Acta Metallurgica Sinica  2017 , 53 (1): 19-30 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00213

Orginal Article

电工钢相变组织中的Σ3和取向梯度现象

章楼文, 杨平, 毛卫民

北京科技大学材料科学与工程学院 北京 100083

Phenomena of Σ3 and Orientation Gradients in an ElectricalSteel Appliedα→γ→α Transformation

ZHANG Louwen, YANG Ping, MAO Weimin

School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

文献标识码:  中图分类号 TG111 文章编号 0412-1961(2017)01-0019-12

文章编号:  0412-1961(2017)01-0019-12

通讯作者:  Correspondent: YANG Ping, professor, Tel: (010)82376968, E-mail: yangp@mater.ustb.edu.cn

收稿日期: 2016-05-31

网络出版日期:  2017-01-22

版权声明:  2017 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  资助项目 国家自然科学基金项目No.51271028

作者简介:

作者简介 章楼文,男,1991年生,硕士生

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摘要

将超低碳无取向电工钢冷轧板在γ单相区加热,分别在H2和N2中使其发生α→γ→α相变,对超低碳无取向电工钢中的相变组织特征进行表征,并对其形成机理进行分析与讨论。结果表明,H2退火板中形成了强{100}取向单层饼状晶,且{100}取向晶粒的尺寸达到1 mm以上;而N2退火板表层为近{100}和{110}取向柱状晶,中心层则主要为{111}和{114}取向等轴晶。Σ3晶界普遍出现在发生取向择优的相变组织中,其形成机制与表面效应作用下诱发变体选择时所遵循的K-S关系密切相关;在N2退火板的柱状晶内部出现了近似线性的取向梯度,应为表层晶粒沿板材法向(ND)依靠γ→α相变长大受阻引起的相变应变累积造成的。

关键词: 电工钢 ; α→ γ → α 相变 ; Σ 3晶界 ; K-S关系 ; 取向梯度

Abstract

At present, the quality of commercial non-oriented electrical steels is improved mainly by optimizing deformation and recrystallization textures, but the most desirable {100} texture for the magnetic properties of sheets is normally no more than 20% in volume fraction. Throughα→γ→α transformation, however, the percentage of {100} texture can be up to 50%, even as high as 80% or more. The characteristics of transformation microstructure in ultra-low carbon non-oriented electrical steel are basically revealed in this work, and the formation mechanisms are analyzed and discussed. The cold-rolled sheets of electrical steels are heated inγ single phase region,α→γ→α transformation occurs in hydrogen and nitrogen atmosphere, respectively. The results indicate that strong {100} texture with monolayer pancake grains is developed in hydrogen, and the size of {100} oriented grains reaches more than 1 mm; whereas near {100} and {110} textured columnar grains are formed at the surface layer of the sheets in nitrogen, and the equal-axed grains with {111} and {114} textures in the center layer are obtained finally. Σ3 grain boundaries generally appear in the transformation microstructure where grain orientations are preferred, and its formation mechanism is closely related to K-S relationship which is followed during variant selection induced by surface-effect. There is an approximate linear orientation gradient in the columnar grains at the surface of the sheet annealed in nitrogen, and this phenomenon should be resulted from the accumulation of transformation strain induced by the suppression of the growth of surface grains withγ→α transformation along the normal direction.

Keywords: electrical steel ; α→γ→α transformation ; Σ 3 grain boundary ; K-S relationship ; orientation gradient

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章楼文, 杨平, 毛卫民. 电工钢相变组织中的Σ3和取向梯度现象[J]. , 2017, 53(1): 19-30 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00213

ZHANG Louwen, YANG Ping, MAO Weimin. Phenomena of Σ3 and Orientation Gradients in an ElectricalSteel Appliedα→γ→α Transformation[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(1): 19-30 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00213

无取向电工钢片主要用于制作电机中的铁芯材料,一般通过控制形变和再结晶过程优化织构的方式来改善磁性能。近些年来,特别是为了实现高效节能,提出了高磁感和低铁损的要求。由于{100}取向晶粒具有2个易磁化方向,它的存在对磁性能的改善极为有利。Liu等[1~3]采用双辊薄带连铸工艺制备实验所需的合金材料,再通过形变与再结晶的方式控制织构,最终获得了较强的{100}织构组分,并且明显减少{111}织构的含量。一些学者通过α→γ→α相变制备强{100}织构组分[4~13],磁性能也得到了一定改善。

