Ti-MO低碳超高强钢中相间析出强化

第36卷第9期 北京科技大学学报 Vol.36 No.9 2014年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2014 Ti-Mo低碳超高强钢中相间析出强化 汪小培2,3》，赵爱民12)四，赵征志12)，黄耀2)，耿志达2) 1)北京科技大学冶金工程研究院，北京1000832)现代交通金属材料与加工技术北京实验室，北京100083 3)首钢技术研究院薄板研究所，北京100043 通信作者，E-mail:aimin.zhao@ustb.edu.cn 摘要在不同温度下对T-M0低碳钢进行等温转变，对热轧板进行力学性能检测，利用扫描电镜、透射电镜、选区电子衍射 等方法进行组织观察，同时分析了相间析出粒子的形貌、尺寸和分布规律.结果显示，随着等温温度降低，钢的强度提高，延展 性降低，屈强比增大.在透射试样中观察到两种不同形态分布的相间析出碳化物：平面型相间析出和曲面型相间析出，相间 析出碳化物的平均直径为4.30nm,平均纵横比为1.375.在650℃等温保温1h时，相间析出强化对铁素体相强度的增量在 400MPa以上. 关键词高强钢：低碳钢；相间析出；析出强化：碳化物：力学性能 分类号TG142.1 Interphase precipitation strengthening in ultra-high strength low-carbon Ti-Mo bearing steel WANG Xiao-pei),ZHAO Ai-min,ZHAO Zheng-zhi2),HUANG Yao)CENG Zhi-da) 1)Metallurgical Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Laboratory of Metallic Materials and Processing for Modem Transportation,Beijing 100083,China 3)Shougang Research Institute of Technology.Sheet Metal Research Institute,Beijing 100043.China Corresponding author,E-mail:aimin.zhao@ustb.edu.cn ABSTRACT The morphology,size and distribution of interphase precipitation particles formed in Ti-Mo-bearing low-carbon steel after isothermal transformation were investigated by scanning electron microscopy (SEM),transmission electron microscopy (TEM), and selected area diffraction analysis.The mechanical properties of the hot-rolled plate were also tested.The results show that as the isothermal temperature decreases,the strength and the ratio of yield strength to tensile strength increase,but the ductility decreases. Two different types of interphase precipitation carbides,planar interphase precipitation and curved interphase precipitation,were observed in the TEM specimens.The average diameter of these carbides is 4.30 nm with an average aspect ratio of 1.375.Interphase precipitation isothermally treated at 650C for 1 h can strengthen the ferrite phase by above 400 MPa. KEY WORDS high strength steel;low carbon steel;interphase precipitation;precipitation strengthening;carbides;mechanical properties 近年来，焦增宝和刘锦川提出了一种新型超 纳米级析出相的沉淀强化，包括纳米尺寸碳化物，纳 高强度钢的设计理念，其中着重强调了纳米强化在 米尺寸金属间化合物及纳米团簇，有望大幅度提高 钢铁材料中的贡献.纳米材料在力学性能方面逐渐 钢铁材料的强度和韧性. 展现出高强度、高硬度、高韧性等独特的优势，利用 日本JFE钢厂研究开发的一种780MPa级别的 收稿日期：2013-06-11 基金项目：国家自然科学基金资助项日(51271035)：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110006110007) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.008;http://joumals.ustb.edu.cn

