取向硅钢是一种主要应用于变压器及电机制造的电工钢,是电力和国防工业中不可或缺的材料^[1],其生产核心是经过二次再结晶后形成单一锋锐的Goss织构({110}<001>),以此来提高材料的磁性能。因此,二次再结晶退火过程中Goss取向晶粒异常长大行为及机理一直是研究的热点。许多学者对此做了大量的工作,并提出了相关模型,主要有尺寸优势理论^[2,3,4]、重位点阵(CSL)理论^[5,6,7]、高能晶界理论^[8,9,10]及固态润湿理论^[11,12,13]。这些模型都能够很好地解决部分实验现象,但还没有形成一个普遍能够接受的理论。

众所周知,准确表征材料的显微组织对于研究相关机理和改善材料性能具有重要的意义,长久以来科研工作者们仅仅利用二维图像来观察分析材料的显微组织,由于组织很多或部分埋在截面底下或者在制样的过程中已经被磨掉,因此二维图像已丧失了很多组织信息,并不能完全准确地表征显微组织形貌。因而,材料微观组织结构的三维观测与定量表征一直是材料科学与工程领域的焦点和难点。目前已经有一些科研工作者在材料微观组织三维重构研究方面取得了一定的成果,樊新民等^[14]采用系列磨片和计算机三维重建技术与可视化,研究了纯Fe渗硼层硼化物的立体形貌,发现渗硼层的硼化物以柱状晶形式向基体生长的同时也在横向生长,且纵向生长速率大于横向生长速率;而处于表面的柱状晶根部连在一起形成连续的渗硼层,柱状晶生长过程中会出现倾斜和合并。Morito等^[15]采用三维观测和晶体分析技术观察了碳素钢中马氏体三维形貌,并定量分析了板条马氏体的体积分数。Wu等^[16,17]采用了定量逐层研磨和计算机辅助重构技术得出Fe-0.28C-3.0Mo (质量分数,%)合金中过冷奥氏体等温转变(TTT)曲线鼻尖温度以下退化铁素体的三维形貌,分析认为退化铁素体最初在奥氏体晶界处形成后向晶粒内生长而不是向晶界扩展。李英等^[18]利用连续切片-三维重建技术研究了ZL102铝硅合金的三维显微组织形态,发现在ZL102中初晶Si呈多角块状并出现棱面相生长特征。二维组织中共晶Si一般多为不规则针状分散分布在合金基体中,但三维组织中共晶Si与初生Si连接在一起呈层片状,说明共晶Si凝固生长中并不一定需要重新形核。栾军华等^[19]采用系列截面法制备出400幅纯Fe晶粒的系列截面图并结合电子背散射衍射(EBSD)重构出一组可以定量得出单个晶粒尺寸、形状及拓扑特征的三维晶粒的数字化可视模型,通过该模型可以获取各晶粒及晶界在三维多晶体空间的真实取向信息。在前期的研究中,本课题组针对高磁感取向硅钢(Hi-B钢)的热轧组织、织构和析出物进行了研究^[20],并研究了冷轧后初次再结晶织构演变规律,利用Avrami方程建立了初次再结晶动力学模型^[21];尤其利用定量逐层研磨和计算机辅助重构及可视化技术,结合EBSD技术,研究了Hi-B钢二次再结晶退火初期不同取向晶粒的三维形貌,研究表明Goss取向晶粒相比其它取向晶粒在三维尺度上没有尺寸优势,Goss取向晶粒异常长大前,其长大主要受曲率控制^[22]。在前述工作的基础上,本工作采用定量逐层研磨和三维重构可视化技术,表征异常长大Goss取向晶粒的三维形貌,并分析其长大特征和相关机理。