然而,{100}相变织构的形成机制一直存在争议。在众多不同的解释中,以下2种机制较为让人认可:(1) <100>是bcc Fe中弹性模量最低的软方向,{100}织构具有形核与长大优势[4,10~12];(2) 在特定的气氛条件下,通过原子吸附或偏析,使{100}晶面的表面能达到最低[14~17]。由于{100}取向晶粒总是优先在气氛/金属界面上形成,可认为其是表面效应作用诱发的结果。材料发生α→γ→α相变过程中,在表面效应的作用下遵循K-S关系进行变体选择,以形成强的相变织构。但是Gautam等[18]报道超低碳钢冷轧板在α→γ→α相变后,出现板材表层与心部的织构类型不同的现象,认为心部的{111}织构是织构记忆作用的结果,即相变后的最终铁素体织构与初始的铁素体织构保持一致[18~24]

Σ3晶界是2个相邻晶粒之间的一种特殊的重合位置点阵(CSL),其可以用<111>60°轴角对来表示它的取向差。Σ3晶界在本工作中大量存在,特别是在出现择优取向的组织中,故而分析其分布特点以及形成原因对研究钢中α→γ→α相变机制具有重要的指导意义。另外,在本工作中还观察到在大尺寸的{100}取向晶粒与其内部的小晶粒之间均为Σ3晶界,由于Σ3关系是在α→γ→α相变过程中遵循K-S关系产生变体所形成的,因此可以把这种现象归因于双K-S或多K-S关系。Tomida等[25~28]提出了一种变体选择规律:γ→α相变过程中新相种子可分别与2个相邻母相之间成K-S关系或近K-S关系,即双K-S关系现象。

本工作在Zhang等[5]和Xie等[13]的研究基础上,进一步揭示超低碳含锰钢相变退火后出现的Σ3晶界和取向梯度现象,并对其形成机理及与相变机制的联系进行分析与讨论。

1 实验方法

实验材料为实验室条件下真空冶炼的超低碳含Mn无取向电工钢,成分(质量分数,%)为:C 0.0036,Mn 0.33,Fe余量。利用差示扫描量热仪(DSC)测定临界相变温度:Ar1=856 ℃ (γ-α转变终了温度),Ac1=875 ℃ (α-γ转变开始温度),Ar3=885 ℃ (γ-α转变开始温度),Ac3=904 ℃ (α-γ转变终了温度)。将铸锭进行锻造、热轧以及冷轧一系列工艺处理,最终获得0.20 mm和0.35 mm厚的2种冷轧板(分别记为样品1和样品2)。最终的相变退火在管式炉中进行,样品采取到温入炉的方式入炉,退火工艺路线为:在960 ℃保温3 min后,以400 ℃/h的冷却速率降温至840 ℃,然后空冷;退火气氛为H2或N2,分别记为Q1和Q2工艺;加热保温温度在奥氏体单相区,以确保样品完全发生α→γ→α相变。将样品1在Q1工艺下进行退火,样品2在Q2工艺下退火;为获取再结晶组织的显微特征,将样品2在700℃退火10 min。利用 Ultra55场发射扫描电镜(SEM)配备的电子背散射衍射(EBSD)技术对退火样品进行测试,并利用Channel-5取向分析系统对测试结果进行数据处理,获取各退火样品的显微组织特征信息。利用DMR金相显微镜(OM)对样品2相变组织进行表面形貌观察。本实验中与理想取向的最大偏差角设为15°。