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 年 月 低碳超 高 强 钢 中 相 间 析 出 强化 汪 小 培〃 , 、 赵 爱 民 赵征志 “ 黄 耀 耿志达“ 北京科技 大学冶 金工程研究 院 , 北 京 现代交通 金属 材料 与 加工技 术北京实 验室 , 北京 首 钢 技术研究 院薄板研究所 , 北京 通信作者 , ： 摘 要 在不 同 温度下对 低 碳钢进行等温转 变 对热轧 板进 行力学性能检测 , 利用扫描 电 镜 、 透射 电镜 、 选 区 电子衍射 等方法进 行组 织观察 , 同 时分析 了 相 间 析出 粒子的 形貌 、 尺寸 和分布规律 结果显示 随着等温温度 降低 钢 的强度 提高 延展 性 降低 屈 强 比增大 在透射试样 中观察到 两种 不同 形态 分布 的相 间 析 出 碳化 物 ： 平 面型相 间 析 出 和 曲 面型相 间 析出 相 间 析 出 碳 化物 的 平均直径 为 , 平 均纵横 比为 在 等 温保温 时 相 间 析 出 强化对铁素 体相 强 度 的增 量在 以 上 关键词 高 强钢 ； 低碳钢 ； 相间 析 出 ； 析出 强化 ； 碳 化物 ； 力学 性能 分类号 ’ ’ , , ： , , ； ； ； ； ； 近年来 焦增宝和 刘锦 川 ⑴ 提出 了 一 种新 型 超 纳米级析出 相 的沉 淀强化 , 包括纳米尺寸碳化物 , 纳 高强度钢 的设计理念 其 中 着 重强调 了 纳米 强 化在 米尺寸金属 间化合 物及纳 米 团 簇 , 有望 大幅 度提 高 钢铁材料中 的 贡献 纳米材料在 力 学性 能方面 逐渐 钢铁材料的 强度和韧性 展现 出高强度 、 高硬度 、 高 韧性等独 特 的 优势 , 利 用 日 本 钢厂研究开发 的一 种 级别的 收稿 日 期 ： 基金项 目 ： 国家 自 然 科学基金 资 助项 目 ( 丨 高 等学校 博士 学科点 专项 科研基金 资 助项 目 ( ； ：

·1184 北京科技大学学报 第36卷 热轧高强钢就是利用纳米尺寸碳化物的析出强化来 电镜进行组织观察；依照标准GB/T228一2002，采 提高钢板的强度，其微观组织结构为铁素体基体和 用线切割沿热轧板轧向切取标距为50mm的标准拉 纳米尺寸的相间析出碳化物粒子，Funakawa和 伸试样，在CMT510.5微机控制万能试验机上测试 Shimizu等[2-3]指出这种相间析出粒子对基体的析 实验钢的力学性能，夹头移动速度为2mm·min1. 出强化大小在300MPa左右.Yen等4也对这种相 从拉伸试样的夹持端切取10mm×10mm×0.3mm 间析出碳化物粒子的析出规律做了相关研究，并指 的样品制备透射电镜试样，机械研磨至50~60um, 出相间析出粒子通过Orowan机制对铁素体基体的 在冲孔器上冲成直径为3mm的圆片，在-30℃， 强化增量可以达到400MPa以上. 35V电压下电解双喷减薄至中心穿孔，腐蚀液为体 本文研究了不同等温温度下Ti-Mo低碳钢的 积分数5%高氯酸、10%甘油和85%乙醇的溶液，减 组织和力学性能，并分析讨论了相间析出的析出规 薄后用无水乙醇清洗干净，采用JEM-2010型高分 律特点，最后估算了相间析出强化对基体屈服强度 辨透射电镜对析出物进行观察，并用Link-Inca超 增量的贡献 薄窗口能谱仪进行成分分析. 1实验材料及方法 2实验结果 实验用钢采用50kg真空冶炼炉冶炼，其化学成 2.1显微组织和力学性能 分见表1.锻打成尺寸为60mm×60mm×60mm的 图1为热轧板在不同等温转变温度时的扫描电 钢坯，在1250℃保温1.5h,经6道次轧制成3.2mm 镜组织照片.从图1可以看出，钢的基体组织为等 厚度的薄板，终轧温度为900℃，终轧后分别水冷到 轴状的铁素体.研究表明)，这种Ti-Mo低碳钢在 600、650及700℃并在该温度等温保温1h,之后随 870~930℃终轧，然后水冷，之后在550~700℃卷 炉冷却 取，能够得到基体为全铁素体加上尺寸小于10nm 的第二相碳化物析出粒子的组织结构.图2为不同 表1实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the tested steel 等温转变温度时晶粒尺寸的统计结果.由图2可以 Mn Si Ti Mo P 看出，等温转变温度越低，晶粒平均尺寸越小，在 600~700℃等温转变时，热轧板的晶粒平均直径为 0.0851.740.230.140.550.0060.0040.005 5~7um.