D0I:10.13374/i.issnl001053x.2011.0B.022 第33卷第3期 北京科技大学学报 Vo133 No 3 2011年3月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Mar 2011 含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 陈海林”曾燕屏区 李友国2”周凡2” 1)北京科技大学材料科学与工程学院北京1000832)清华大学材料科学与工程系，北京100084 区通信作者.Emai!ngyanpin@maer ust edu c 摘要研究了含铜低碳低硅无取向电工钢中的析出相及其析出机理.由能谱(DS)及选区电子衍射(SAED)分析可知，铁 素体基体上存在的大量弥散分布的等轴状析出相为类结构的铜.这些铜析出相的析出机理可以是一般析出、位错析出、台 阶机理相间析出和弓出机理相间析出：一般析出在550.650和750℃三个等温温度均可发生：位错析出只发生在较低的等温 温度(550℃).此时析出相呈特殊的平行短列状：台阶机理相间析出也可在上述三个等温温度下发生.但650℃等温时最有利 于台阶机理相间析出，此时析出相平直列状分布：弓出机理相间析出只发生在较高的等温温度(750℃。析出相弯曲列状 分布 关键词低碳钢：硅钢铜析出相：析出：织构 分类号M275 Precipitates and precip itation mechanism in nonoriented electrical steel contai nng copper CHEN Hai In),ZENG Yan-Png LI Youguo),ZHOU Fan) 1)SchoolofMaterials Science and Engneering Universit of Science and Technopgy Beijng Beijing 100083 China 2)Deparment ofMaterials Science and Engneerng TsinghuaUniversiy Beijng100084 China Comespanding author E-mail zengyanping@maer ust edu a ABSTRACT Precipitates n bw carbon pw-silicon nonorented electrcal steel conninng Cu were sud ed and he precpitation m echanism was analyzed bym eans of energy dispersive spectomnet (EDS and selected area electon diffracton (SAED).It is pund that the equiaxed precpitates of Cu with B-lke structure dstrbute d ispersively n he nonoriented electrical steel The precpiuation mechanism involves general precipitation dis pcation precpittpp intephase precipitations pmed by the ledge mechanim and he bowng outmechan ism General precp itaton can occur at he three aging tmperatures of550 650 ad750C.Dispcation precpimati on tkes place on y at pw aging temperaure (550C)w ith a specjal fom of parallel short rows Inerphase precpintion pmed by the ledge mechan ism is n a fom ofs traght rows wh ich can separate out at he above thee agng temperates but themost approprate temperaure pr precipittion is650C.In terphase precpinton fomed by the bowing outmechanis can occurony at high agng tem perature(750℃，with a pm of curve rows KEY WORDS pw caton steel silicon steel copper precpitates precpitation exures 无取向电工钢的主要磁性能要求是低铁损、高 构的研究上来.久保田锰斗研究发现在0.4%~ 磁感，而影响其性能的因素包括化学成分、晶粒尺 0.5%硅钢中加入0.06%~0.10%锡的同时加入 寸、杂质含量和晶粒取向等山，一般降低铁损的措 0.31%~0.39%铜，可大大改善钢的织构和磁性 施如提高硅、铝含量)往往也使磁感应强度降低 能，但其原因并不清楚.为此，本文在低碳低硅无 而改善织构则可同时降低铁损和提高磁感，是解 取向电工钢中加入了适量的铜，并对其进行了研 决这两个磁性参数相互矛盾的最有效措施故近 究.结果发现，在这种钢的热轧带中出现了一定数 年来人们逐渐把注意力放到了如何改善电工钢织 量的析出相，且热轧带中析出相的数量越多，最终 收稿日期：2010-07-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N95097126,国家高技术研究发展计划资助项目(N02008A403Z503)
