谓 的 “ 界 面 成 核 机 制” 。 析 出相 与基 体保持一 定取 向关系 〕 。 也 已发现 ， 这 些钢 中的相界 面沉淀碳化物 ， 在从 高温 奥 氏体化状 态 到室温 的缓 冷过程 中也 可生 成 〕 。 甚至不 含强 碳化物形成元 素的 钢 ， 当在 点以 下 的 贝 氏体形成温度 附近 等温转变时 ， 亦可生成 。 相 间 沉 淀 组 织 文献中有称 “ 退化珠光体 ” 的 〔 〕 。 以前 的工作对 它们 的形核 、 长大过程 以及强化研 究得较多 ， 对 它们在钢 中其它作用 只有初步探索 〕 一 〔 “ 〕 ， 尤 其对各种形态 碳化物在钢 的断裂过程 中微观行为报导 不 多 。 本文 用薄晶体透射 电镜 法 ， 探讨 了 不 锈钢等温 分解 时两 种不 同形态 的相 间析 出 碳化物一 “ 相间沉 淀 ” 和 纤维状 碳化 物形成的条件 ， 分析它们 的不 同形 态之 间的联系， 并 利用扫描 电镜 同时观察冲击断 口 形貌及对应 的倾斜面显微组 织 ， 研究 “ 相 间沉 淀” 和微裂 纹扩展 的关系 ， 探索相界面沉 淀对钢 的韧性和断裂过程 的影 响， 然后用一 次裂纹扩展作了 脸证 。 决 北京钢铁学院 届研究生 ， 现 在马鞍山钢铁学院金相教研室工作 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．04．009
实验方法 选用含有较粗组织的1Cr13钢，成分如下（重量百分数）： C:0.14,Cr:13.05,Si:0.22,Mn0.23,Ni:0.13,S:0.010;P:0.027 参考12%Cr的Fe-Cr一C平衡图[11]，.TTT转变曲线[12]，有关的各种相的成分 范围C13],可知在室温时，平衡态，实验用钢只含有铁素体和碳化物M23C。 样品在990°C~1050°C加热40~60分钟进行奥氏体化，使固溶体充分均匀，然后在 650°~800C之间每隔25°C分别作完全转变和不完全转变两种等温处理。 热处理后的样品毛坯制成标准梅氏U形缺口冲击试样，在室温25°C时于HB一30冲击 试验机上一次击断。 在冲击断口上大约一半处倾斜制备金相观察面，用异丙醇加10%盐酸溶液没蚀，以供 扫描电镜同时观察断口附近和二次裂纹与显微组织之间关系（见图1） 将Mo丝切出预裂纹的试样放在PL一10高频疲劳试验机上，通过加压使预裂纹扩展， 切下含有一次裂纹的部分制备金相磨面供扫描电镜观察（见图2）。 供透射电镜观察用的薄膜按常规方法从块状断口试样上制取。用双喷法减薄，电解液 为丁氧基乙醇与高氯酸混合液(100：7)，用干冰冷却到-12°C以下使用。 一断口十金相 一断口十金相 SEM观杂面 一次裂纹 予裂纹 图1 图2 薄膜形貌观察及结构分析在H一700电镜及EM400T上进行，复型样品观察在BS一413 A电镜上进行。断口样品在S一450型以及JSM一35cF型扫描电镜上进行。 实验结果与讨论 1、1Cr13钢等温转变组织的特点 1Cr13钢在650°C~800°C等温转变后形成的组织，在光学显微镜下观察为a基体上分 布有少量碳化物颗粒，等温转变不完全的试样中有马氏体板条。各样品皆含有少量高温冷 却时形成的珠光体。 电镜下观察到多种形态的碳化物。在T00°C以上温度等温处理，形成珠光体和随意分 布的弥散碳化物。在650°C~700°C等温处理，主要形成两种形态的碳化物：“相间沉淀” 90
