金属学报 2017 , 53 (11): 1418-1426 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00163

研究论文

两相区位错增殖对Mn元素配分及低碳钢贝氏体组织的影响

陈连生¹, 李跃¹, 张明山¹, 田亚强¹^,, 郑小平¹, 徐勇¹^,², 张士宏²

1 华北理工大学教育部现代冶金技术重点实验室唐山 063210
2 中国科学院金属研究所沈阳 110016

Effect of Intercritical Dislocation Multiplication to Mn Partitioning and Microstructure Evolution of Bainite in Low Carbon Steel

CHEN Liansheng¹, LI Yue¹, ZHANG Mingshan¹, TIAN Yaqiang¹^,, ZHENG Xiaoping¹, XU Yong¹^,², ZHANG Shihong²

1 Key Laboratory of the Ministry of Education for Modern Metallurgy Technology, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China
2 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

中图分类号: TG142.4

文章编号: 0412-1961(2017)11-1418-09

通讯作者: 通讯作者田亚强,tyq@ncst.edu.cn,主要从事金属材料及塑性成形工艺研究

收稿日期: 2017-05-2

网络出版日期: 2017-11-11

基金资助: 国家自然科学基金项目No.51574107,河北省自然科学基金项目No.E2016209048和E2017209048,唐山市科技创新团队项目No.15130202C及河北省研究生创新项目No.2017S01

作者简介:

作者简介陈连生,男,1968年生,教授,博士

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摘要

采用两相区变形-保温-淬火(DIQ)热处理工艺,研究低碳钢两相区变形位错增殖作用下Mn元素配分行为及其对贝氏体组织的影响规律。通过OM、SEM、TEM、EPMA和XRD等手段对组织成分、位错密度、合金元素分布等进行表征。结果表明,变形后的铁素体晶粒和马氏体板条细化、块状马氏体数量减少;位错密度由0.36×10¹⁴ m^-2增加至1.20×10¹⁴ m^-2,位错滑移的相互运动提高了空位浓度及间隙溶质原子数量,加速了C、Mn元素在α相与γ相中的扩散速率,促进了Mn在两相区的配分效果,C、Mn元素富集量及富集区域增多。采用两相区变形-保温-奥氏体化-淬火-贝氏体区保温-淬火(DI&Q&PB)热处理工艺,残余奥氏体的体积分数由11.5%提高到13.9%,残余奥氏体中的C含量由1.14%提高到1.28%。

关键词： 两相区变形 ; 位错增殖 ; 空位 ; 配分 ; 贝氏体

Abstract

The volume fraction and stabilization of retained austenite at room temperature were determined by the degree of stable element partitioning of austenite. The element diffusion behaviors usually had a close relationship with crystal defects, and dislocation multiplication caused by high temperature deformation might also increase the vacancy concentration, which contributed to the diffusion of substitutional atoms and interstitial atoms. By adopting a new treatment process of intercritical deformation-hold-quenching (DIQ), the effect of Mn partitioning and the structure evolution of bainite under the deformation in intercritical area were studied. The microstructure, dislocation density and distribution of alloy elements, especially the volume fraction of retained austenite, were characterized by means of OM, SEM, TEM, EPMA and XRD. The results indicated that the grains of ferrite and the lathes of martensite were refined, the number of the block martensite was decreased, and dislocation density was increased from 0.36×10¹⁴ m^-2 to 1.20×10¹⁴ m^-2 after deformation. The mutual movement of dislocation slip increased vacancy concentration and the number of interstitial solute atoms, accelerated the diffusive rate of C atoms and Mn atoms from α phase to γ phase, and promoted the partitioning effect of Mn element in the critical region. Eventually, the contents and areas of C and Mn enrichment were increased. By adopting the process of intercritical deformation-hold-austenitizing-quenching-partitioning in bainitic region-quenching (DI&Q&PB), the volume fraction of retained austenite was increased from 11.5% to 13.9%, and the carbon content in retained austenite was increased from 1.14% to 1.28%.