第 33卷 第 3期 2011年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.3 Mar.2011 含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 陈海林 1) 曾燕屏 1) 李友国 2) 周 凡 2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2)清华大学材料科学与工程系, 北京 100084 通信作者, E-mail:zengyanping@mater.ustb.edu.cn 摘 要 研究了含铜低碳低硅无取向电工钢中的析出相及其析出机理.由能谱 (EDS)及选区电子衍射(SAED)分析可知, 铁 素体基体上存在的大量弥散分布的等轴状析出相为类 B2结构的铜.这些铜析出相的析出机理可以是一般析出、位错析出、台 阶机理相间析出和弓出机理相间析出:一般析出在 550、650和 750℃三个等温温度均可发生;位错析出只发生在较低的等温 温度(550℃), 此时析出相呈特殊的平行短列状;台阶机理相间析出也可在上述三个等温温度下发生, 但 650℃等温时最有利 于台阶机理相间析出 , 此时析出相平直列状分布;弓出机理相间析出只发生在较高的等温温度 (750℃), 析出相弯曲列状 分布. 关键词 低碳钢;硅钢;铜;析出相;析出;织构 分类号 TM275 Precipitatesandprecipitationmechanism innon-orientedelectricalsteelcontainingcopper CHENHai-lin1), ZENGYan-ping1) , LIYou-guo2), ZHOUFan2) 1)SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)DepartmentofMaterialsScienceandEngineering, TsinghuaUniversity, Beijing100084, China Correspondingauthor, E-mail:zengyanping@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Precipitatesinlow-carbonlow-siliconnon-orientedelectricalsteelcontainingCuwerestudiedandtheprecipitation mechanismwasanalyzedbymeansofenergydispersivespectrometry(EDS)andselectedareaelectrondiffraction(SAED).Itisfound thattheequiaxedprecipitatesofCuwithB2-likestructuredistributedispersivelyinthenon-orientedelectricalsteel.Theprecipitation mechanisminvolvesgeneralprecipitation, dislocationprecipitation, interphaseprecipitationsformedbytheledgemechanismandthe bowing-outmechanism.Generalprecipitationcanoccuratthethreeagingtemperaturesof550, 650 and750℃.Dislocationprecipitationtakesplaceonlyatlowagingtemperature(550 ℃), withaspecialformofparallelshortrows.Interphaseprecipitationformedby theledgemechanismisinaformofstraightrowswhichcanseparateoutattheabovethreeagingtemperatures, butthemostappropriate temperatureforprecipitationis650℃.Interphaseprecipitationformedbythebowing-outmechanismcanoccuronlyathighagingtemperature(750℃), withaformofcurverows. KEYWORDS lowcarbonsteel;siliconsteel;copper;precipitates;precipitation;textures 收稿日期:2010--07--02 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50971026);国家高技术研究发展计划资助项目(No.2008AA03Z503) 无取向电工钢的主要磁性能要求是低铁损 、高 磁感, 而影响其性能的因素包括化学成分 、晶粒尺 寸 、杂质含量和晶粒取向等 [ 1] , 一般降低铁损的措 施 (如提高硅 、铝含量 )往往也使磁感应强度降低, 而改善织构则可同时降低铁损和提高磁感, 是解 决这两个磁性参数相互矛盾的最有效措施, 故近 年来人们逐渐把注意力放到了如何改善电工钢织 构的研究上来 .久保田锰 [ 2] 研究发现在 0.4% ～ 0.5%硅钢中加入 0.06% ～ 0.10%锡的同时加入 0.31% ～ 0.39%铜 , 可大大改善钢的织构和磁性 能 ,但其原因并不清楚 .为此 , 本文在低碳低硅无 取向电工钢中加入了适量的铜 , 并对其进行了研 究 .结果发现 ,在这种钢的热轧带中出现了一定数 量的析出相 ,且热轧带中析出相的数量越多 ,最终 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.03.022