实 验 方 法 选用含有较粗组织的 钢 ， 成分如下 重量百分数 ， 。 ， 。 ， 。 ， 。 ， 参考 的 一 一 平衡图 〕 ， 转变曲线 〔 〕 ， 有关的各种相 的 成 分 范围 〔 〕 ， 可知在室温 时 ， 平衡态 ， 实验用钢只含有铁素体和 碳化 物 。 样品在 。 。 加热 分钟进行奥 氏体化 ， 使 固溶体充分均匀 ， 然 后 在 。 之 间每隔 分别作完全转变和不完全转变两 种等温处理 。 热处理后 的样品毛 坯制成标准梅 氏 形缺 口 冲击试样 ， 在 室温 时于 一 冲 击 试验机上一 次击断 。 在冲击断口 上大约一半处倾斜制备金相观察面 ， 用异丙醇加 盐酸溶液浸蚀 ， 以供 扫描 电镜 同时观察断 口 附近和二次裂纹与显微组织之 间关系 见 图 将 。 丝切出预裂纹的试样放在 一 高频疲劳试验机上 ， 通过 加压使预裂纹扩展 ， 切下含有一次裂纹 的部分制备金相磨面供扫描电镜观察 见 图 。 供透射 电镜观察用的薄膜按常规方法从块状断 口 试样上制取 。 用双 喷法减薄 ， 电解液 为丁氧基 乙醇与高抓酸混合液 。 ， 用干冰冷却到 一 “ 以 下使用 。 娜建月 交 ” “ 面， 广之共燮竺 予 裂 纹 剖 图 。 薄膜形貌观察及结构分析在 一 电镜及 上进行 ， 复型 样品观察在 一 电镜上进行 。 断 口 样品在 一 型 以及 一 型扫描 电镜上进 行 。 实验结果与讨论 、 铜等沮转变组织的特点 钢在 。 。 “ 等温转变后形成的组 织 ， 在光学显微镜下观 察为 基体上分 布有少量碳化物顺粒 ， 等温转变不完全的试样中有马 氏体板条 。 各样品 皆含有少量 高温 冷 却时形成的珠光体 。 电镜下观察到多种形态的碳化物 。 在 以上温度 等温处理 ， 形成珠光体和 随意分 布的弥 散碳化物 。 在 等温处理 ，主要形成两种形态 的碳化 物 “ 相闻沉 淀
(033)a (5ii) 731 (i23)a (000) (542) (i0)a 图3相间沉淀碳化物片，行中小片长轴方向与行的方向垂直(650℃等温1小时) (a)明场象 (b)暗场象 (c)衍射谱 (d)衍射谱指标化 和纤维状析出。前者为铁素体基体上分布有细小弥散粒子排成的整齐行列，有矩阵式粒子 片、点状颗粒、链状排列、沉淀带等多种形态，皆与一般合金材料回火处理生成的组织中 同类碳化物形态明显不同（见图3~7)。相图分析以及电子衍射谱计算表明它们是Cr:C。 观察到的“相间沉淀”各形态可解释为空间小片在析出面上整齐层状分布，当入射电子束 与灣膜相对方位不同时，各截面上的沉淀列呈现不同形态[6][14]。 纤维状碳化物亦观察到多种形态（见图8）并在同一晶界两侧分别出现“相间沉淀” 和纤维状碳化物的现象（图8(C))。尤其是图8(a)中长短相间、平行排列的直长纤 维与一边界面成一角度，每一根与界面台阶的弯曲竖面相联系的现象，表明纤维状碳化物 91
八 。 行 “ 图 相 间沉淀碳化物片 ，行中小片长轴方向与行 的方向垂直 ‘ 等温 小时 明场象 暗场象 衍射谱 衍射谱指标化 和纤维状析出 。 前者为铁素体基体上分布有细小弥散粒子排成的整齐行列 ， 有矩阵式粒子 片 、 点状顺粒 、 链状 排列 、 沉 淀带等多种形态 ， 皆与一般合金材料回火处理生成的组 织中 同类碳化物形态 明显不 同 见 图 。 相图分析以及 电子 衍射谱计算表明它们是 。 观察到 的 “ 相 间沉淀” 各形态 可解释为空 间小片在析出面上整齐层状分布 ， 当入射 电子束 与薄膜相对方位不 同时 ， 各截面上的沉淀列呈现不 同形态 〕 们 。 纤维状碳化物亦观察到多种形态 见 图 并在同一 晶界两侧 分别出现 “ 相 间 沉 淀” 和纤维状碳化物 的现 象 图 。 尤其是 图 中长短相 间 、 平行 排列 的 直 长 纤 维与一边界面成一 角度 ， 每一 根与界面 台阶的弯曲竖面相联系的现 象 ， 表 明纤维状碳化物
品界 有 (a) (b) 图4相间沉淀碳化物片(650°℃等温1小时) ()行中小片方向与行的方向平行 ()行中小片方向与行的方向斜交 7 (a) (b) 图5点粒状相间沉淀 (a)680C等温4小时（萃取复型象） (b)650°C等温5小时 92