这是由于奥氏体向铁素体转变温度越低， 在热轧板上切取金相试样，磨制抛光后经5% 转变的过冷度越大，铁素体形核率越高，从而使得晶 硝酸乙醇溶液侵蚀，用CambridgeS250MK2型扫描 粒尺寸越小4] 图1不同等温温度下钢的扫描电镜照片.(a)600℃：(b)650℃：(c)700℃ Fig.1 SEM images of the hot--rolled steel with different isothermal temperatures:(a)600℃；(b)650℃；(c）T00℃ 图3为热轧板在不同卷取温度时的力学性能 而延伸率可以达到21.34% 可以看出，随着卷取温度的降低，钢的屈服强度和抗 在600~700℃等温转变过程中，奥氏体向铁素 拉强度随之提高，钢的屈强比也随之增大；与之相 体转变，同时伴随着第二相碳化物粒子的析出.随 反，钢的延伸率随着卷取温度的降低而下降.当卷 着等温温度的降低，析出的碳化物粒子的尺寸也越 取温度为600℃时，抗拉强度可以达到950MPa,屈 加细小，析出粒子之间的间距也随之减小，从而使得 服强度为925MPa,延伸率为18.44%；而在700℃ 析出强化的效果更加显著2].钢的延展性对转变温 卷取时，抗拉强度为775MPa,屈服强度为705MPa, 度是非常敏感的，转变温度越低，析出粒子的体积分

? 1 1 8 4 ? 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 热轧高强 钢就是利 用纳 米尺寸 碳化物的 析 出 强化来 电镜 进行组织观 察 ； 依 照标 准 采 提高钢 板的强度 其微观 组织 结构为 铁素 体基 体 和 用线 切 割沿热轧板轧 向切 取标距为 的 标准拉 纳 米 尺 寸 的 相 间 析 出 碳 化 物 粒 子 , 和 伸试样 在 微机控制 万能试验机上 测 试 丨 如 等 指 出 这 种 相 间 析 出 粒子对 基体 的 析 实验钢 的 力 学 性 能 夹 头移 动速 度 为 出 强化大小 在 左 右 等 也 对这 种相 从拉伸 试样 的 夹持端切 取 间 析出 碳化物粒 子 的 析 出 规律做 了 相关研究 并 指 的 样 品 制备透射电 镜 试样 , 机械研磨 至 出 相 间 析出 粒子 通过 机制 对 铁 素 体基 体 的 在 冲 孔 器 上 冲成 直 径 为 的 圆 片 , 在 强化增 量可 以达 到 以 上 电 压下 电 解 双喷 减 薄至 中 心 穿孔 , 腐蚀 液为 体 本文 研究 了 不 同 等 温 温 度下 低碳 钢 的 积分 数 高氯 酸 、 甘 油和 乙 醇 的 溶 液 , 减 组 织和力 学性能 并分 析讨论 了 相 间 析 出 的 析 出 规 薄后 用 无 水乙 醇 清洗干 净 , 采 用 型高 分 律特点 最后估算 了 相 间 析 出 强 化对 基体屈 服 强 度 辨 透射 电镜对 析出 物进行观察 , 并用 超 增 量 的贡 献 薄窗 口 能谱仪进行成分分析 实验材料及方法 实 验结 果 实验讓采用 真空 冶炼炉冶 炼 其化学成 力 学 分见表 锻 打成尺 寸为 的 图 为热 轧板在不同 等温 转变温 度时 的 扫描 电 钢坯 在 保温 经 道 次轧制 成 镜 组织照片 从 图 可 以 看 出 , 钢 的 基体 组织为 等 厚度 的 薄板 , 终轧 温度 为 终轧后 分 别水 冷到 轴状 的 铁素 体 研究 表 明 , 这 种 。 低碳钢 在 、 及 ； 并在 该温 度等温 保 温 , 之后 随 终 轧 , 然后 水 冷 , 之 后在 ； 卷 取 , 能 够得 到 基 体为 全铁 素体加 上 尺 寸小 于 、 的 第二相碳化物析 出 粒子的 组织 结构 为不 同 表 实验 钢化学 成分 ( 质量分数 ) 等温转变温度时 晶 粒尺 寸 的 统计结果 由 图 可 以 — — ‘ 看 出 , 等 温 转变 温 度 越 低 , 晶 粒平 均 尺 寸 越 小 , 在 ： 等温转变 时 , 热 轧板 的 晶 粒 平均直径 为 这是 由 于 奧 氏体向 铁素体转变温度 越低 , 在 热 轧板上 切 取金 相试样 , 磨 制 抛 光 后 经 转变 的 过冷 度越大 , 铁 素体形 核率越高 从而使得 晶 硝酸 乙 醇 溶 液侵 蚀 , 用 型 扫 描 粒尺 寸越小 國￡ ： — “ — ■ ； 图 不 同 等温温 度下 钢 的扫 描 电镜 照 片 ( ； ； ： ° ； ° ； 图 为热轧 板 在 不 同 卷 取 温度 时 的 力 学性能 而延 伸率可 以 达 到 可 以 看出 , 随着 卷取温度 的 降低 钢 的 屈服强 度 和抗 在 等温转 变过程 中 , 奥 氏体 向 铁素 拉强度 随之提 高 , 钢 的 屈 强 比 也随 之增 大 与 之 相 体转变 , 同 时伴随 着第二相 碳化 物 粒子 的 析 出 随 反 钢 的 延伸 率 随着 卷取 温 度 的 降 低 而下 降 当 卷 着等温 温度 的 降低 , 析 出 的 碳化物粒 子 的 尺 寸也越 取温度 为 抗拉强 度 可 以 达 到 屈 加细 小 , 析出 粒子 之间 的 间距也随之减 小 , 从 而使得 服强 度为 , 延 伸 率为 ； 而在 ° 析出 强 化 的 效果更加显著 钢 的延展 性对转变温 卷取时 , 抗拉强度为 屈 服 强 度为 度 是非 常敏感的 , 转变 温度越 低 析 出 粒子 的体积分