第3期 陈海林等：含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 ·303° 产品中有利面织构{110}就越强，不利面织构 此，为了揭示何种析出相改善了无取向硅钢的织 {111}就越弱，产品的铁损值也就越低)，可见有 构和磁性能，本文采用热力学模拟试验机模拟轧 必要对含铜无取向电工钢中的析出相进行研究. 制和卷取，研究了含铜低碳低硅无取向电工钢中 在其他的含铜铁基微合金钢中，也有利用析出相 的析出相及其析出机理. 来改善合金钢性能的报道，但多是利用析出相进 行沉淀强化：虽然关于析出相析出机理的研究 1试验过程 中也有对铜析出相析出机理的报道5，但是就等 试验用钢采用50k真空感应炉治炼其成分如 温温度对析出相析出机理影响的研究还很少.因 表1所示. 表1试验用钢的化学成分（质量分数） Tab le Chemical composition of the test seel % C Si+Al Mn P Sn N Fe 00051 12 05 060 0.0014 00046 痕量 00044 Ba] 将钢锭锻造成板坯从中线切割出试样，在 斑点为铁素体衍射斑，小而弱的斑点为析出相的衍 FommastorD gitall型全自动相变测试仪上测定其相 射斑，即在铁素体的(001倒易面上出现了本应该 变点，结果为A=900℃A=950℃、A=850C和 消光的{100}面斑点，这些斑点的出现说明C在 A=890℃.然后从锻坯中线切割出中8m以15m BCC结构的铁素体体[001]方向上发生了偏聚，即 的圆柱形试样，在热力学模拟试验机Gleebe-1500D C取代了BCC结构的体心原子形成了类超结 上加热到980℃保温10m以使其充分奥氏体化： 构.类2超结构之所以能形成，是因为在这种固溶 之后降温至930℃压缩变形ε（模拟热轧）.为了保 体中，异类原子间的键能（或结合能略低于同类原 证恒温相变，对试样吹压缩空气，分别使其迅速冷却 子间的键能异类原子倾向于相互吸引，故C原子 到750.650和550℃然后在各温度下保温5~ 的近邻都是铁原子，形成了短程有序结构山 32m模拟卷取陬出后水淬. 2.2析出相的析出机理 从热模拟试样上截取0.3厚的薄片，机械减 图3为含铜无取向电工钢在650℃和750℃保 薄到50μm后，用冲片机冲成中3m的小圆片，然 温5m后弥散析出相的形貌.在上述三个温度等 后双喷电解成薄膜试样，所用电解液为5%HCD 温不同时间后均能大量观察到类似的弥散析出形 乙醇溶液，电解电流为25~30mA薄膜试样主要采 貌说明此钢中弥散析出相可以一般析出机理析出， 用EOI200CX和EOI2100透射电子显微镜观察. 即过饱和析出.这是因为本试验用钢从930℃压缩 2实验结果与讨论 后快冷到不同温度保温。相变完成后铁素体仍处于 过饱和状态，因此C在基体内发生了扩散，重新分 2.1含铜无取向电工钢中的析出相 布进而沉淀析出. 在上述三个温度保温后，铁素体基体上均弥散 图4(a为550℃等温相变后，铁素体基体上存 分布着等轴状的析出相.图1(a)为550℃保温 在的平行排列的回复位错，可以看到这些位错线上 10m垢弥散析出相的形貌可以看出其尺寸在 有大量颗粒存在.倾转试样，改变衍射条件使位错 20~30m进一步的能谱分析表明（图2，弥散析 消失，原位错线上的颗粒仍然存在，如图4(b)所示， 出相中C唅量较基体明显偏高，且本试验用钢在 表明这些颗粒均为析出相，可见弥散析出相也可以 治炼时特意加入了一定量的C!故析出相很可能为 在平行排列的位错线上析出.在其他的保温温度 含C的析出相.据文献报道，时效过程中，C析出 下，由于很少能观察到平行排列的回复位错，故其他 相的成分和晶体结构会不断发生变化，对此并没有 保温温度很少能观察到这种特别的平行短列状析出 形成统一的共识.有的研究结果表明析出相的结构 形貌.由于随着析出相核心在位错线上形成位错 惯序是BCC→9R→FCC?-9,亚稳相的结构是 周围点阵畸变引起的弹性应变能将释放以供形核需 9R也有研究认为亚稳相是类结构1.对本文 要故析出相形核所需的形核功将降低：同时，位错 弥散析出相进行选区电子衍射分析，其结果如 管道可作为溶质原子快速扩散的通道，促进溶质原 图1(c9(d)所示.从图可以看出在铁素体(001) 子的扩散，故位错是析出相形核的有利位置 倒易面上出现了两套规则的衍射斑。其中大而亮的 图5显示了弥散析出相的另一析出形貌即沿
第 3期 陈海林等:含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 产品中有利面 织构 {110}就 越强 , 不利面 织构 {111}就越弱 , 产品的铁损值也就越低 [ 3] , 可见有 必要对含铜无取向电工钢中的析出相进行研究. 在其他的含铜铁基微合金钢中, 也有利用析出相 来改善合金钢性能的报道 , 但多是利用析出相进 行沉淀强化 [ 4] ;虽然关于析出相析出机理的研究 中也有对铜析出相析出机理的报道 [ 5--6] , 但是就等 温温度对析出相析出机理影响的研究还很少 .因 此 ,为了揭示何种析出相改善了无取向硅钢的织 构和磁性能 , 本文采用热力学模拟试验机模拟轧 制和卷取 , 研究了含铜低碳低硅无取向电工钢中 的析出相及其析出机理 . 1 试验过程 试验用钢采用 50kg真空感应炉冶炼,其成分如 表 1所示 . 表 1 试验用钢的化学成分(质量分数) Table1 Chemicalcompositionoftheteststeel % C Si+Al Cu Mn S P Sn N Fe 0.005 1 1.2 0.5 0.60 0.001 4 0.004 6 痕量 0.004 4 Bal. 将钢锭锻造成板坯, 从中线切割出试样 , 在 FormastorDigitalF型全自动相变测试仪上测定其相 变点, 结果为 Ac1 =900 ℃、Ac3 =950℃、Ar1 =850℃和 Ar3 =890 ℃.然后从锻坯中线切割出 8 mm×15 mm 的圆柱形试样,在热力学模拟试验机 Gleebe--1500D 上加热到 980 ℃, 保温 10 min以使其充分奥氏体化 ; 之后降温至 930℃压缩变形 ε(模拟热轧 ).