2 实验结果

图1和2分别为样品1经Q1工艺退火后横截面和表面的EBSD分析。该工艺下,样品1中获得了强{100}取向单层饼状晶组织,其面积分数高达80%以上;退火组织中的{100}取向晶粒的尺寸比板厚大得多,沿轧制方向(RD)达到了1 mm (图1c),而非{100}取向晶粒均处于大晶粒的内部,平均尺寸约为96 μm;并且从轧面上看,{100}取向晶粒的尺寸在轧面(RD-TD)二维方向上也达到了毫米级以上(图2c)。由于轧面上较厚度方向上区域大得多,故而非{100}取向晶粒的平均尺寸有所增大,约为280 μm。因此,在该相变退火组织中{100}取向晶粒相对于其它取向晶粒具有明显的尺寸优势。Sung等[10,11]将Fe与Fe-Si合金在H2下进行相变退火后,也得到了与本实验相似的结果:{100}取向晶粒的尺寸在厚度截面上比板厚大,且在{100}取向大晶粒中存在小晶粒。在本实验数据中的{100}取向大晶粒内部未观察到明显的取向梯度分布特点,直线测量结果如图3所示。

图1   样品1经Q1工艺退火后横截面的EBSD分析

Fig.1   Orientation map and orientation distribution function (ODF) of electron backscattered diffraction (EBSD) data displayed atφ2=45° section for through thickness cross-section of sample 1 after Q1 (φ1,Φ andφ2 are the Euler angles, which form a three-dimensional orientation space; RD, TD and ND represent rolling direction, transverse direction and normal direction of the sheets, respectively)(a) ODF(b) {111} pole figure of white frame in Fig.1c(c) orientation map shown in IPF-Z of Fig.1a (IPF-Z—projection of the grain orientations that are parallel to ND in the crystal coordinate system)(d) Kikuchi band quality map with Σ3 grain boundaries in Fig.1c(e) rotation axis distribution(f) misorientation angle distribution

图2   样品1经Q1工艺退火后表面的EBSD分析

Fig.2   Orientation map and ODF of EBSD data displayed atφ2=45° section for rolling plane at the surface of sample 1 after Q1(a) ODF(b) {111} pole figure of {100} large-grain interior referred by the arrow in Fig.2c (c) orientation map shown in IPF-Z of Fig.2a(d) Kikuchi band quality map with Σ3 grain boundaries in Fig.2c (e) rotation axis distribution(f) misorientation angle distribution

图3   图1c和2c中直线测量的晶内取向差分布

Fig.3   Misorientation profile measured by the black lines in Figs.1c and 2c

从转角分布(图1f和2f)可以发现,在单层饼状晶组织中存在大量的小角度晶界,以小于10°的为主,且在60°左右的大角度晶界居多;结合转轴分布(图1e和2e)可知,样品1在α→γ→α相变过程中理想的K-S关系可以用轴角对表示为<111>60°(即为Σ3晶界的取向差),这是变体选择出现择优取向的结果,也间接表明了在α→γ→α相变后的重合位置点阵(CSL)主要为Σ3晶界。在图1d和2d中,厚度截面和轧面上的Σ3晶界分数分别为11.1%和2.33%,观察到Σ3晶界的分布特点为:{100}取向大晶粒之间几乎不存在Σ3关系,而{100}取向大晶粒内部的非{100}岛状小晶粒的周围大多为Σ3晶界。Gomes等[29]也曾在超低碳钢的相变组织中观察到Σ3晶界一般出现在岛状晶粒的周围,此现象与本实验结果一致。

在样品1相变组织中,{100}取向大晶粒普遍同时与其内部多个小晶粒共<111>晶轴(图1b和2b),并且它们之间为变体关系。Σ3晶界的形成规律与相变发生时所遵循的K-S关系密切相关。在γ→α相变过程中,{100}取向晶粒为非{100}取向小晶粒所有奥氏体母相晶粒的公共变体,即{100}取向晶粒形核时,同时与多个相邻奥氏体晶粒遵循K-S关系,出现双K-S或多K-S关系现象。Tomida等[28]利用双K-S关系对钢中的织构记忆现象进行了预测,且预测结果得到了实验验证。认为遵循双K-S关系的相变形核位置普遍存在于大多数普通晶界处,形成的新相与其中一个母相的取向差允许偏离准确的K-S关系10°以内。