第9期 汪小培等：T-M0低碳超高强钢中相间析出强化 ·1185· 7.0 1000 22.0 6.8 950 6.6 ·、抗拉强度 延仲率， 215 0 21.0 屈服强度 850 20.5 20.0 800 19.5 750 19.0 5.4 700 18.5 5.2 65080 600620640660680700 600 620 640660680700720 卷取温度℃ 等温温度℃ 图3力学性能与等温温度的关系 图2平均晶粒尺寸与等温温度的关系 Fig.3 Variation of mechanical properties with isothermal temperature Fig.2 Variation of average grain size with isothermal temperature 体上，这是第二相碳化物粒子的相间沉淀析出.在 数越大，密度越高，钢的延展性越差.Batte和 奥氏体向铁素体转变时，一些细小的碳化物在y/α Honeycombe6指出，当等温转变温度提高到725℃ 相界面形核，当相界面向前推移时，在新的y/α相 以上时，钢的延展性大幅度提高.随着等温温度降 界面又有新的碳化物形核点生成，如此循环往复，使 低，等温转变之后的铁素体晶粒也更加细小，如图2 这些细小的碳化物颗粒在铁素体基体上成带状分 所示，从而使得钢的屈强比随之增大 布).图4中可以观察到两种不同形态的相间析出 2.2透射电镜分析 粒子：一种是平面型的，如图4(a)所示，这种形态分 对650℃等温转变试样进行透射电镜观察，如 布的相间析出粒子是主要的，并且有着固定的行间 图4所示.在透射电镜下可以看到大量纳米尺寸的 距：还有一种是曲面型的，如图4(b)所示，这种类型 第二相粒子呈带状排列，有规律的分布在铁素体基 的相间析出粒子较少，行间距也不固定 100nm 100m (c) 1000 800- Fe 600 400 Mo 200 MoMo MoMo 5 10 能量keV 图4析出物的分布，(a)平面相间析出：(b)曲面相间析出；（©）X射线能谱 Fig.4 Distribution of precipitates:(a)planar interphase precipitation;(b)curved interphase precipitation;(c)EDX spectrum

第 期 汪小培等 ： 低碳超 高 强 钢 中 相 间 析 出 强化 “ 抗擁度 延 — ■ 屈 服强 肥 ° ° “ ▲ ‘ ‘ 卷 取温度 等 温温 度 图 力 学性能与 等 温温 度 的关 系 图 平均 晶粒尺 寸 与 等 温温 度 的 关 系 体上 这是第 二 相 碳化物 粒子 的 相 间 沉淀 析 出 在 数越 大 , 密 度 越 高 , 钢 的 延 展 性 越 差 和 奧 氏体向 铁 素体转 变 时 , 一 些 细小 的碳化 物 在 指 出 , 当 温 转变温度 提高 到 相 界面形核 , 当 相 界面 向 前 推 移 时 , 在 新的 相 以 上时 钢 的 延 展性 大幅 度 提 高 随着 等 温 温 度 降 界 面又 有新 的 碳化物形核点生 成 , 如 此循环往 复 使 低 等温转变 之后 的铁素体 晶 粒也更加 细 小 如 图 这 些细 小 的 碳化 物 颗 粒 在 铁 素 体基 体 上 成 带 状 分 所 示 , 从而使得钢 的屈 强 比 随之增 大 布 ⑴ 图 中 可以 观察到 两种 不 同形态 的 相 间 析出 透 射电 镜分 析 粒子 ： 一 种 是平面型 的 , 如 图 所示 这种 形 态 分 对 等 温转 变试样 进行 透射 电 镜 观 察 , 如 布 的 相 间 析出 粒子 是主 要 的 , 并且有 着 固 定 的 行间 图 所示 在透 射电 镜下 可 以 看 到大 量 纳米尺 寸 的 距 还有 一 种 是 曲 面 型 的 , 如 图 所 示 , 这 种 类型 第二相 粒子呈带 状 排列 , 有 规律 的 分 布 在铁 素 体基 的 相间 析出 粒子较少 行间 距也不 固 定 ’ ■ 、 ‘ ’ ‘ ” ‘ ‘如 ： , … ‘ ’ , 作 ‘ , , ’ 、 ： 、 夢 … 彳 。 能量 图 析 出 物 的分 布 ( 平 面相 间 析 出 ； ( 曲 面 相间 析出 ； ( 射线 能 谱 ： ； ；