泪一之﹄乍二 卜 份祖 犷湘牛﹄甲目，神卜犷奋 认彬 图 相间沉淀碳化物片 ” 等温 小时 行中小片方向与行的方向平行 行中小片方向与行的方向斜交 图 点粒状相 间沉捉 。 等温 小时 萃取发型象 等温 小时
图6链状相间沉淀(650°等温5小时) 图7相间沉淀带(650°C等温5小时) (a) (b) (c) 图8各种维状碳化物 (a)700°C等温30分钟， (b)700C等温3小时， (c)650C等温5小时， 的形核长大也可能和界面的台阶有关，但与“相间沉淀”的台阶式生长又不同。这方面的 工作还有待于深入进行。 2.1Cr18钢中两种特殊碳化物形成的条件 透射电镜对薄膜和碳膜复型的观察以及扫描电镜对金相磨面的观察都表明：1C:13钢 在高温奥氏体化后立即于650°C~700°C等温转变，皆可形成C2aC。“相间沉淀”和纤维 状碳化物。在650°C等温不同时间形成的组织以“相间沉淀”为主，纤维状碳化物则在 700°C大量析出。在700°C等温保温的时间短时，组织中的纤维状析出多，“相间沉淀”少，但 保温时间长时，“相间沉淀”增多。在此温度范围某一温度等温转变的时间越长，相应的特殊 93
图 链伏相 间沉 淀 。 等温 小时 图 相 ’ 沉 淀带 等温 小时 图 各种维 状碳化物 等温 小时， 等温 分钟 ， 等温 小时 。 的形核 长大也可能 和界 面 的台阶有关 ， 但与 “ 相 间沉 淀” 的台阶式生 长又 不 同 。 这方 而 的 工 作还有待 于深 入进 行 。 铜中两种特殊碳化物 形成的亲件 透射 电镜对薄膜和碳膜复型 的观察以及扫描电镜对金相磨面 的观察都表 明 钢 在高温奥 氏体化后立 即于 等温 转变 ， 皆可形成 “ 相 间沉 淀 ” 和 纤维 状碳化物 。 在 等温不 同时间形成 的组织 以 “ 相 间沉 淀” 为 主， 纤维状 碳 化 物 则 在 大量析 出 。 在 等温保温 的时间短时 ， 组织中的纤维状析出多 ， “ 相 间沉 淀 ” 少 ，但 保温 时间长时 ， “ 相 间沉 淀 ” 增多 。 在此温度范围某一温度等温转变的时间越 长 ，相应 的特殊
碳化物析出量增多，平均尺寸也大，逐渐球化。可见，温度和时间，通过对过饱和度、生 核带、界面迁移、碳及合金元素相对扩散速度的影响，是使特殊碳化物产生并且造成二者 形态上显著差异的重要因素。 3、 断口上特殊碳化物与裂纹的作用 冲击试验结果如下： 试样号 等温温度 等温时间 冲击功（取二块平均值） 1° 700°C 30分钟 7.13公斤米 /7.05 7.20/ 3 700°C 3小时 12.50公斤·米 10.64 14.35 5° 650°C 1小时 0.88公斤·米 /0.76 1.00/ 7° 650°C 5小时 >15.2公斤·米（注） >15.00 15.40/ [注]，7#样品中的一块用15公斤摆锤未能冲断，实际冲击功大于15公斤米，故取下限。 由于实验时产生“相间沉淀”和“纤维状折出”的热处理工艺同时也造成了试样的不同品粒度以及 不同的折出相数最，因而无法对这两种含不同形态碳化物的试样(3·和7)作冲击值比较，以区别两 种形态碳化物的不同作用或影响程度，故冲击功数值只能作参考。 图9不同显微组织的样品宏观断口的比较，3x(切口上的号码表明试样号) (&) (b) 50μ 50μ 94