Keywords： intercritical deformation ; dislocation multiplication ; vacancy ; partitioning ; bainite

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陈连生, 李跃, 张明山, 田亚强, 郑小平, 徐勇, 张士宏. 两相区位错增殖对Mn元素配分及低碳钢贝氏体组织的影响[J]. 金属学报, 2017, 53(11): 1418-1426 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00163

CHEN Liansheng, LI Yue, ZHANG Mingshan, TIAN Yaqiang, ZHENG Xiaoping, XU Yong, ZHANG Shihong. Effect of Intercritical Dislocation Multiplication to Mn Partitioning and Microstructure Evolution of Bainite in Low Carbon Steel[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(11): 1418-1426 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00163

20世纪70年代,多相钢替代传统的铁素体与珠光体钢,广泛应用于生产汽车机身。这种多相钢组织通常由多边形铁素体与贝氏体以及马氏体/奥氏体岛(M/A岛)组成,经过两相区退火得到的残余奥氏体的稳定性会随着低碳钢中的Mn、Si以及Al等元素质量分数的增加而增加^[1]。随后,Khaira等^[2]也发现奥氏体的体积分数及室温稳定性取决于复相钢中合金元素的含量。与此同时,Coates^[3,4]与Hillert^[5]分别从动力学与热力学角度提出了C与合金元素的配分模型——局部平衡模型,该模型是一种新的不同于准平衡模型的热力学模型。在局部平衡模型中,由于新相与原奥氏体相存在较大的成分差异,所以在达到平衡体系之前,存在置换型合金元素与间隙型元素的扩散行为,即奥氏体的相变过程受这2种扩散行为的影响。20世纪80年代,Hoel^[6]利用临界退火工艺制备双相钢,发现当温度加热到A_c1与A_c3 (A_c1为加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度,A_c3为加热时先共析铁素体全部转化为奥氏体的终了温度)之间时,即铁素体与奥氏体两相区阶段时,存在合金元素配分现象。因此,后续的工业用钢会添加一些合金元素,通过合金元素的配分行为来稳定更多的残余奥氏体,以提高材料的组织性能。在配分的合金元素当中,Mn被认为是最有价值的元素之一,因为Mn具有稳定奥氏体的作用,能降低M_s (马氏体转变开始温度),并且在奥氏体中的溶解度大于在铁素体中的溶解度,在临界退火过程中,Mn元素从铁素体相向奥氏体相扩散,获得更多的稳定的残余奥氏体^[7],所以,采用合理手段,促进临界退火过程中Mn元素的配分行为具有重要意义。

据相关报道^[8,9],配分行为与空位(点缺陷)有密切的关系,空位能促进元素的配分,而高温淬火、冷变形加工以及辐照效应都能提高晶体中空位的浓度。此外,Mn作为一种重要的合金添加元素,针对空位与Mn原子配分行为的研究已有报道^[10,11],但对于两相区变形提高位错密度、空位浓度及Mn元素配分行为的研究则鲜有报道。

本文作者课题组^[12]提出两相区保温-奥氏体化-淬火-配分(I&Q&P)工艺,即在传统淬火-配分(Q&P)工艺之前,进行两相区合金元素配分,以充分利用Mn元素能稳定残余奥氏体及提高淬透性的特性。本工作以低碳 Si-Mn钢为研究对象,采用两相区变形-保温-淬火(DIQ)的热处理工艺,研究两相区变形与组织演变、位错密度以及C、Mn元素配分行为和空位浓度之间的相互关系;同时,基于两相区变形与Mn配分相互作用关系,提出一种新型变形热处理工艺,即两相区变形-保温-奥氏体化-淬火-贝氏体区保温-淬火(DI&Q&PB)工艺,充分利用变形、Mn配分及C配分三者相互作用原理,研究两相区变形对贝氏体组织及残余奥氏体的影响,对变形热处理工艺做初步探索,为今后低碳高强钢的研发提供参考。