图4为样品2在Q2工艺下相变退火后横截面的EBSD分析。该工艺下,样品2中并没有出现完整的柱状晶组织;板材内部主要为{111}和{114}取向等轴晶,平均晶粒尺寸为118.9 μm;并且2个表层的近似柱状晶组织并不均匀,平均晶粒尺寸为267.8 μm,主要出现的是近{100}和{110}织构(图4a和c),其中近{100}织构的含量仅为25.3%。然而,柱状晶长入板材内部的深度不一致,并且可观察到柱状晶内部出现了一定的取向梯度,而等轴晶中没有此现象(图4c)。在该组织中也出现了一定量的Σ3晶界,约占总晶界的1.75%,且分布不均匀,在表层的柱状晶中居多,而心部等轴晶中的Σ3晶界较少,从而也可以发现Σ3晶界的分布特点及作用与实验材料在α→γ→α相变过程中的相变机制有很大的联系。

图5和6分别为样品2在Q2工艺下相变退火后表面的EBSD分析和OM像。可以发现,样品表层晶粒大而不规则,大晶粒的尺寸将近1 mm,并且在大晶粒的内部也出现了岛状小晶粒(图5c和6),这些小晶粒的平均尺寸约为90 μm;表层织构以近{100}和{110}为主(图5a和c),面积分数分别为38.1%和37.6%。在样品2表层相变组织中有显著的特点:在大晶粒内部存在明显的取向梯度,在图4c和5c中沿直线在表层晶粒内部进行测量,呈现出近似线性取向梯度分布的特点(图7),取向变化率在(0.048~0.091)°/μm之间。由于取向差在大晶粒内部出现大幅度的连续变化,导致表层单个晶粒中的侵蚀颜色深浅不一致(图6),并且在表面上还形成了“流水”形貌,如图6中箭头所示,可能为晶粒不规则性以及大小角度晶界频繁交替出现所致。Gomes等[29]曾报道过关于超低碳钢在相变退火后板材表面的线性取向梯度现象,不过这种现象伴随着特殊的形貌(“X”形状)出现,且不规则的大晶粒尺寸相对于该实验结果中的要小。

图5e和f可知,样品2表层相变过程中理想的K-S关系依然可以用轴角对<111>60°来表示;Σ3晶界主要分布在岛状小晶粒周围以及某些大晶粒部分晶界上(图5d),其占大角度晶界(≥15°)的比例为4.61%。在图4b和5b中仍然可以观察到板材表层大晶粒与其内部小晶粒共<111>晶轴,因此它们之间也是变体关系,该现象是由变体选择引起的取向择优造成的。

图4   样品2经Q2工艺退火后横截面的EBSD分析

Fig.4   Orientation map and ODF of EBSD data displayed atφ2=45° section for through thickness cross-section of sample 2 after Q2(a) ODF(b) {111} pole figure of the large-grain interior referred by the arrow in Fig.4c(c) orientation map shown in IPF-Z of Fig.4a(d) Kikuchi band quality map with Σ3 grain boundaries in Fig.4b

图5   样品2经Q2工艺退火后表面的EBSD分析

Fig.5   Orientation map and ODF of EBSD data displayed atφ2=45° section for the surface of sample 2 after Q2(a) ODF(b) {111} pole figure of near {110} grain interior referred by the arrow in Fig.5c(c) orientation map shown in IPF-Z of Fig.5a(d) Kikuchi band quality map with Σ3 grain boundaries in Fig.5c(e) rotation axis distribution(f) misorientation angle distribution

图6   样品2经Q2工艺退火后表面显微组织OM像

Fig.6   OM image of rolling plane at the surface of sample 2 after Q2 (Arrow denotes stream-like morphology)

图7   图4c和5c中沿直线测量的晶内取向梯度

Fig.7   Orientation gradient within the grains measured along the lines shown in Figs.4c and 5c

图8为样品2在Q2工艺下相变退火后板材心部RD-TD二维方向上的EBSD分析。在样品2相变组织的心部,{100}、{110}以及{111} 3种织构组分均存在(图8a和b),其面积分数分别为12.2%、26.1%和17.4%。在图8b中,可以观察到近{100}或{110}取向晶粒具有一定的尺寸优势,而{111}取向晶粒一般为较小的等轴晶。由图8d和e可知,取向差为<111>60°的晶粒明显减少;并且在该轧面组织中的Σ3晶界含量为1.18%,多分布在较大晶粒区域(图8c)。