碳化物析 出量增多 ， 平均尺 寸也大 ， 逐渐球化 。 可见 ， 温度和 时间 ， 通过对过饱和度 、 生 核带 、 界面迁移 、 碳及合金元素相对扩散速度 的影 响 ， 是 使特殊碳化物产生并且造 成二者 形态上显著差 异 的重要 因素 。 、 断 口 上特殊碳化物 与裂纹 的作用 冲击试验结果如下 试 样 号 等温温度 等温时间 分钟 冲击功 取二 块平均值 了、 尸 吸认了了、叮住、、 公 斤 米 · 。 小时 。 公斤 · 米 注 小时 。 公斤 · 米 小时 。 公 斤 · 米 注〕 二 了 样品中的一块 用 公斤摆锤未能冲断 ， 实际冲击功 大于 公斤 · 米 ， 故取 下限 。 由于实验时产生 “ 相间沉淀” 和 “ 纤维状折出” 的热处理工艺同时 也造成 了 试样的不 同晶拉度以及 不同 的 析出相数量 ， 因而无法对这两种含不同 形态碳化物的试样 ’ 和尸 作冲击值比较 ， 以 区别 两 种 形 态 碳 化 物 的 不 同作用 或影响程度 ，故冲 击功 数值只能 作参考 。 动敷姗 图 不同显微组 织的样品宏观断 口 的比较 ， 切 口 上的号码表明试样号 卜一二 勺 二甲 林 一
(c) 150 B 图107样品(650C等温5小时)断口三区形貌 (a)韧性[区 (b)过渡区 (c)脆性区 为避免马氏体等因素的影响，重点观察了分别在700°C及650°C完全转变的试样3·和 7',断口宏观形貌见图9。从断口宏观形貌以及冲击功数值可以看出，等温转变不完全的 1·和5样品中因含有马氏体组织，韧性显然要比含有完全是特殊碳化物的3和7·次得多， 样品呈现出脆性的、粗晶粒的断口。 断口一般分为韧性区、脆性区、韧脆过渡区三部分（图10），但7样品的韧性区比3°的 长，切口附近韧窝区内的韧窝尺寸也细小些，且韧性区和过渡区金相迎察面一侧的微裂纹 都显得比3的短粗。从这些方面看来，7样品的韧性又较3的好些。 利用扫描电镜观察断口和同一断口的倾斜面金相试样，在650°等温5小时（主要含有 “相间沉淀”)和700°C等温3小时（两种形态碳化物共存）的样品中，显示出微裂纹扩 展在存在相界面沉淀的区域内受到阻碍。“相间沉淀”或纤维状碳化物（有时只能见到 26552K( 1266228KU 5U: (a) (h) 95
碳化物析 出量增多 ， 平均尺 寸也大 ， 逐渐球化 。 可见 ， 温度和 时间 ， 通过对过饱和度 、 生 核带 、 界面迁移 、 碳及合金元素相对扩散速度 的影 响 ， 是 使特殊碳化物产生并且造 成二者 形态上显著差 异 的重要 因素 。 、 断 口 上特殊碳化物 与裂纹 的作用 冲击试验结果如下 试 样 号 等温温度 等温时间 分钟 冲击功 取二 块平均值 了、 尸 吸认了了、叮住、、 公 斤 米 · 。 小时 。 公斤 · 米 注 小时 。 公斤 · 米 小时 。 公 斤 · 米 注〕 二 了 样品中的一块 用 公斤摆锤未能冲断 ， 实际冲击功 大于 公斤 · 米 ， 故取 下限 。 由于实验时产生 “ 相间沉淀” 和 “ 纤维状折出” 的热处理工艺同时 也造成 了 试样的不 同晶拉度以及 不同 的 析出相数量 ， 因而无法对这两种含不同 形态碳化物的试样 ’ 和尸 作冲击值比较 ， 以 区别 两 种 形 态 碳 化 物 的 不 同作用 或影响程度 ，故冲 击功 数值只能 作参考 。 动敷姗 图 不同显微组 织的样品宏观断 口 的比较 ， 切 口 上的号码表明试样号 卜一二 勺 二甲 林 一
1228829￥里 1221728K0 (c) (a) 图11“相间沉淀能够阻挡来白各个方向微裂纹的穿行 (G50C等温5小时样品) 4 裂纹扩展方向 1221928KU58U t 1221128KU 图12“相间沉淀”迫使垂直而来的微裂纹分叉绕行。 右」为该裂纹全貌，箭头所指即为放大处。 (700℃等温3小时) 96
图 “ 相间沉淀能够阻挡来 自各个方 向微裂纹 的穿行 “ 等温 小时样品 乌 图 “ 相间沉 淀 ” 迫使垂直而来的微裂 纹分 叉 绕行 。 右土为该裂纹全貌 ， 箭头所指即为放大处 。 等温 小时
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