1 实验方法

实验用钢的化学成分(质量分数,%)为：C 0.19,Mn 2.54,Si 1.53,Al 0.017,P 0.01,S 0.009,B 0.0003,Fe余量。首先,在ZG-50型真空感应熔炼炉中将钢冶炼成铸锭,并锻造成75 mm厚的方坯,随后在高温箱式加热炉中加热至1200 ℃保温3 h,使合金元素成分均匀化。方坯开轧温度为1100 ℃,经3道次轧制到50 mm厚,冷却至950 ℃后再经过5个道次轧制成15 mm厚的热轧板。采用DK-7716F线切割机床加工成直径8 mm、高12 mm的热模拟试样,利用Gleeble-3500热模拟试验机采用热膨胀法测出试样的A_c1和A_c3的相变点,分别为740和890 ℃。其次,将热模拟试样在箱式电阻炉中加热至950 ℃保温600 s使之完全奥氏体化,然后随炉冷却至室温,最后将制备好的试样经5道金相砂纸研磨至表面光滑,采用Gleeble-3500热模拟试验机对其试样进行热压缩变形。

热模拟压缩变形工艺流程如图1a~d所示,分别对应IQ、DIQ、I&Q&PB和DI&Q&PB工艺流程。其中,IQ为两相区保温-淬火的热处理工艺,I&Q&PB为两相区保温-奥氏体化-淬火-贝氏体区保温-淬火的热处理工艺。

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图1 热模拟压缩变形工艺流程图

Fig.1 Schematics of thermal simulation compression deformation processes (A_c3—temperature of all ferrite transformed to austenite, A_c1—start temperature of pearlite transformed to austenite, B_s—initial temperature of bainite transformation, B_f—final temperature of bainite transformation)
(a) intercritical heating-quenching (IQ) (b) intercritical deformation-hold-quenching (DIQ)
(c) intercritical heating-austenitizing-quenching-partitioning in bainitic region-quenching (I&Q&PB)
(d) intercritical deformation-hold-austenitizing-quenching-partitioning in bainitic region-quenching (DI&Q&PB)

对热模拟处理试样在热电偶附近沿垂直于试样轴向切开,利用XQ-2型金相试样镶嵌机对其进行镶样,经过5道金相砂纸研磨后进行机械抛光,采用4%硝酸酒精溶液(体积分数)进行腐蚀。然后,通过AXIOVERT-200MA型金相显微镜(OM)观察样品组织;通过S-4800型扫描电镜(SEM)观察样品形貌;利用配备了Oxford-EBSD成像系统的JXA-8230型电子探针(EPMA),在工作电压为20 kV,二次电子分辨率为5 nm条件下,观察不同热模拟工艺下室温组织中C、Mn元素分布情况;使用D/Max 2500PC X射线衍射仪(XRD)以0.1°/min的速率在2θ=40°~100°的范围内利用未经过滤的Cu靶进行扫描,表征残余奥氏体的体积分数及残余奥氏体中的C含量。将试样用金相砂纸研磨至40~60 μm,在低温下利用无水乙醇/高氯酸=19:1 (体积比)的电解液在TenuPol-5型双喷电解减薄仪上进行双喷减薄直至穿孔,采用JEM-2010型透射电镜(TEM)表征位错密度。

2 实验结果及讨论

2.1 微观组织

热模拟试样在箱式电阻炉中加热完全奥氏体化后随炉冷却至室温,试样初始组织如图2所示。由图2a所示的OM像可知,白色物质为铁素体,深黑色物质在OM下不能准确辨别其具体形貌。图2b所示的SEM像表明,在OM下的黑色物质,在SEM下符合颗粒状M/A (martensite/austenite)形貌特征,呈有序或弥散状分布在铁素体基体上。因此,初始组织由铁素体(F)、粒状组织(GS)以及粒状贝氏体(GB)组成,其中铁素体(F)基本呈等轴状。