为了保 证恒温相变 ,对试样吹压缩空气 ,分别使其迅速冷却 到 750、 650 和 550 ℃, 然后在各温度下保温 5 ～ 32 min(模拟卷取)取出后水淬 . 从热模拟试样上截取 0.3 mm厚的薄片,机械减 薄到 50 μm后, 用冲片机冲成 3 mm的小圆片, 然 后双喷电解成薄膜试样 , 所用电解液为 5% HClO4 乙醇溶液, 电解电流为 25 ～ 30 mA.薄膜试样主要采 用 JEOL200CX和 JEOL2100透射电子显微镜观察. 2 实验结果与讨论 2.1 含铜无取向电工钢中的析出相 在上述三个温度保温后 ,铁素体基体上均弥散 分布着等轴状的析出相.图 1(a)为 550 ℃保温 10 min后弥散析出相的形貌, 可以看出其尺寸在 20 ～ 30 nm.进一步的能谱分析表明(图 2), 弥散析 出相中 Cu含量较基体明显偏高 , 且本试验用钢在 冶炼时特意加入了一定量的 Cu, 故析出相很可能为 含 Cu的析出相 .据文献报道, 时效过程中 , Cu析出 相的成分和晶体结构会不断发生变化, 对此并没有 形成统一的共识 .有的研究结果表明析出相的结构 惯序是 BCC※ 9R※ FCC [ 7--9] , 亚稳相的结构是 9R;也有研究认为亚稳相是类 B2结构 [ 10] .对本文 弥散析出相进行选区电子衍射分析 , 其结果如 图 1(c)、(d)所示 .从图可以看出在铁素体 (001) 倒易面上出现了两套规则的衍射斑, 其中大而亮的 斑点为铁素体衍射斑 ,小而弱的斑点为析出相的衍 射斑 ,即在铁素体的 (001)倒易面上出现了本应该 消光的{100}面斑点 , 这些斑点的出现说明 Cu在 BCC结构的铁素体体 [ 001]方向上发生了偏聚, 即 Cu取代了 BCC结构的体心原子形成了类 B2超结 构.类 B2超结构之所以能形成 ,是因为在这种固溶 体中 ,异类原子间的键能 (或结合能 )略低于同类原 子间的键能,异类原子倾向于相互吸引, 故 Cu原子 的近邻都是铁原子 ,形成了短程有序结构 [ 11] . 2.2 析出相的析出机理 图 3为含铜无取向电工钢在 650 ℃和 750 ℃保 温 5 min后弥散析出相的形貌 .在上述三个温度等 温不同时间后均能大量观察到类似的弥散析出形 貌, 说明此钢中弥散析出相可以一般析出机理析出, 即过饱和析出 .这是因为本试验用钢从 930 ℃压缩 后快冷到不同温度保温, 相变完成后铁素体仍处于 过饱和状态,因此 Cu在基体内发生了扩散 ,重新分 布进而沉淀析出. 图 4(a)为 550 ℃等温相变后 ,铁素体基体上存 在的平行排列的回复位错, 可以看到这些位错线上 有大量颗粒存在 .倾转试样, 改变衍射条件使位错 消失 ,原位错线上的颗粒仍然存在 ,如图 4(b)所示, 表明这些颗粒均为析出相, 可见弥散析出相也可以 在平行排列的位错线上析出.在其他的保温温度 下, 由于很少能观察到平行排列的回复位错 ,故其他 保温温度很少能观察到这种特别的平行短列状析出 形貌 .由于随着析出相核心在位错线上形成, 位错 周围点阵畸变引起的弹性应变能将释放以供形核需 要, 故析出相形核所需的形核功将降低;同时, 位错 管道可作为溶质原子快速扩散的通道 ,促进溶质原 子的扩散 ,故位错是析出相形核的有利位置 . 图 5显示了弥散析出相的另一析出形貌, 即沿 · 303·
。304 北京科技大学学报 第33卷 200nm 图1550℃保温10mn后弥散析出相的形貌、衍射谱及其标定.()明场像：(b)通过图1（山中的斑点A所成的暗场像：(9 (d)选区电子衍射谱及其标定 Fg 1 Morphobgy se lected area e lecton diffmaction patem SADP)and its index of precipitates afer aging for10m i at550C:(a) brtht fie mage (BF):(b)dark fiel mage (DF)omed by usng Spot An Fg 1 (d)(9 (d)SADP and its index Fe Fe Cu Si Cu Ca 0 2 6 8 10 能量keV 能量eV 图2550℃保温10min时基体(a)和析出相(b)的能谐 Fig.2 EDS spectra of the matrix(a)and precipitates (b)after aging for 10 min at 550C b) 0381 ,05m 300 nm 图3650℃(a)和750℃(b)保温5min析出形貌 Fig.3 Morphology of preeipitates aging at 650 C (a)and 750C (b)for 5 min
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 1 550℃保温 10min后弥散析出相的形貌、衍射谱及其标定.(a)明场像;(b)通过图 1(d)中的斑点 A所成的暗场像;(c)、 (d)选区电子衍射谱及其标定 Fig.1 Morphology, selectedareaelectrondiffractionpattern(SADP)anditsindexofprecipitatesafteragingfor10minat550℃:(a) brightfieldimage(BF);(b)darkfieldimage(DF)formedbyusingSpotAinFig.1(d);(c), (d)SADPanditsindex · 304·