1 实验方法

实验材料为实验室试制的Hi-B钢,其化学成分(质量分数,%)为：C 0.05,Si 3.47,Al 0.027,N 0.006,Cu 0.035,Mn 0.096,Sn 0.048,Fe余量。实验铸坯由真空感应电炉冶炼,钢水浇注到200 mm×85 mm×40 mm的Al₂O₃耐火铸模中,铸坯的脱模温度为980 ℃,随后将其装入设定温度为1200 ℃的保温炉中,保温0.5 h后热轧至2.5 mm,后经两段式常化处理,一次冷轧至0.3 mm,对冷轧样品进行脱碳退火和渗氮后在气氛为75%H₂+25%N₂环境下进行1200 ℃二次再结晶退火。采用中断法在二次再结晶退火升温阶段研究Goss取向晶粒异常长大行为,升温速率为20 ℃/h,从1000~1150 ℃每隔10 ℃从炉中取样。为了确定二次再结晶的起始温度,对不同温度下的样品用热盐酸酸洗后进行宏观组织观察,结果表明1040 ℃后发生晶粒异常长大。针对异常长大的Goss取向晶粒进行三维形貌表征,在1040~1100 ℃温度范围内选取实验样品。在制备二维系列截面前,借助配有HKL Channel 5 EBSD系统的Nova 400 Nano场发射扫描电子显微镜(SEM)对样品板面方向(RD-TD方向,RD: rolling direction, TD: transverse direction)进行取向分析,再利用MiniMet1000自动磨抛机沿厚度方向(ND: normal direction)定量逐层研磨,设定自动磨、抛时间、压力和速率恒定,因此每磨、抛一次得到的厚度基本相同。本实验中每层磨去的厚度约为1.9 μm,自动磨抛后用体积分数为4%的硝酸酒精进行腐蚀,用HV-1000A型显微硬度计在试样的目标区域附近至少打下3个压痕,印痕中心用于相邻2张图像堆垛。利用Axio Scope A1型金相显微镜(OM)拍摄金相照片,将获得的金相照片使用ScnImage软件进行堆垛,随后采用PhotoShop抠出目标区域并进行格式转换,最终由ImgToVolume软件导出三维信息文件,得到晶粒的三维形貌图。

2 实验结果与分析

2.1 EBSD分析

图1是研磨之前二次再结晶退火中不同中断退火温度时样品表面的EBSD取向图(各取向最大偏差角为15°),由图可见,每个样品晶粒尺寸分布不均匀,都至少存在一个异常长大的Goss取向晶粒,而其它取向基体晶粒尺寸相对细小均匀,整体上晶粒尺寸分布符合异常长大“双峰”晶粒尺寸分布特征^[23]。另外,每个样品除了包括体积分数不等的Goss取向晶粒外,基体中还存在大量的{411}<148>取向晶粒,以及一些其它取向晶粒,包括{111}<112>、{111}<110>、{112}<111>和{110}<112>等取向晶粒。进一步分析发现,图1a中存在一大一小2个Goss取向晶粒,图中分别标记为G1和G2,其中,G1的最大尺寸约为570 μm,而基体晶粒平均尺寸仅为64.68 μm,G1晶粒与理想的Goss取向晶粒的取向差为6.7°,属于位向比较准确的Goss取向晶粒,G2与G1的位置比较接近,且2者之间的取向差仅为0.4°,推测2个晶粒在三维尺寸上应为同一个晶粒。另外,计算表明分隔开Goss取向晶粒G1和G2的一些晶粒与Goss取向晶粒取向差主要分布在20°~45°的范围内,因此,所构成的晶界属于高能晶界。值得注意的是这些晶粒包括一些尺寸大于基体平均尺寸的晶粒,如图中标记的A1、B1、F1和M1晶粒。

图1b中的Goss取向晶粒G3只呈现部分形貌,其两端尺寸较大,中间内凹,对相邻晶粒形成半包裹。G3与理想Goss取向晶粒的取向差为6.2°,图中其最大尺寸约为350 μm,超过其基体晶粒平均尺寸5倍。图1c中Goss取向晶粒G4也只呈现部分形貌,图中其最大晶粒尺寸约为856 μm,超过基体晶粒平均尺寸8倍。图1d中Goss取向晶粒G5呈现比较完整的形貌,与理想Goss取向晶粒的取向角为13.6°,最大晶粒尺寸约为1098 μm,超过其基体晶粒平均尺寸17倍。而G6晶粒也只呈现部分形貌,与理想Goss取向晶粒的取向角为8.1°,图中部分其最大晶粒尺寸约为874 μm,超过其基体晶粒平均尺寸14倍。另外还发现晶粒G5和晶粒G6之间包裹着大量的尺寸不等“半岛状”晶粒,这些“半岛状”晶粒主要是一些{411}<148>取向晶粒和{111}<110>取向晶粒,以及其它非常见取向晶粒。很明显,这些“半岛状”晶粒应该是2个异常长大的Goss取向晶粒G5和G6在长大前沿相遇后被包裹进来的。

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图1   二次再结晶退火中不同中断退火温度时样品表面EBSD取向图

Fig.1   EBSD orientation images on the sample surface during secondary recrystallization annealing after heated to 1060 ℃ (a), 1080 ℃ (b), 1100 ℃ (c) and 1040 ℃ (d) (G1~G6 represent six Goss oriented grains, respectively; D1 represents {001}<100> oriented grain; H1 represents {411}<148> oriented grain; I1 and K1 represent {111}<110> oriented grains; L1 and N1 represent {001}<110> oriented grains; A1, B1, C1, E1, F1, J1 and M1 represent other oriented grains)