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图2 热模拟试样的初始组织

Fig.2 OM (a) and SEM (b) images of initial structure of thermal simulation sample (F—ferrite, M/A—martensite/austenite, GS—granular structure, GB—granular bainite)

退火后的热模拟试样经IQ工艺和DIQ工艺处理后的微观组织分别如图3a和b所示,二者均由深色凹陷的铁素体与亮白色凸起的马氏体组成。铁素体呈不规则块状,且表面光滑平整;马氏体存在2种形貌特征,即分布于奥氏体晶界处的块状马氏体(M₁)和分布于奥氏体晶界内部的板条马氏体(M₂)。由图3b中还可看出,两相区变形后的铁素体晶粒细化,块状马氏体减少,板条马氏体增多。

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图3 不同热处理工艺下热模拟试样微观组织的SEM像

Fig.3 SEM images of thermal simulation sample by IQ (a) and DIQ (b) processes (M₁—blocky martensite, M₂—lath martensite)

两相区变形过程中,在原奥氏体晶界、α相与γ相相界面和退火孪晶边界处很容易变形,晶体内部高位错区增多^[13],空位浓度、间隙原子增多及溶质原子的振动熵增大,有利于C、Mn等溶质原子在α相与γ相中扩散,从而促进C和Mn的配分行为^[14,15];高位错区阻碍块状马氏体、铁素体的吞并长大^[13],使得最终组织中铁素体晶粒细化,块状马氏体的数量有所减少;另一方面,由于变形使得晶体内部产生一定的变形带,促进了后期铁素体的形核^[13]。高位错区相邻两晶粒之间的位错、亚晶界阻碍晶粒的吞并长大^[13,16],导致经变形后得到的板条马氏体不仅数量增多,组织也有所细化。

2.2 两相区变形过程中位错增殖

热模拟试样经IQ工艺和DIQ工艺的处理后微观组织的TEM像分别如图4a和b所示,未变形的试样晶体内细小的第二相粒子居多,此外还有较少的位错,一般呈曲折线形零散分布。经10%的压缩变形后,试样晶体内位错较多,并出现大量的滑移带,有些位错沿位错线滑动组成了多滑移和交滑移最终缠绕在一起,形成了位错缠结,使位错密度升高。

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图4 不同热处理工艺下热模拟试样的TEM像

Fig.4 TEM images of thermal simulation sample by IQ (a) and DIQ (b) processes

由于钢中Mn元素的存在,对位错起到了钉扎作用^[8],因此在材料晶体局部视场内位错密度不均匀。为了得到较精确的位错密度,对未变形的和变形10%的试样各选取5个TEM视场采用割线法进行测量。首先在图4所示的TEM照片上根据图片标尺画出横线和纵线组成网格线,数出每根网格线与位错相交的交点数,然后代入位错密度的经典计算公式^[16~19]：

$\begin{matrix} ρ = \frac{1}{t} （ \frac{\sum^{} n_{v}}{\sum^{} L_{v}} + \frac{\sum^{} n_{h}}{\sum^{} L_{h}} ） \end{matrix}$ (1)

式中,ρ为位错密度,m^-2;n_v和n_h分别为位错与纵线、横线相交的交点数;L_v和L_h分别为纵线和横线的长度;t为透射电镜薄膜的厚度,取200 nm (测量位错密度的薄膜厚度通常为170~230 nm)^[20]。

使用以上割线法对IQ工艺和DIQ工艺试样的TEM像位错密度进行测量,所得数据如表1所示。未变形的试样位错密度普遍偏低,仅为0.36×10¹⁴ m^-2;而经过10%的压缩变形后,位错密度增加至1.20×10¹⁴ m^-2,增加了近2.3倍,即位错在两相区变形过程中产生了增殖。位错的增殖使位错的滑移运动的交割过程加剧,即位错的相互运动可能产生大量的空位和间隙原子,当振动原子能量超过周围原子的束缚时,就可能脱离原来的结点位置而跳跃到空位上^[15],并通过扩散原子发生不断的迁移促进C、Mn原子的扩散,提高了C、Mn元素从α相向γ相的配分效果。