第3期 陈海林等：含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 ·305 e08b00 008b04 250nm 250m 图4550℃保温5m时弥散析出相沿位错析出的形貌.()倾转前：(b)倾转后 Fg4 Morplokgy of prec pitates on diskca tions a fter agng at550C for5m in (a)be fore rotating (b)after rota tng 台阶状晶界延伸出平直列状析出相.越靠近台阶的 充分 析出相越细小，说明这些析出相越晚析出，而远离台 图6显示出了750℃保温10m后在铁素体基 阶的析出相己生长呈条形，这是典型的台阶机理相 体上的弯曲排列的析出列，弯曲析出列通常只有2~ 间析出的形貌.说明本文的弥散析出相也可以以台 3列，析出列上析出相的尺寸基本相同，且与晶界大 阶机理在Y/a相间析出.大量观察发现在本次试验 致平行.这是典型的弓出机理相间析出的析出形 中的三个相变温度等温都可以观察到这种析出形 貌.只有在较高的相变温度等温才能观察到这种 貌，其中650℃保温时，台阶机理相间析出最为 形貌. 200nm 250m 图5台阶机理相间析出形貌.(50℃保温5m?(b)750℃保温10mn F琴5 Mophokgy of inte phase prec pites pmed by ed腰m ech脚(a)ging at550℃fr5m朗(b)agng at750℃pr10mn a 300mm 300m 图6750℃相变保温10m吗出机理相间析出的形貌 F6 Morphobgy of interthase precpita tes fom ed by bov ng outm echanism when aging at 750C for 10 min 台阶机理和出机理是相间析出的两种主要 低.随着相界面的不断移动，铜原子会一次又一次 机理，是相变过程中溶质原子在Y/α界面上周期 地富集而析出，这样铜在相界面周期性富集析出， 性沉淀的结果四.由于铜在Y和α两相固溶度存 形成如图5、图6所示的成排的列状相间析出 在明显差异，Y→α相变给铜的扩散提供了很大的 形貌. 驱动力，促使铜在相界面富集，当富集到一定程度 台阶机理相间析出时，相变时Y/α界面多为共 时就会在相界面析出，从而使界面附近铜浓度降 格或半共格低能界面，相界面的移动是通过可动
第 3期 陈海林等:含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 图 4 550℃保温 5min时弥散析出相沿位错析出的形貌.(a)倾转前;(b)倾转后 Fig.4 Morphologyofprecipitatesondislocationsafteragingat550℃ for5min:(a)beforerotating;(b)afterrotating 台阶状晶界延伸出平直列状析出相.越靠近台阶的 析出相越细小,说明这些析出相越晚析出 ,而远离台 阶的析出相已生长呈条形 , 这是典型的台阶机理相 间析出的形貌.说明本文的弥散析出相也可以以台 阶机理在 γ/α相间析出.大量观察发现在本次试验 中的三个相变温度等温都可以观察到这种析出形 貌 ,其中 650 ℃保温时, 台阶机理相间析出最为 充分 . 图 6显示出了 750℃保温 10min后在铁素体基 体上的弯曲排列的析出列,弯曲析出列通常只有 2 ～ 3列,析出列上析出相的尺寸基本相同, 且与晶界大 致平行.这是典型的弓出机理相间析出的析出形 貌.只有在较高的相变温度等温才能观察到这种 形貌 . 图 5 台阶机理相间析出形貌.(a)550℃保温 5min;(b)750℃保温 10min Fig.5 Morphologyofinterphaseprecipitatesformedbyledgemechanism:(a)agingat550℃ for5min;(b)agingat750℃ for10min 图 6 750℃相变保温 10min弓出机理相间析出的形貌 Fig.6 Morphologyofinterphaseprecipitatesformedbybowing-outmechanismwhenagingat750℃ for10min 台阶机理和弓出机理是相间析出的两种主要 机理 ,是相变过程中溶质原子在 γ/α界面上周期 性沉淀的结果 [ 12] .由于铜在 γ和 α两相固溶度存 在明显差异 , γ※α相变给铜的扩散提供了很大的 驱动力 ,促使铜在相界面富集, 当富集到一定程度 时就会在相界面析出 , 从而使界面附近铜浓度降 低 .随着相界面的不断移动, 铜原子会一次又一次 地富集而析出, 这样铜在相界面周期性富集析出 , 形成如图 5、图 6 所示的 成排的列 状相间析 出 形貌. 台阶机理相间析出时, 相变时 γ/α界面多为共 格或半共格低能界面 [ 13] ,相界面的移动是通过可动 · 305·
。306° 北京科技大学学报 第33卷 性高的高能台阶面在可动性低的低能平直相界面上 相界面1，能量较高，相界面的移动是通过部分界 移动来实现的，析出呈平直列状排列，如图7（所 面向外弓出来实现的，析出发生在弓出界面上，呈弯 示.弓出机理相间析出时，Y/a相界面多为非共格 曲列状排列，如图7(b所示 厂4TT 奥氏体 (b) g。。。,0.4000十一 铁素体 。。来。由。。。未。。。。。 3 年。88888车里年8。年8.88年8.8 。4 图7台阶机理（两和弓出机理(b相间析出示意图 Fg7 Schem atic diagram of n te phase prec pitations pmed by ledgem echanism a)and bow ingoutmechan ism b) 综上所述，含铜无取向电工钢中析出相的析出 当相变温度较高(750℃时，高能非共格界面 机理可以是一般析出、位错析出、台阶机理相间析出 增多，与共格或半共格相界面相比，其移动性更强： 和弓出机理相间析出.三个等温温度下，弥散析出 且由于温度高，原子扩散快析出元素更容易在其相 相均可以以一般析出机理析出；位错析出多发生在 界面上发生聚集析出61网，由此可见较高的相变等 较低≤650℃的相变保温温度；台阶机理相间析 温温度更有利于弓出机理相间析出的发生.