图8   样品2经Q2工艺退火后中心层的EBSD分析

Fig.8   Orientation map and ODF of EBSD data displayed atφ2=45° section for rolling plane in the bulk of sample 2 after Q2(a) ODF (b) orientation map shown in IPF-Z of Fig.8a(c) Kikuchi band quality map with Σ3 grain boundaries in Fig.8b(d) rotation axis distribution(e) misorientation angle distribution

图9为样品2在700 ℃再结晶退火后轧面的EBSD分析。可以看出,样品组织中主要为{111}取向等轴晶(图9a和b),晶粒之间几乎均不构成<111>60°取向差关系(图9d和e),也就是说存在的Σ3晶界非常少(图9c)。

图9   样品2在700℃再结晶退火后轧面的EBSD分析

Fig.9   Orientation map and ODF of EBSD data displayed atφ2=45° section for rolling plane of sample 2 after recrystallization annealing at 700℃(a) ODF(b) orientation map shown in IPF-Z of Fig.9a(c) Kikuchi band quality map with Σ3 grain boundaries in Fig.9b(d) rotation axis distribution(e) misorientation angle distribution

3 分析讨论

综上所述,样品1在Q1工艺下退火后,形成了强{100}取向单层饼状晶组织;而样品2在Q2工艺下退火,得到的相变组织与样品1中的截然不同:表层柱状晶长入板材内部的深度不一致,出现择优取向,主要为近{100}和{110}织构,晶粒大且不规则;而板材心部组织除了由表层长入的近{100}和{110}取向晶粒,还有相当一部分的{111}取向等轴晶。这2种相变组织的形成机制值得进一步探讨。

1980年,Hashimoto等[4]提出{100}相变织构的形成机制是弹性应变各向异性。2011年,Sung等[10]通过计算强调相变点温度附近Young's模量最大值与最小值的比值由室温的1.3增加至1.9,并且在900 ℃时,3种晶面的平均Young's模量E排列顺序为:E{100}<E{111}<E{110}。因此在γ→α相变过程中,{100}取向铁素体晶粒在应变能各向异性的作用下较其它取向晶粒具有形核长大的优势,并且沿<100>所产生的应变能最小。文献[4,30]还指出:相变应变主要沿ND分布,也就是说相变过程中一般沿ND释放的应变比沿板面方向大。所以样品1冷却过程中发生γ→α相变时,板材表层奥氏体晶界上的某些特殊位置在表面效应作用下优先诱发形成具有{100}取向的铁素体核心,并沿ND迅速长大至板厚,在相变初期其长大速率大于板材心部组织的相变形核速率。文献[14,16]认为:在特定气氛中,通过改变金属表面的化学成分或者吸附原子,可使{100}晶面的表面能处于最低。在纯H2气氛下,实验板材中的{100}晶面表面能可处于最低,当相变{100}取向铁素体晶粒贯穿整个板材厚度后,表面能对晶粒的二维长大提供驱动力,以实现进一步的γ→α相变和{100}取向晶粒在轧面上的长大;此外,在相变完成之后,{100}取向晶粒在尺寸优势的作用下,晶粒尺寸达到毫米级以上。

强{100}织构的形成是α→γ→α相变过程中依赖K-S关系发生变体选择以及表面效应作用的结果,而根据图1和2可知,该过程中理想的K-S关系可用<111>60°轴角对表示,并且相变组织中的Σ3晶界一般分布在岛状小晶粒周围。Lischewski和Gottstein[31]研究发现,在升温过程发生相变时,新相核心一般都是在三叉晶界上形成,并且新相晶粒总是与所有的相邻母相遵循近K-S关系;α→γ相变过程中观察到10.3%的形核是通过这种方式完成的。然而,Yoshinaga等[21]的研究表明,在冷却相变过程中三叉晶界处的形核对变体选择的影响比加热相变时的更为显著。γ→α相变过程中,{100}取向大晶粒和Σ3晶界形成过程如图10所示。在γ→α相变初期,具有形核优势的{100}取向铁素体核心优先在多叉晶界等特殊位置处形成,并与各母相奥氏体晶粒均保持近K-S关系,即为所有相邻母相晶粒的公共变体。当{100}取向晶粒在轧面上长大到一定程度时,由于前期吞并奥氏体晶粒发生γ→α相变引起了一定相变应变的累积,相变阻力不断增加,而形成具有Σ3关系的相邻晶粒所产生的应变能较小。在固态相变的形核过程中,总的自由能变化ΔG为:

ΔG=-VΔGV++VΔGS(1)

式中,V和S分别为新相核心的体积和表面积,ΔGV和ΔGS分别为单位体积新相的自由能和应变能,σ为单位面积的界面能。根据式(1)可知,相变过程中产生的应变能以及新相形核所需的界面能对相变均起阻碍作用,Σ3关系的出现可大大降低相变阻力,故而非{100}取向岛状小晶粒易在相变受阻的时候形核出现,使得相变顺利完成(图10b)。另外,在2个{100}取向大晶粒之间几乎不存在Σ3关系,可认为是由于它们并不是来自于同一个奥氏体母相晶粒群,它们的形核取向关系并没有关联,并不容易构成Σ3晶界;只是因为在纯净的实验钢中相界面迁移速率非常快,{100}取向铁素体核心很快就成为非常大的晶粒并彼此相邻。

图10   {100}取向大晶粒以及Σ3晶界形成过程示意图

Fig.10   Schematic of forming process of {100} oriented large-grain and Σ3 grain boundaries duringγ→α transformation (γ12 andγ3 represent three adjacentγ grains;V1,V2 andV3 represent three variants of K-S relation between the new phase and the parent phase;α12 andα3 are the smallα grains formed at the special locations during the growth process of {100} oriented large-grain)(a) initial stage(b) intermediate stage(c) final stage

样品2相变退火后的显微组织特征完全不同于样品1,即便是在板材表层与中心层也存在很大的差异(图5和8),这主要是由于板材不同部位在α→γ→α相变过程中的取向择优机制不同造成的。由于表层柱状晶组织部分长入板材中心层,所以在中心层轧面上观察到了一定的近{100}和{110}取向大晶粒。除此之外,在中心层{111}取向等轴晶出现的较多,这与织构记忆的作用密切相关。超低碳钢在相变升温过程中,发生α→γ相变之前会存在一个快速再结晶过程,此时钢中的组织与织构特征如图9所示。因此可认为在α→γ→α相变后板材中心层的{111}取向等轴晶来源于再结晶组织,该过程是在遵循K-S关系条件下发生织构记忆完成的。由于再结晶晶粒之间存在的Σ3晶界很少,所以相变后中心层的Σ3晶界相对于表层也减少了许多,一般在{111}取向等轴晶周围很少存在Σ3晶界。正如Yoshinaga等[21]观察到的现象一样,最终的相变织构与初始织构一致;Yoshinaga还特别指出,初始织构越强,织构记忆的现象越容易出现。

就样品2表层而言,其主要的织构组分为近{100}和{110},该取向择优机制应为气氛/金属界面上表面效应的作用。尽管如此,在N2中相变退火相对H2中而言,金属Fe易被氧化,使得弹性模量各向异性失去作用,从而在一定程度上削弱了表层{100}取向铁素体晶粒的形核长大优势。Xie等[32]利用X射线光电子能谱分析(XPS)在N2退火板中检测到了MnN以及Fe3O4氧化物,认为在N2气氛中退火,金属Fe难以维持应变能各向异性。所以制备强{100}织构电工钢的相变退火气氛选择H2为好,H2具有一定的还原性,且能够保证Mn与O的结合,维持金属Fe的各向异性特征。

N2的热传导率相对于H2小得多,仅约为H2的1/7[32]。因此,N2气氛中不仅会弱化强{100}织构的形成,而且沿板材ND温差较小,导致有利取向铁素体核心在表层形核后难以实现沿板材ND的快速长大,以至于在随后的γ→α相变冷却过程中表层晶粒沿ND向内生长的速率低于内部相变形核速率。也就是说,表层有利取向晶粒还未长入中心层时,中心层的奥氏体晶粒已经遵循K-S关系形成了再结晶组织。此时某些有利取向柱状晶具有长大优势,可吞并内部一些没有尺寸优势的细小等轴晶,故而最终出现了柱状晶长入板材内部深度不一致的现象。所以在N2气氛中,表面效应难以驱动表层近{100}和{110}取向晶粒沿ND持续长大形成完整的半厚柱状晶组织。一般而言,发生相变之后织构总是被弱化的,但由上述可知,形变对织构记忆以及取向择优均有强化作用,而表层出现择优取向是表面效应诱发的变体选择作用超越织构遗传性的结果。