表1 不同热处理工艺下热模拟试样的位错密度测量结果

Table 1 Dislocation densities of thermal simulation sample by IQ and DIQ processes

Process	Dislocation density /10¹⁴ m^-2
Process	Field 1	Field 2	Field 3	Field 4	Field 5	Average
IQ	0.35	0.30	0.38	0.38	0.41	0.36
DIQ	1.38	1.29	1.04	1.26	1.03	1.20

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2.3 两相区位错增殖促进元素配分机理

图5为热模拟试样在IQ工艺和DIQ工艺下的微观组织及C、Mn元素分布的EPMA面扫图。未变形与变形试样的微观组织均由凸起的马氏体与凹陷的铁素体组成。2种工艺下C、Mn元素在马氏体区均出现了高浓度的富集现象。与IQ工艺相比,经两相区10%变形的DIQ工艺样品中,C、Mn低浓度区域面积比降低。未变形时C低浓度(0~14)区域的面积分数为20.2%,Mn低浓度(0~4)区域的面积分数为29.7%,而变形后C低浓度(0~11)区域的面积分数为1.7%,Mn低浓度(0~3)区域的面积分数为13.4%,分别降低了11.9倍和2.2倍。

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图5 不同热处理工艺下C、Mn元素分布图

Fig.5 Microstructure (a, b) and EPMA images of C (c, d) and Mn (e, f) elements by IQ (a, c, e) and DIQ (b, c, d) processes (A—area fraction, Ave.—average)

实验结果表明,热模拟试样加热至770 ℃的两相区保温过程中,间隙型C原子和置换型Mn原子在铁素体中的扩散系数大于在奥氏体的扩散系数,同时因为保温时间较长,合金元素可以进行长程扩散,最终合金元素不断由铁素体向奥氏体扩散富集。施加10%的变形后,位错密度升高,空位和间隙原子增多,局部产生了扩散通道,促进了C、Mn原子的扩散^[15],增强了合金元素的配分效果。

据相关报道^[21],如果将空位看作是扩散体系中一个组元的话,将会对溶质原子的扩散及分布产生一定影响。而变形对空位的形成及演化有一定的影响：首先,置换型原子扩散除了需要原子跳跃时的迁移能外,还需要原子临近空位的形成能,空位在一定温度下有一定的平衡浓度C,计算公式^[21]如下：

$\begin{matrix} C = \exp (\frac{Δ S_{f}}{k} - \frac{E_{v}}{kT}) \end{matrix}$ (2)

式中, $\begin{matrix} Δ S_{f} \end{matrix}$ 为振动熵, $\begin{matrix} E_{v} \end{matrix}$ 为空位形成能,k为Boltzmann常数,T为热力学温度。由式(2)可知,空位平衡浓度与温度及振动熵呈正比。当材料发生塑性变形时,在外力作用瞬间,大部分变形功转变成内能,内能一部分增加了原子能量,另一部分以热能的形式散发,使温度在瞬间得到提高,空位浓度得到提高。当温度一定时,平衡浓度达到一定值,由于受外力作用,晶体内部原子排列的混乱程度相比未变形时增大,原子将会脱离原有平衡位置,进行不规则的振动,晶体振动熵提高,致使变形后的平衡空位浓度得到提高。其次,空位浓度的提高也与位错运动有关,空位型缺陷的形成通常发生在位错割阶以及层错交割处^[22],晶体塑性变形是通过位错运动实现的,位错滑移中的位错交割过程有可能产生空位,另外,晶体塑性变形常伴随刃型位错的攀移,此过程中多余半原子面的扩大及缩小都是通过空位的迁移实现的,因此,刃型位错的攀移运动过程也会有空位出现。