2.2 典型异常长大Goss取向晶粒三维形貌

图2a和b为不同视角下Goss取向晶粒G1和G2的三维形貌。通过逐层研磨发现G1晶粒与G2晶粒有相互靠近的趋势,研磨到73层最终连接为一个整体,整个晶粒共磨去160层,贯穿上下表面。参照前期工作^[23]相关处理方法,可以得到整个晶粒等效长方体几何尺寸,见表1。由表可见,整个晶粒在ND方向的尺寸约为板厚300 μm,而在RD-TD 2个方向的尺寸大约都为690 μm,远大于ND方向的尺寸。从三维尺度上观察,整个晶粒大致呈现“饼形”晶粒形貌,在板面方向晶界前沿参差不齐,出现大小不等的“沟壑”,表现各向异性的长大特征,而在晶粒内部,即晶粒G1和G2之间也出现比较明显的“沟壑”。分析认为这些所谓的“沟壑”是晶粒在异常长大过程中被所谓“半岛状”晶粒和“岛状”晶粒阻挡所形成的,其中出现在板面方向晶界前沿的“沟壑”是由“半岛状”晶粒阻挡产生的,而出现在晶粒内部的“沟壑”是由“岛状”晶粒阻挡产生的。关于“半岛状”晶粒和“岛状”晶粒的形成机理,一种可能是与Goss取向晶粒相邻的晶粒具有较大的尺寸,使得Goss取向晶粒在短期内无法将其吞噬,在一定程度上阻碍了Goss取向晶粒的长大,从而形成“岛状”晶粒^[24];另一种是一些晶粒与异常长大的Goss取向晶粒相遇形成的晶界具有较低的迁移率导致“遗留”在Goss取向晶粒内部,从而形成“岛状”晶粒^[24,25];还有一种可能是在固态润湿的作用下,Goss取向晶粒插入2个相邻的晶粒之间并逐渐对其进行包裹形成^[11,13]。结合图1a中EBSD分析结果,推测阻止Goss取向晶粒异常长大的主要是一些大尺寸晶粒(如图1a中标记的晶粒A1、B1和F1等),这些大尺寸晶粒使得Goss取向晶粒失去尺寸优势而无法在短期内被吞噬掉,只能在后期的退火中在H₂气氛条件下借助表面能优势逐渐被吞噬掉。图3为4个大尺寸“岛状”晶粒的三维形貌图,其中,图3a~c分别对应图1a中的晶粒A1、B1和F1,而图3d是后期研磨过程中G1晶粒内新出现的“岛状”晶粒。从三维尺度上观察,晶粒A1和晶粒B1均类似于棱台状,它们沿ND方向上的尺寸总体呈现减小的趋势;图3c中晶粒F1类似于塔状,在ND方向上也呈现出上端尺寸大下端尺寸减小的趋势;而图3d中的晶粒O1也类似于棱台状,只不过沿ND方向上的尺寸总体呈现增大的趋势。因此,总体来说在ND方向上这些“岛状”晶粒呈现出“内小外大”的特征,只不过晶粒A1、B1和F1主要位于板厚的上层,而晶粒O1主要位于板厚的下层,分析认为这些“岛状”晶粒首先在内层被Goss取向晶粒逐渐吞噬,然后扩展到外层。因此,这些“岛状”晶粒的三维形态符合Goss取向晶粒“饼形”长大特征,即位于次表层Goss取向晶粒二次再结晶核首先沿中间层快速长大取得尺寸优势,然后反向沿厚度方向长大到样品表面,并在表面能的作用下继续异常长大^[26]。

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图2   不同视场下Goss取向晶粒G1和G2的三维形貌图

Fig.2   Three-dimensional morphologies of Goss oriented grains G1 and G2 in different fields of view (ND—normal direction) (a) front view (b) rotated view

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图3   Goss取向晶粒G1和G2中4个大尺寸“岛状”晶粒的三维形貌图

Fig.3   Three-dimensional morphologies of four large size ’island’ grains in Goss oriented grains G1 and G2(a~c) grains A1, B1 and F1 in Fig.1a, respectively (d) grain O1 in Fig.4e