·1186+ 北京科技大学学报 第36卷 图4(c)是对析出粒子的能谱分析结果.从图 果如图7所示.可以得出析出粒子(Ti,Mo)C的平 中可以看出，析出碳化物粒子的组成元素为T、M0 均直径和平均纵横比. 和C.Funakawa等2i研究了这种纳米尺寸碳化物的 组成与结构，指出这种析出粒子是钛钼的复合碳化 物(Ti,Mo)C,具有NaCl型晶体结构，晶格常数与 TiC的晶格常数0.433nm非常相近，为0.433nm. Yen等81也做了相关方面的研究，指出这种(Ti, Mo)C析出物具有MC型晶体结构，晶格常数为 0.423~0.430nm. 对相间析出粒子(Ti,Mo)C进行选区电子衍射 花样分析，如图5所示，图中实线是铁素体基体的衍 射标定，虚线是析出物(Ti,Mo)C的衍射标定.从图 2 nm 中可以看出，析出粒子与铁素体基体有以下位向关 系：[100](m.%cI[1i0]rme·Yen等对这种位向 图6 高分辨率透射电镜下单个(T,Mo)C粒子的尺寸大小 Fig.6 (Ti,Mo)C size in HRTEM images 关系进行推倒转换，得出这种位向关系是Baker- 图7是对在透射电镜及高分辨率透射电镜下观 Nutting位向关系(B-NOR)的一种变体，(OOI)McM 察到的相间析出碳化物的片层间、同一片层中相邻 (O01)Feme和[110]Mc‖[100]reme,所以这种相间析 碳化物粒子的粒间距、碳化物平均直径和碳化物纵 出粒子在奥氏体向铁素体转变时，随着相界面推移， 横比值的统计.统计结果为平均层间距入= 是与铁素体呈Baker--Nutting(B-N)关系析出，这与 16.10nm,同一片层中的平均粒间距w=18.57nm, Batte和Honeycombe的研究结果一致.Bate和 碳化物平均直径d=4.30nm,碳化物平均纵横比p= Honeycombe[6在研究VC的相间析出时，指出在奥 1.375.由于透射试样存在厚度，同一片层中的析出 氏体向铁素体等温相间转变时，钒的碳化物与铁素 粒子在透射电镜下存在重叠，电镜下观察统计的粒 体基体的位向关系为100}vc‖{100}.和。，这也与B-N位向关系相符 究，本文假定双喷减薄后的试样的薄区厚度为 30nm,则经计算可得同一片层中实际平均粒间距为 铁素体 w=22.91nm 24 0 22 20 8 g 14 0 12 晶带轴1i0川1000 8 51/nm 6 ★ 4 图5相间析出粒子的选区电子衍射花样 2 Fig.5 SAED pattem of interphase-precipitated carbides 层间距 粒间距 平均直径纵横比 2.3高分辨率透射电镜分析 图7相间析出粒子的层间距，粒间距、平均直径和纵横比的统 对相间析出粒子(Ti,Mo)C进行高分辨率透射 计结果 电镜(HRTEM)分析研究，单个碳化物粒子的尺寸如 Fig.7 Statistical results of sheet spacing,inter-carbide spacing,av- 图6所示.可以看到，析出粒子(Ti,Mo)C长L= erage diameter,and aspect ratio 4.35nm,宽D=3.71nm,将之换算成同等面积的圆 3分析讨论 的直径，则有析出粒子直径d=4.53nm.令p=L/ D,P为碳化物粒子的纵横比.通过高分辨率透射电 3.1相间析出机制 镜照片对10个碳化物粒子的尺寸进行统计，统计结 自Davenport等io1在含钒钢中发现并提出相间

? 1 1 8 6 ? 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 图 是对 析 出 粒 子 的 能 谱分析结 果 从 图 果 如 图 所示 可 以得 出 析 出 粒子 ( , 的 平 中可 以 看 出 , 析 出 碳化 物 粒 子 的 组 成 元素 为 、 均直径和 平均纵横 比 和 等 研究 了这 种纳米 尺寸碳化物 的 ： 组成与结构 , 指出 这种析 出 粒子是 钛钼 的 复 合碳化 參 、 ■ ■ ■ ‘ 滅； 炉 物 ( , , 具有 型 晶 体结 构 , 晶 格 常 数 与 的 晶 格 常 数 非 常 相 近 , 为 粒” ’ ？ 丄 ：广 ‘ ‘ 等 … 也 做 了 相 关方 面 的 研 究 , 指 出 这 种 ( , 綠洽 连孩芸 析 出 物 具 有 型 晶 体 结 构 , 晶 格 常 数为 ； ； ‘ ‘ ： ■ “ ： ； 对相 间 析 出 粒子 ( , 。 ) 进行 选 区 电 子衍射 蜜系季 、 ‘ 花样 分析 , 如 图 所示 , 图 中 实线是铁 素体 基 体的 衍 ‘ ’ ■ ‘ ‘ 射标定 , 虚 线是 析 出 物 ( , 的 衍射标定 从 图 中可 以看出 , 析出 粒子 与 铁 素 体基体有 以 下 位 向 关 “ ； ？‘ 二 系 ： 。 对 这种 位 向 图 ■辨率透射 电 镜 下单个 到 粒子的尺 寸 大小 」 ( “ 图 是 对在透射 电镜及高 分辨率透射 电 镜下 观 位向 关 系 ( 的 种 变体 ( 察到 的 相 间 析 出 碳化 物 的 片 层 间 、 同 片 层 中 相 邻 , 所 以这 种相 间 析 碳化 物粒子 的粒间 距 、 碳化 物 平均直径 和碳 化物纵 出 粒子在奥 氏 体 向 铁 素体转变 时 , 相 界 面推 移 , 横 比 值 的 统 计 统 计 结 果 为 平 均 层 间 距 是与铁素体呈 关系 析 出 , 这 与 化 同 一 片层 中 的 平均 粒间 距 和 的 研 究 结 果 一 致 和 碳化物平 均直 径 , 碳化 物平均纵横 比 在研究 的 相 间 析 出 时, 指 出 在奥 由 于透射 试样 存在厚度 , 同 一 片层 中 的 析 出 氏 体 向 铁素 体等 温 相 间 转 变 时 钒的 