此外,对两相区铁素体-奥氏体组织的演变过程进行研究发现,奥氏体的形核长大过程与珠光体的分解以及C、Mn元素的扩散行为有关^[23,24]。在两相区初始阶段对试样进行压缩变形,增加了晶体内部的点缺陷,促进元素在α相与γ相中的扩散。图6a和b分别为变形促进C、Mn原子扩散的示意图。C原子作为一种较小的间隙型原子主要通过间隙扩散机制进行扩散,如图6a所示,当试样受到压缩变形时,晶粒被拉长,晶体表面的C原子跑到晶体内部间隙位置使得间隙原子数量显著提高,在化学势驱动下,C原子将沿着图6a箭头方向进行扩散,间隙原子的增多将使C原子从α相内部向α与γ相界面扩散几率变大,致使一定时间内,α相向γ相配分的C原子增多。置换型原子通过空位扩散机制扩散,Mn原子在铁素体与奥氏体中的扩散方向受溶解度及扩散速率的影响,Mn原子由于与γ-Fe晶体结构相同而可以无限互溶,然而在α-Fe中的溶解度只有3%左右;Mn原子在铁素体中的扩散速率大于在奥氏体中的扩散速率^[25],因此,在化学势驱动力作用下,Mn原子将由铁素体向奥氏体中扩散。由Kirkendall效应及置换型原子空位扩散机制可知^[26],当Mn原子不断地由铁素体向奥氏体进行扩散时,这就要求在铁素体与奥氏体中应该存在空位的移动。在两相区初始阶段对其压缩变形,如图6b所示,被压缩的晶粒由于外力作用而发生变形,晶体内部空位数量提高,加速了Mn原子在α相与γ相中的扩散速率,Mn原子将沿着图6b箭头所示进行扩散,因此导致由铁素体向奥氏体配分的Mn原子数量增多。

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图6 C和Mn原子扩散机制

Fig.6 Diffusion mechanisms of C (a) and Mn (b) atoms

2.4 位错增殖作用下贝氏体与残余奥氏体的演变

热模拟试样经I&Q&PB工艺与两相区变形10%的DI&Q&PB工艺的SEM像分别如图7a和b所示。2种工艺下的显微组织均由GB及GS构成,其中不规则状的M/A岛呈有序或无序地分布在铁素体基体上。经两相区变形后,晶体内产生了变形带和亚晶界,内部位错密度增加,空位及间隙原子数量增多,晶内较强的层错能会增加自由能和扩散速率^[13],加速了Mn原子在α相与γ相中的扩散速率,相比两相区未变形试样,两相区变形试样的Mn配分效果得到明显增强,最终导致富Mn奥氏体增多,降低了贝氏体相变点,使得经变形后相变点较高的粒状组织增多,弥散无序分布的不规则状M/A岛数量增多,其组织也得到细化。

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图7 不同热处理工艺下热模拟试样的微观组织

Fig.7 The microstructures of thermal simulation sample by I&Q&PB (a) and DI&Q&PB (b) processes

图8为不同热处理工艺下热模拟试样的XRD谱。2种工艺下的试样都存在铁素体(α)与奥氏体(γ)峰,其中奥氏体峰为(200)、(220)和(311),铁素体峰为(200)和(211),经两相区变形10%的DI&Q&PB热处理工艺的试样比未变形的I&Q&PB试样的奥氏体峰值高,说明经两相区变形后试样保留了更多的残余奥氏体。

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图8 不同热处理工艺下热模拟试样的XRD谱

Fig.8 XRD spectra of thermal simulation sample by different heat treatment processes

由上述可知,I&Q&PB热处理工艺下,不论是经两相区变形还是未变形的试样,在淬火过程中都会发生元素的配分,并且变形对C、Mn元素的扩散起促进作用,C、Mn元素作为奥氏体稳定性元素,其扩散程度与组织中最终的残余奥氏体含量密不可分,因此,可以用残余奥氏体含量来表征其变形对元素配分行为的影响程度,计算公式^[27]如下：