图4为晶粒G1和G2在不同研磨层的OM像。由图可见,在向下研磨过程中,晶粒G1和G2之间的“岛状”晶粒尺寸越来越小,一些小尺寸“岛状”晶粒很快消失,如晶粒H1、I1、L1等,分开的晶粒G1和G2在研磨到90层左右连接在一起(图4f),而前文所述的新的“岛状”晶粒O1最先出现在53层,在研磨的过程中不断变大,最终出现在样品的下表面(图4e~h)。另外,在研磨过程中在一些三叉晶界、四叉晶界交界处还发现类似固态润湿现象^[11,12]。如图4b圆圈所示的位置是晶粒G2、B1和N1构成的三叉晶界,在向下研磨的过程中,发现Goss取向晶粒沿三叉晶界侵蚀,产生固态润湿的效果,从而分隔开晶粒B1和N1(图4c~e)。还有图4e圆圈所示的位置是晶粒G1、B1、F1和K1构成的四叉晶界,在向下研磨的过程中,也发生类似固态润湿现象(图4f)。据此推测,在Goss取向晶粒异常长大过程中,固态润湿可能起着一定的作用,但有待后续进一步的观察和研究。

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图4   Goss取向晶粒G1和G2在不同研磨层的微观形貌

Fig.4   Morphologies of Goss oriented grains G1 and G2 polished to 1st (a), 10th (b), 35th (c), 45th (d), 65th (e), 95th (f), 120th (g) and 160th (h) layer

2.3 其它异常长大Goss取向晶粒的三维形貌

图5是高温退火过程中4个异常长大Goss取向晶粒G3~G6的三维形貌图。如前文所述,这4个晶粒除了晶粒G5三维形貌比较完整外,其它几个都是晶粒部分形貌。这里需要说明的是,由于受到制样和后期金相拍摄具体操作的局限,使得Goss取向晶粒的完整形貌没有展现出来,只能重构出晶粒部分特征形貌。由图可见,4个晶粒在ND方向都贯穿了试样的上下表面,在沿板面方向长大前沿晶界参差不齐,都存在不同程度的“沟壑”,而且在晶粒G6内部也存在少量的“沟壑”(图5d)。表1为这4个晶粒的等效长方体几何尺寸。由表可见,这4个晶粒在RD-TD方向的尺寸远大于ND方向的尺寸。因此,从三维尺度上观察,4个晶粒都呈现典型“饼形”晶粒形貌,它们在异常长大过程中应该同样遵循“饼形”长大规律,即处在次表层的二次再结晶晶核在中间层快速长大取得尺寸优势后,反向沿厚度方向长大到样品表面,并在表面能的作用下继续异常长大;而在沿板面方向长大的过程中,由于基体晶粒尺寸不均匀性,特别是遇到一些大尺寸晶粒无法在短期内被吞噬掉,或者是2个异常长大的Goss取向晶粒相遇后造成某些方向长大停止,而一些基体晶粒被包裹进来成为“半岛状”晶粒(图1d),还有可能是不同取向晶粒晶界迁移率存在明显差异性等方面的影响,使得Goss取向晶粒在某些方向长大受阻,从而表现出晶界前沿参差不齐,长大呈现典型的各向异性特征。

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图5   Goss 取向晶粒G3~G6 的三维形貌图

Fig.5   Three-dimensional morphologies of Goss oriented grains G3 (a), G4 (b), G5 (c) and G6 (d) in Fig.1
(The selected fields of view in G3 and G6 are slightly different from those shown in Fig.1)

3 结论

(1) 从三维尺度上观察,异常长大Goss取向晶粒呈现“饼形”晶粒形貌,异常长大过程中遵循“饼形”长大规律,即处在次表层的二次再结晶晶核在中间层快速长大取得尺寸优势后,反向沿厚度方向长大到样品表面,并在表面能的作用下继续沿板面方向异常长大,最终使得在RD-TD方向的尺寸远大于ND方向的尺寸。

(2) 在Goss取向晶粒异常长大过程中,一些基体大尺寸晶粒由于尺寸优势会阻挡Goss取向晶粒长大,从而暂时保留在晶粒内部形成“岛状”晶粒;而在长大前沿,由于基体晶粒尺寸不均匀性,特别是遇到一些大尺寸晶粒无法在短期内被吞噬掉,或者是2个异常长大的Goss取向晶粒相遇后造成某些方向长大停止,而一些基体晶粒被包裹进来成为“岛状”和“半岛状”晶粒,还有可能是不同取向晶粒晶界迁移率存在明显差异性等方面的影响,使得Goss取向晶粒在某些方向长大受阻,从而表现出晶界前沿参差不齐,长大呈现典型的各向异性特征。

The authors have declared that no competing interests exist.