碳化 物 与 铁素 粒子 在透射 电镜 下 存在重叠 , 电 镜 下 观察统计的 粒 体基体 的 位 向 关 系 为 丨 丨 和 〈 〉 ％ 间 距 要小 于实 际粒间 距 参 考 等 的 研 〈 〉 这也 与 位 向 关系 相 符 究 , 本 文 假 定 双 喷 减 薄 后 的 试 样 的 薄 区 厚 度 为 , 则 经 计算 可得同 一 片 层 中 实 际平均粒间 距为 厶 厶 白 ★ 图 相 间 析 出 粒子 的选 区 电 子衍 射花样 层 间距 粒间距 平 均直径 纵横 比 高分 辨 率透 射电镜 分析 图 相 间 析 出 粒 子 的 层 间 距 、 粒 间 距 、 平均 直径 和 纵 横 比 的统 对相 间 析 出 粒子 ( , 进 行高分 辨率透 射 计结 果 电 镜 ( 分 析研 究 单个碳化 物粒子的 尺 寸如 图 所示 可 以 看 到 , 析 出 粒 子 ( 长 , 宽 , 将 之换算 成 同 等 面 积的 圆 分 析讨论 的 直径 则 有 析 出 粒 子 直径 令 ￡ , 为碳化物粒子 的 纵横 比 通 过 高 分辨 率透射电 相 间 析 出 机制 镜照 片 对 个碳 化物粒子的 尺 寸进行统计 , 统计结 自 等 在含钒 钢 中 发现并提 出 相 间

第9期 汪小培等：T-Mo低碳超高强钢中相间析出强化 ·1187· 析出以来，许多关于这种铁基合金中的相间析出模 台阶移动形成，相界面能量较低，不可移动：曲面 型被相继提出).对于图4所示的两种形态的相 相间析出是一种准台阶机制，如图8(b)所示，碳 间析出，Ricks和Howell2提出的理论模型能够很 化物在能量较高的非共格相界面上形核，相界面 好地解释这一现象.平面相间析出是一种台阶机 边界的移动被大量析出粒子阻碍钉扎，最终形成 制，如图8(a)所示，碳化物在半共格的二维平面型 弯曲的析出面.这种弯曲的析出面的形成过程如 的相界面上形核，这种相界面通过高能量的铁素体 图9所示121， 奥氏体 b 奥氏体 部分连续， 无序的界面 不可移动的界面 移动的台前 移动的台阶 碳化物 碳化物 风 铁素体+碳化物 铁素体+碳化物 曲面型碳化物 平面型碳化物 图8平面(a)和曲面(b)相何析出12 Fig.8 Planar interphase preeipitation (a)and curved interphase precipitation(b) 当移动中的相间面被析出碳化物粒子所阻碍 (001)I(001 时，相界面在间距较宽的粒子之间会凸出形成一个 片层面法线方向 ,滑移面法线方向 新的台阶源，如图9(b)所示，凸出的相界面会被随 碳化物的宽面 后析出的粒子重新钉扎使得相界面停止弯曲，如 片层面 图9(c)所示，最终迫使凸出的相界面偏移，如 图9(d)所示2.在平面相界面上，铁素体台阶的 迁移不会被界面上的析出碳化物粒子所阻碍 滑移血 图10铁素体基体上析出片层面、滑移面和碳化物宽面的位向 关系[ Fig.10 Orientation relationship of the sheet plane,the slip plane in the ferrite matrix,and the broad planes of carbides 究，相间析出碳化物的平均粒间距，可以定义为单 图9析出物钉扎移动中的相界面2 个碳化物平均滑移面积的平方根，而单个碳化物平 Fig.9A mobile interphase pinned by precipitation 均滑移面积是两个相互垂直的线性间距的乘积，即 沿着滑移面和析出片层面交线方向的平均粒间距， 3.2相间析出强化 以及垂直析出片层间距在滑移面上的投影值2， 根据界面理论，第二相相间析出粒子(Ti,Mo)C 参考Bate和Honeycombe的研究6，沿着滑移 的形状为碟片状)，图10示意了这种片状析出碳 面和析出片层面交线方向的平均粒间距，的值定 化物析出片层面、滑移面和碳化物宽面的位向关 义为 系61.0是碳化物宽面法线方向和析出片层面法线 r=(w+d)/4-d/(psine). (1) 方向的夹角，是析出片层面法线方向和滑移面法 垂直析出片层间距在滑移面上的投影值，的值定 线方向的夹角，入是两个相邻的析出片层面的垂直 义为 层间距，ω是在析出片层面的平均粒间距 r2=(入-dsine)/sinp (2) 参考Bate和Honeycombe6及Yen等的研 式中，d为碳化物的直径，p(p>1)为碳化物的纵横