本次试 出在三个等温相变温度均可发生，其中650℃时，台 验只在750℃相变等温的试样中观察到了弓出机理 阶机理相间析出最为普遍：而弓出机理相间析出只 相间析出的析出形貌且弯曲析出列并不多，通常只 发生在相对较高(750℃的等温相变温度. 有2~3列，这可能是由于相界面上弥散析出相的形 位错析出多出现在较低的相变等温温度，是因 核长大反过来减缓了相界面的迁移速度，最终钉扎 为930℃热轧，奥氏体只发生动态回复而无动态再 住了相界面的缘故. 结晶5-，回复过程在位错密度最高的地方首先发 相变完成后，基体铁素体内的铜含量仍处于过 生，回复后位错重新分布，呈平行排列m.这些平 饱和状态，在继续等温的过程中，过饱和的铜会继续 行排列的位错，为弥散析出相的析出提供了优先成 沉淀析出，形成弥散分布的析出形貌. 核位置.热轧后在较低温度≤650℃)相变保温 时，相变与奥氏体回复过程同时进行，Y→α转变快， 3结论 而回复慢，位错得以保存，可发生位错析出.随着相 (1)含铜无取向电工钢中存在大量弥散分布的 变温度升高，奥氏体回复快而Y→α相变相对较慢， 等轴状析出相，经DS和SAED分析，此析出相为 相变前位错大量消失，弥散析出相在位错线上形核、 类2结构的铜析出相. 析出减少，本次试验在650℃和750℃就没有发现 (2)含铜无取向电工钢中铜析出相的析出机理 此类析出. 可以是一般析出、位错析出、台阶机理相间析出和弓 在上述三个相变等温温度中，650℃等温时，台 出机理相间析出.其中一般析出在上述三个相变温 阶机理较为普遍的原因是：随等温温度的降低，一方 度等温时均可发生：位错析出只在550℃发生，此时 面原子扩散减慢，另一方面过冷度增大，Yα转变 析出相排列成特殊的平行短列状：台阶机理相间析 加快Y/α相界面移动速率增大，溶质原子来不及向 出也可以在上述三个相变温度等温时发生，但650℃ 相界面扩散迁移，故不利于弥散析出相以台阶机理 等温时台阶机理相间析出最为充分，析出相呈平直 在Y/a相界面上析出：而随等温温度的升高，一方 平行排列：弓出机理相间析出多发生在较高的保温 面非共格相界面增多，另一方面析出驱动力（能量） 温度，析出相呈弯曲平行排列. 减小，故也不利于弥散析出相以台阶机理在Y/α相 界面上析出.因此，650℃相变等温时，台阶机理相 参考文献 间析出最为充分. [I]HeZ Z Ekctrical Steel Beijing Memllurgical Industry Press
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 性高的高能台阶面在可动性低的低能平直相界面上 移动来实现的, 析出呈平直列状排列 ,如图 7(a)所 示 .弓出机理相间析出时, γ/α相界面多为非共格 相界面 [ 14] , 能量较高, 相界面的移动是通过部分界 面向外弓出来实现的,析出发生在弓出界面上,呈弯 曲列状排列,如图 7(b)所示. 图 7 台阶机理(a)和弓出机理(b)相间析出示意图 Fig.7 Schematicdiagramofinterphaseprecipitationsformedbyledgemechanism(a)andbowing-outmechanism(b) 综上所述,含铜无取向电工钢中析出相的析出 机理可以是一般析出 、位错析出 、台阶机理相间析出 和弓出机理相间析出.三个等温温度下 ,弥散析出 相均可以以一般析出机理析出 ;位错析出多发生在 较低(≤650 ℃)的相变保温温度 ;台阶机理相间析 出在三个等温相变温度均可发生,其中 650 ℃时 ,台 阶机理相间析出最为普遍 ;而弓出机理相间析出只 发生在相对较高 (750 ℃)的等温相变温度. 位错析出多出现在较低的相变等温温度 , 是因 为 930 ℃热轧,奥氏体只发生动态回复而无动态再 结晶 [ 15--16] ,回复过程在位错密度最高的地方首先发 生 ,回复后位错重新分布 , 呈平行排列 [ 17] .这些平 行排列的位错,为弥散析出相的析出提供了优先成 核位置.热轧后在较低温度 (≤650 ℃)相变保温 时 ,相变与奥氏体回复过程同时进行 , γ※α转变快 , 而回复慢,位错得以保存, 可发生位错析出.随着相 变温度升高 ,奥氏体回复快而 γ※α相变相对较慢 , 相变前位错大量消失 ,弥散析出相在位错线上形核 、 析出减少, 本次试验在 650 ℃和 750 ℃就没有发现 此类析出. 在上述三个相变等温温度中 , 650 ℃等温时 ,台 阶机理较为普遍的原因是 :随等温温度的降低 ,一方 面原子扩散减慢 , 另一方面过冷度增大, γ※α转变 加快, γ/α相界面移动速率增大,溶质原子来不及向 相界面扩散迁移 ,故不利于弥散析出相以台阶机理 在 γ/α相界面上析出 ;而随等温温度的升高, 一方 面非共格相界面增多 ,另一方面析出驱动力 (能量 ) 减小, 故也不利于弥散析出相以台阶机理在 γ/α相 界面上析出.因此 , 650 ℃相变等温时, 台阶机理相 间析出最为充分 . 当相变温度较高 (750 ℃)时 , 高能非共格界面 增多 ,与共格或半共格相界面相比 ,其移动性更强; 且由于温度高 ,原子扩散快, 析出元素更容易在其相 界面上发生聚集析出 [ 6, 18] , 由此可见较高的相变等 温温度更有利于弓出机理相间析出的发生 .本次试 验只在 750 ℃相变等温的试样中观察到了弓出机理 相间析出的析出形貌,且弯曲析出列并不多 ,通常只 有 2 ～ 3列 ,这可能是由于相界面上弥散析出相的形 核长大反过来减缓了相界面的迁移速度 ,最终钉扎 住了相界面的缘故 . 相变完成后, 基体铁素体内的铜含量仍处于过 饱和状态 ,在继续等温的过程中, 过饱和的铜会继续 沉淀析出 ,形成弥散分布的析出形貌. 3 结论 (1)含铜无取向电工钢中存在大量弥散分布的 等轴状析出相 , 经 EDS和 SAED分析 , 此析出相为 类 B2结构的铜析出相 . (2)含铜无取向电工钢中铜析出相的析出机理 可以是一般析出、位错析出、台阶机理相间析出和弓 出机理相间析出.其中一般析出在上述三个相变温 度等温时均可发生 ;位错析出只在 550 ℃发生 ,此时 析出相排列成特殊的平行短列状 ;台阶机理相间析 出也可以在上述三个相变温度等温时发生,但 650 ℃ 等温时台阶机理相间析出最为充分 , 析出相呈平直 平行排列 ;弓出机理相间析出多发生在较高的保温 温度 ,析出相呈弯曲平行排列 . 参 考 文 献 [ 1] HeZZ.ElectricalSteel.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, · 306·
