碳和合金元素在双相钢中α和γ相中的分配及其意义

临界区加热时，碳和合金元素在铁素体和奥氏体中重新分配，可使低碳钢获得双相组织(在延性良好的铁素体中分布着像中、高碳钢那样的淬火马氏体岛)，赋予钢良好的强度和延性配合。同时，马氏体的体积分数和形态可在很宽范围内变化，从而提供了获得各种强度和延性配合的低合金高强度钢的灵活的物理冶金手段。
碳是按平衡图上的含量线进行分配的。尽管碳的扩散速率较高，但一般情况下，并不能完全达到平衡，实际奥氏体中的碳含量略高于平衡含量。因此根据平衡图按质量平衡律估算的奥氏体体积分数往往会与实测值有些偏离，但由于用一般方法测定马氏体中的碳含量有不少困难，人们常根据平衡图来估算碳的分配。
采用高分辨率的透射电镜，摄取晶格条纹像，测定马氏体的某一晶面指数的晶格平面间距D，根据D与晶格常数α和c的关系及库尔久莫夫方程(见式2-61和式2-62)，可以计算马氏体中的碳含量。
任一(hkl)平面的D值与晶格常数的关系为，
按照库尔久莫夫方程，马氏体的正方度与碳含量的关系为
例如AISI 1010钢经752℃加热后水冷，马氏体的体积分数为20%，马氏体岛的精细结构照片见图2-24。(为了尽可能反映马氏体的正方度，试验时采和D值较大的 平面作为摄取晶格条纹图像的平面)。取同一试样的铁素体的D101=0.203mm作为测定马氏体D101值的参照标准。根据条纹间距计算的马氏体的D101值为(0.2047±0.0003)mm。与铁素体的D101值相比，马氏体的D101变化值为0.0014~0.0020mm，这显然与马氏体中碳含量较高有关(扫描透射技术未发现锰在两相中分配)。根据马氏体的D101值，用式2-61和式2-62计算的马氏体中相应的碳含量为0.50%~0.65%，这一结果与马氏体岛的孪晶结构是非曲直一致的。
图2-23   双相钢中的孪晶马氏体岛(AISI 1010钢，752℃水冷)
图2-24   图2-23的方框区域内(101)面的晶格条纹像
双反射衍技术表明，马氏体与铁素体界面具有轻微的取向差，这进一步证实了马氏体的正方度。
从这一例了可以看出，高分辨率的透射电镜技术不仅可以观察两相交界附近晶体结构的细节，而且还可用于确定马氏体相中的碳含量。也就是说，晶格条纹像是分析微观区域化学成分的有力手段，是分析双相钢中马氏体和铁素体两相化学成分的一种有用的新技术。
采用扫描透射技术分析了铝在含铝双相钢的马氏体、铁素体中的分配。试样为含铝1%的AISI 1010钢，经788K/10min加热水冷，马氏体体积分数为20%，用40mm的探头通过铁素体-马氏体界面所获得的X射线谱计算合金成分，测定结果见图2-25。铝择优分布于铁素体中，铁素体内的平均铝含量比马氏体中高50%，但在每相内部，铝的分布是均匀的。
图2-25   含铝双相钢中马氏体-铁素体交界面及两相内铝的分布
锰在双相钢两相中重新进行分配，在未达到最终平衡的淬火组织中，马氏体岛周围有高锰的边圈是锰在α相和γ相中重新分配的结果。锰在奥氏体中集中，可提高奥氏体的淬透性，使合金元素被充分利用。
在含锰双相钢中，电子探针的分析表明，在探针通过的区域内(见图2-26)，锰含量的波动范围在1.3%~1.8%，在马氏体内锰含量较高。用同样的方法表明，高温盘卷也可引起碳和锰在第二相偏聚。扫描电镜能谱和计算机计算表明，在含锰双相钢中(0.10%C-1.5%Mn-0.04%V，760℃1h水冷)，马氏体中的锰含量比铁素体中高0.20%~0.30%。
图2-26   双相钢中锰含量的电子探针分析
(a—电子探针通过区域的锰的分布线；b—金相组织)
临界区加热时，硅向α相中浓集，可使α相产生固溶强化，同时还促使α相中的碳向奥氏体中扩散，对α相有“净化”作用，有利于提高双相钢的延性。采用扫描透射技术研究了0.10%C-0.74%Si-0.09%V双相钢中硅和钒在α相和γ相中的分配，结果表明：硅和钒在两相中的分配情况与双相钢的处理工艺方法有关。如钢经预先淬火，再经两相区重新加热淬火，硅和钒在α相和γ相发生明显再分配，两种合金元素均在α相中浓集。当重新加热温度从850~975℃变化时，钒在两相中含量分配变化不大；而硅则随着加热温度升高，在两相中分配的含量值升高；即加热温度升高，硅将进一步向铁素体中浓集。如果试样先在Ac3以上的温度加热，然后在两相区温度分级停留后再行淬火，则硅和钒在α相和γ相中基本上无含量分配，只是在两相界面上有轻微的含量分配。也就是说，在奥氏体区加热后，于临界区分级保温时，铁素体从奥氏体中析出是靠碳从α相向γ相中扩散来完成，而不是由合金元素硅或钒的扩散分配来控制的。在这一合金系中，γ→α+γ的反应遵从合金元素不进行分配的佯平衡条件。
在不同的工艺条件下，合金元素对临界区加热时奥氏体形成就从奥氏体中析出铁素体的过程的不同的影响，其机理尚有待进一步研究，显然这是两种不同的扩散长大机制。临界区加热时奥氏体的形成与双相钢的热处理工艺过程有关。因此，了解和认识各种工艺方法和处理历史对临界区加热或等温时α+γ的形成过程及随之冷却后的双相钢性能的影响，在理论上和生产工艺的制定上述均具有重要价值。