第 期 汪小培 等 ： 低碳超高 强钢 中 相 间 析 出 强化 析出 以来 许 多关于 这种铁 基 合 金 中 的 相 间 析 出 模 台 阶移 动 形 成 , 相 界 面 能 量 较 低 , 不 可 移 动 ； 曲 面 型 被 相继 提 出 对 于 图 所示 的 两 种形 态 的 相 相 间 析 出 是 一 种 准 台 阶机 制 , 如 图 所 示 , 碳 间 析 出 , 和 ⑴ 提 出 的 理 论模 型 能 够 很 化物 在 能 量 较 高 的 非 共 格 相 界 面 上 形核 , 相 界 面 好地解 释这 一 现 象 平 面 相 间 析 出 是 一 种 台 阶 机 边 界 的 移 动 被 大 量 析 出 粒 子 阻 碍 钉扎 , 最 终 形 成 制 , 如 图 所示 , 碳 化物 在半 共格 的 二维 平 面 型 弯 曲 的 析 出 面 这 种 弯 曲 的 析 出 面 的 形 成 过 程 如 旳 相 界面上 形 核 这 种 相 界 面 通 过 高 能量 的 铁 素 体 图 所 示 】 奥 氏 体 ( 奥 氏体 變 图 平 面 ( 和曲 面 ( 相间 析 出 当 移动 中 的 相 间 面 被析 出 碳 化 物 粒 子所 阻 碍 〈 〈 、 时 相 界面 在间 距较 宽 的 粒 子之间 会 凸 出 形 成 一 个 ； 滑 移 法线方 向 新 的 台 阶源 , 如 图 所示 , 凸 出 的 相 界 面 会 被 随 后 析 出 的 粒子 重 新 钉 扎使 得 相 界 面 停 止 弯 曲 , 如 片 展 曲 图 所 示 , 最 终 迫 使 凸 出 的 相 界 面 偏 移 , 如 图 所 示 在 平 面 相 界 面 上 , 铁 素 体 台 阶 的 迁移 不会被界 面上 的 析 出 碳化物粒子所阻 碍 一 滑移 面 图 丨 铁 素 体 基 体上 析 出 片 层 面 、 滑 移 面 和碳 化 物宽 面 的 位 向 — 『二 泰 货 會 雞 究 , 相 间 析出 碳化物 的平 均粒 间 距 可 以 定 义 为 单 图 析出 物钉扎移 动 中 的 相 界 面 叫 , 而 单■ 个 梯 匕 物 平 均滑 移 面积是 两个相 互垂 直 的 线性 间 距 的 乘积 , 即 沿着 滑 移 面 和 析 出 片 层 面 交线 方向 的 平均 粒间 距 相 间 析 出 强化 以及垂直析 出 片层 间 距在 滑移 面上 的投影 值 根据麵理论 第二 相相 间 析 出 粒 子 ( , 。 ) 参考 和 的研 究 , 沿 着滑 移 的 形 状为 碟 片状 图 示 意 了 这 种 片 状 析 出 碳 面和 析 出 片 层 面交 线 方 向 的 平 均 粒 间 距 的 值 定 化物 析 出 片 层 面 、 滑 移 面 和 碳 化 物 宽 面 的 位 向 关 义为 系 乂 是碳化物 宽 面法 线方 向 和 析 出 片 层 面法线 , 方向 的 夹 角 是 析 出 片 层 面 法 线方 向 和 滑 移 面 法 垂直析 出 片 层 间 距 在 滑 移 面 上 的 投影 值 的 值 定 线方向 的 夹角 , 是 两 个相 邻 旳 析 出 片 层 面 的 垂直 义为 层 间 距, 是 在析 出 片 层 面 的平 均粒 间 距 参 考 和 及 等 ⑷ 的 研 式 中 , 为 碳化 物 的 直 径 , 为 碳 化物 的纵横

·1188· 北京科技大学学报 第36卷 比.参考Yen等的研究结果，in0和l/sinp的平 (焦增宝，刘锦川.新型纳米强化超高强度钢的研究与进展 均值分别为0.61和3.00.相间析出的强化机制为 中国材料进展，2011,30(12)：6) Orowan机制，其对总的屈服强度的增量可表示为[41 [2]Funakawa Y,Shiozaki T,Tomita K,et al.Development of high strength hot-rolled sheet steel consisting of ferrite and nanometer- △o。=MGb/√TI2 (3) sized carbides.IS/J Int,2004,44(11):1945 式中：M是泰勒系数，在铁素体钢中M的取值为 [3]Shimizu T,Funakawa Y,Kaneko S.High strength steel sheets for 2.75[61:G是切变弹性模量，为81600MPa14;b是柏 automobile suspension and chassis use:high strength hot-rolled 氏矢量，取值为0.248nm4.代入以上数据，可以 steel sheets with excellent press formability and durability for criti- cal safety parts.JFE Tech Rep,2004(4):25 计算出△g。=431.94MPa.由此可知，在650℃等温 [4]Yen H W,Chen P Y,Huang C Y,et al.Interphase precipitation 转变1h时，相间析出碳化物粒子的析出强化对总 of nanometer-sized carbides in a titanium-molybdenum-bearing 的屈服强度增量在400MPa以上. low-carbon steel.Acta Metall,2011,59(16):6264 [5]Yoshimasa F.High Strength Hot Rolled Steel Sheet:US Patent 4结论 6666932B2.2003-12-23 (1)随着卷取温度的降低，等温转变之后的铁 [6]Batte A D,Honeycombe R W K.Strengthening of ferrite by vana- dium carbide