$\begin{matrix} V_{γ} = K_{α} I_{γ} / (K_{γ} I_{α} + K_{α} I_{γ}) \end{matrix}$ (3)

式中,V_γ为残余奥氏体的体积分数;K_α、K_γ为铁素体相、奥氏体相的反射系数;I_α、I_γ为铁素体峰、奥氏体峰的积分强度。利用MDI-jade软件及式(3)可得,I&Q&PB工艺下的残余奥氏体的体积分数为11.5%,经两相区变形10%的DI&Q&PB工艺下的残余奥氏体的体积分数为13.9%。

两相区变形提高了试样最终室温组织中残余奥氏体的含量,由于C、Mn元素都具有稳定残余奥氏体的作用,试样经两相区变形,除了促进Mn元素配分外,也促进了C元素的配分,不同工艺下残余奥氏体中C的含量C_γ计算公式^[28]如下：

$\begin{matrix} C_{γ} = (α_{γ} - 3.547) / 0.046 \end{matrix}$ (4)

式中,α_γ为奥氏体晶格参数,可根据下式^[27]计算：

$\begin{matrix} α_{γ} = \frac{λ \sqrt{h^{2} + k^{2} + l^{2}}}{2 sinθ} \end{matrix}$ (5)

式中,λ为Cu靶射线波长,取0.15406 nm;(hkl)为晶面指数。将公式(5)代入式(4)中可得,经两相区变形的试样中C_γ为1.28%,未变形的试样中C_γ为1.14%,即两相区变形促进了C从α相向γ相的配分,C_γ得到提高。DI&Q&PB与I&Q&PB 2种不同热处理工艺下,试样经两相区变形后,残余奥氏体的体积分数由11.5%提高到13.9%,C含量由1.14%提高到1.28%。

综上,试样经两相区变形后,在原奥氏体晶界和晶内产生了大量的变形带和亚晶界,增加了高位错区的数量。在两相区配分过程中,位错的增加使奥氏体的形核位置增多和空位及间隙原子的数量增多,细化了晶粒。此外,晶内位错应变能的增加会增加自由能和扩散速率,促进了置换型Mn原子及间隙型C原子的扩散,更多的Mn原子和C原子从α相向γ相扩散。与I&Q&PB工艺相比,两相区变形的DI&Q&PB工艺的残余奥氏体的C、Mn含量更高,C、Mn含量增多降低了贝氏体相变点,最终获得更多的残余奥氏体。

3 结论

(1) 采用IQ工艺和DIQ工艺处理后,Si-Mn钢均得到块状马氏体、板条马氏体和多边形铁素体多相组织。经两相区变形后,多相组织中的铁素体晶粒细化,块状马氏体数量有所减少,板条马氏体增多。

(2) 实验用钢采用IQ工艺处理后,位错密度相对较少,为0.36×10¹⁴ m^-2,位错呈曲折线形零散分布;而采用DIQ工艺得到的位错相对较多,为1.20×10¹⁴ m^-2,增加了近2.3倍,并出现了一些位错缠结。

(3) 经两相区变形提高了位错密度,增加了间隙原子数量及空位浓度,提高了C、Mn在α与γ相中的扩散速度,增强了C、Mn元素的配分效果,促使C、Mn元素在马氏体中的富集区域和富集量增多。

(4) I&Q&PB工艺和DI&Q&PB工艺下,试样室温组织均由粒状贝氏体和粒状组织构成。试样经两相区变形后,促进了合金元素配分,残余奥氏体中C、Mn元素富集区域增多,降低了贝氏体相变点,使粒状组织增多,粒状贝氏体减少,组织细化,最终残余奥氏体的体积分数由11.5%提高到13.9%,残余奥氏体中的C含量由1.14%提高到1.28%。

The authors have declared that no competing interests exist.

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