通过对以上2种样品的最终相变组织与织构分析,可以初步掌握厚度规格对组织与织构演化的规律。若是在H2气氛中进行相变退火,能够保持板材表面Fe基体的弹性各向异性,从而易诱发形成{100}核心。当板材厚度较薄时(0.2 mm),{100}取向铁素体晶粒易长大至板厚,并在表面能的作用下,晶粒尺寸达到毫米级。而随着板材厚度的增加,从板材2表层长大的{100}取向晶粒会在板材的中心处相碰,形成2个半厚的柱状晶组织;此时表面能作用减弱,{100}织构的面积分数将有所减小。然而,在N2气氛中,板材的ND上形成的温度梯度较小;由于Fe基体呈现出较弱的各向异性特征,在γ→α相变过程中{100}取向晶粒失去了形核优势。在bcc Fe中,{100}和{110}晶面具有一个相对较低的表面能[8,33],因此板材较薄时,易形成2个半厚的{100}和{110}取向柱状晶组织。厚度增加时,将出现分层的“三明治”组织,中心层未被吞并的等轴晶多为{111}取向晶粒,如图4所示。

样品2在冷却过程中,表层铁素体晶粒沿板材ND吞并奥氏体晶粒发生γ→α相变受阻,导致柱状晶内部相变应变在ND上不断累积,表层晶粒只能在轧面吞并奥氏体晶粒发生γ→α相变长大,使得表层晶粒大而不规则。由式(1)可知,VΔGS这一项过大时,难以提供足够大的相变驱动力,使整个相变过程顺利完成。因此,这部分阻力只有在轧面二维方向上得到释放或弱化。正是因为相变应变在柱状晶组织中的累积,使得晶体点阵在长程距离上发生了连续转动,表层择优取向晶粒内部才普遍出现了近似线性取向梯度,以此来弱化储存的应变能,并达到一个相对稳定的状态。表层大晶粒之间以及内部的岛状小晶粒周围均存在一定的Σ3晶界,所以它们均为变体关系,一定区域内至少存在1个大晶粒同时为多个奥氏体母相晶粒的变体,样品2表层的相变机制依然遵循双K-S或多K-S关系,以此来进一步降低表层区域的相变阻力。而在样品1中,{100}取向晶粒形核时沿<100>的弹性模量最小,且在应变能各向异性的作用下沿ND迅速长大至板厚,在轧面上长大过程中还能形成具有Σ3晶界的岛状小晶粒以降低相变阻力,故而该组织中不存在相变应变的累积,在{100}取向大晶粒内部观察不到明显的取向梯度。

4 结论

(1) 表面效应诱发的强{100}织构的相变过程中,伴随着大量的单一类型具有Σ3关系取向差的变体对出现;并且在单个大晶粒内检测到多个小晶粒同时与之构成Σ3关系,说明{100}取向铁素体晶粒一般是在角隅或特殊奥氏体晶界处形核,并与相邻的母相晶粒同时遵循K-S关系。

(2) 晶内近似线性的取向梯度是N2退火板表层相变组织中的一个显著特征,其主要是由于气氛引起的相变应变累积造成的。较H2而言,在N2气氛中,沿板材ND的温差较小,并且板材表面金属Fe受到氧化,致使弹性模量各向异性失去作用,从而抑制了{100}取向晶粒在表面的形成以及沿ND向内部的生长。

(3) 形变对变体选择与织构记忆均有强化作用;N2退火板中心层的{111}取向等轴晶揭示了织构遗传效应,而表面大晶粒是表面效应作用超越织构遗传作用的结果,即板材表面处具有择优取向,相变优先进行。

The authors have declared that no competing interests exist.


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