第3期 陈海林等：含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 ·307° 1996 71325 (何忠治.电工钢.北京：治金工业出版社，1996) [10 RenH P MaoW M Precipitaton behav ior of B2-lke panickes Kubon T Manufacuring Methals of Nanorien ted Electrical Seel n FeCu binary alloy JUniv Sc Tehnol Beijing 2002 9(3) wih Low Ion Loss and Hgh Magnetic Induction Intensity Japan 185 Patent6218001419870807 [11 Zhang SH Alloy Stee Beijing Metallurgcal hdusty Press 久保田猛.低铁损高磁感强度无取向电工钢板的制造方法： 1981 日本专利621800141987-08-07) 章守华.合金钢.北京：治金工业出版社，1981) [3 Xu B LiYG Gang Y F The Prec pitaticn of copper in the non 【l2 LagebogR Zajc S A model for nterphase precipit恤tmn oriented e lec trical steel Ma ter Sci Fonm 2005 475-479 2279 Vm icronlkved structural seels Metall TransA 2001 34 39 [4 Thonoon SW KmussG Copper Prec pimtion durng contnuous [13 Honeyombe R W K Tmnspmaticn fiom austenite in alby cooling and isothemal agng of A710-type stee]Meall Tran A steels Met llTrans A 1976 7 915 1996271573 [14 RickR A Hovell PR The fomatin of discree precipintion 5]Ricks RA Howell PR.Honeycombe RW K The effect ofNi dispersions o mdbile ite phase boundaries n iron base albys on the decomposition of austenite n FeCu albys Meta ll TransA Acta MetaⅡ198331853 19791010 [15 LiMY Sun BR SteelTecnica lManul an Rolling Control and [6 RikRA Hovell PB Haeyombe RW K Fomation ofsuper Control of Cooling Beijng Metallugical Industo Press 1990 sa tma ted femite during deoomposition of austenite n imn_copper 18 ad ioncopper nickel alk's Met Sci 1980 14 562 (李曼云，孙本荣.钢的控制轧制和控制冷却技术手册北 [7]Othen PJ Jenk nsM J Sith G DW et a]Trans issian ekec. 京：治金工业出版社.199018) tonm icroscope investgations of the structure of oopper prec pitates [16 Wei J The Influence of Hot oolling Scheules an Stucure and n themally_aged FeCu and FeCuNi Phibs Mag Leit 1991 Poperties of Co H lled Non oriented E lectricl Steel Disserta 64383 tion.Beijing Tsnghua Universit 1999 46 【习Othen P J JerknsM J Smit通GDW.Hi网ton e lecton (韦酸.热轧工艺对冷轧无取向电工钢组织结构和性能的影 micosoopy sudies of the stucture of Cu prec pitates na-Fe Phi 响[学位论文1.北京：清华大学199946) bsMag A 1994 70 1 [17 Soy lu B Honeycombe R W K Micostructure refinement of du [9身Haroun DuparcHA Doo啡e R C JenkinsM L et a]A hi pkx stanless steel Mater SciTechnol 1991 7 137 eso ution electon mic osoopy suudy of copper precpin tion n Fe [18 McharA B Stucture of contnuauspy cookd bv.carban vanadi 1 5w%Cu under electron irmdiation PhibsMag Let 1995 u steels Metall Trans A 1990 21:2839