precipitation.Metal Sci J,1973,7:160 素体晶粒更加细小，钢的强度增大，延展性降低，同 [7]Honeycombe R W K,Mehl R F.Transformation from austenite in 时，钢的屈强比升高；当卷取温度为600℃，并保温1 alloy steels.Metall Trans A,1976,7(7):915 h时，其室温抗拉强度可达950MPa,延伸率为 [8]Yen H W,Huang C Y,Yang J R.Characterization of interphase 18.44%, precipitated nanometer-sized carbides in a Ti-Mo-bearing steel (2)相间析出碳化物粒子与铁素体基体的位向 Scripta Mater,2009,61(6):616 [9]Yamada K,Sato K,Nakamichi H.Analysis of nanometer-sized 关系为B-N位向关系，即(001)wc‖(001)Fei和 precipitates using advanced TEM.JFE Tech Rep.2007(9):5 [110]Mc‖[100]Feme;析出碳化物粒子的平均层间 [10]Davenport AT,Bery FG,Honeycombe R WK.Interphase pre- 距约为16nm,碳化物平均直径d=4.30nm,碳化物 cipitation in iron alloys.Metal Sci1968.2:104 平均纵横比p=1.375. [11]Li P,Todd J A.Application of a new model to the interphase (3)通过理论计算估计了相间析出碳化物粒子 precipitation reaction in vanadium steels.Metall Trans A,1988. 19(9):2139 对钢的屈服强度的贡献.在650℃等温转变1h时， [12]Ricks R A,Howell P R.The formation of discrete precipitate 相间析出强化对铁素体相的屈服强度增量在400 dispersions on mobile interphase boundaries in iron-base alloys MPa以上. Acta Metall,1983,31(6):853 [13]Yong QL.Secondary Phase in Steel.Beijing:Metallurgical In- 参考文献 dustry Press,2006:251 (雍歧龙，钢铁材料中的第二相.北京：冶金工业出版社， [1]Jiao Z B,Liu J C.Research and development of advanced nano- 2006:251) precipitate strengthened ultra-high strength steels.Mater China [14]Gladman T.Precipitation hardening in metals.Mater Sci Techn- 2011,30(12):6 o,1999,15(1）:30

? 1 1 8 8 ? 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 比 参考 等 ⑷ 的研究结 果 , 和 的 平 ( 焦增 宝, 刘锦 川 新型纳 米强 化 超高 强 度 钢的 研究 与 进展 均值分别 为 和 相 间 析 出 的 强化机制 为 巾 , , 机制 其对总 的屈服强度 的增量可 表示为⑷ “ “ 式中 ： 是 泰 勒 系 数 , 在铁 素 体 钢 中 的 取 值为 , , 是切变弹 性模量 为 是柏 ： 氏 矢 量 ： 取值 为 代 人 以 上数 , 可 以 — ° ‘ , ： 计算出 由 此可知 , 在 等温 转变 时 , 相 间 析 出 碳化 物粒子 的 析 出 强化对总 的 屈 服强 度增量在 以 上 。 。 ： ： 结论 随着卷取温度 的 降 低 , 等温转变 之后 的 铁 广 ” ’ , , ： 素体晶粒更加细 小 , 钢 的 强度增大 , 延展性 降低 , 同 时 , 钢 的 屈 强 比升高 ； 当卷取温度为 , 并保温 , 时, 其 室 温 抗 拉 强 度 可 达 延 伸 率 为 , 相 间 析出碳化物 粒子 与铁素体基体的 位向 ‘ ： 关系 为 位 向 关 系 , 即 ( 和 ： ； 析 出 碳化物 粒子 的 平 均层 间 距约 为 , 碳化物平均 直径 , 碳化物 ： 平均纵横比 一 、 通过理论计算估计了 相间 析出 碳化物粒子 — 瞧 ’ ’ ： 对钢的 屈 服强度 的 贝 献 在 等 温转 变 时 , , 相 间 析出 强 化对铁素 体 相 的 屈 服 强 度 增 量 在 以上 , ： ： 参 考 文 献 ’ ： 雍岐龙 钢 铁材 料 中 的 第二 相 北 京 ： 冶 金工 业 出 版社 , , ： , ； , ：