第 3期 陈海林等:含铜无取向电工钢中析出相及其析出机理 1996 (何忠治.电工钢.北京:冶金工业出版社, 1996) [ 2] KubotaT.ManufacturingMethodsofNon-orientedElectricalSteel withLowIronLossandHighMagneticInductionIntensity:Japan Patent, 62180014.1987-08-07 (久保田猛.低铁损高磁感强度无取向电工钢板的制造方法: 日本专利, 62180014.1987--08--07) [ 3] XuB, LiYG, GongYF.Theprecipitationofcopperinthenonorientedelectricalsteel.MaterSciForum, 2005, 475-479:2279 [ 4] ThomosonSW, KraussG.Copperprecipitationduringcontinuous coolingandisothermalagingofA710-typesteel.MetallTranA, 1996, 27:1573 [ 5] RicksRA, HowellPR, HoneycombeRW K.TheeffectofNi onthedecompositionofausteniteinFe-Cualloys.MetallTransA, 1979, 10:10 [ 6] RickRA, HowellPR, HoneycombeRW K.Formationofsupersaturatedferriteduringdecompositionofausteniteiniron-copper andiron-copper-nickelalloys.MetSci, 1980, 14:562 [ 7] OthenPJ, JenkinsMJ, SmithGDW, etal.Transmissionelectronmicroscopeinvestigationsofthestructureofcopperprecipitates inthermally-agedFe-CuandFe-Cu-Ni.PhilosMagLett, 1991, 64:383 [ 8] OthenPJ, JenkinsMJ, SmithGDW.High-resolutionelectron microscopystudiesofthestructureofCuprecipitatesinα-Fe.PhilosMagA, 1994, 70:1 [ 9] HardouinDuparcHA, DooleRC, JenkinsML, etal.AhighresolutionelectronmicroscopystudyofcopperprecipitationinFe- 1.5wt% Cuunderelectronirradiation.PhilosMagLett, 1995, 71:325 [ 10] RenHP, MaoW M.PrecipitationbehaviorofB2-likeparticles inFe-Cubinaryalloy.JUnivSciTechnolBeijing, 2002, 9(3): 185 [ 11 ] ZhangSH.AlloySteel.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 1981 (章守华.合金钢.北京:冶金工业出版社, 1981) [ 12] LagneborgR, ZajacS.Amodelforinterphaseprecipitationin V-microalloyedstructuralsteels.MetallTransA, 2001, 34:39 [ 13] HoneycombeR W K.Transformationfrom austeniteinalloy steels.MetallTransA, 1976, 7:915 [ 14] RickRA, HowellPR.Theformationofdiscreteprecipitation dispersionsonmobileinterphaseboundariesiniron-basealloys. ActaMetall, 1983, 31:853 [ 15] LiMY, SunBR.SteelTechnicalManualonRollingControland ControlofCooling.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 1990: 18 (李曼云, 孙本荣.钢的控制轧制和控制冷却技术手册.北 京:冶金工业出版社, 1990:18) [ 16] WeiJ.TheInfluenceofHot-rollingSchedulesonStructureand PropertiesofCold-rolled, Non-orientedElectricalSteel[ Dissertation] .Beijing:TsinghuaUniversity, 1999:46 (韦峻.热轧工艺对冷轧无取向电工钢组织结构和性能的影 响[ 学位论文] .北京:清华大学, 1999:46) [ 17] SoyluB, HoneycombeRW K.Microstructurerefinementofduplexstainlesssteel.MaterSciTechnol, 1991, 7:137 [ 18] MoharAB.Structureofcontinuouslycooledlow-carbonvanadiumsteels.MetallTransA, 1990, 21:2839 · 307·