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【热坛学习】钢铁材料的韧化理论钢铁材料的快速分析方法和装置

更新时间:2021-11-25 03:41:04点击:

【热坛学习】钢铁材料的韧化理论钢铁材料的快速分析方法和装置(图1)

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采用CL方法的夹杂物识别

钢中的非金属夹杂物不仅能引起连铸过程中的水口堵塞,成为拉丝和绞线工序中破断的原因等,而且,还有可能引起疲劳断裂、氢致裂纹、耐蚀性降低、低温脆性和表面缺陷等产品质量问题。因此,在钢铁生产中,夹杂物分析是重要的工序。夹杂物引起的这些问题取决于夹杂物的种类、大小和形状,因此,夹杂物的分析需要测定夹杂物的种类、大小和形状。常规而言,夹杂物的分析广泛采用显微镜法和EPMA相结合的分析方法。但这种分析大约需要一周的时间,所以希望开发一种快速分析夹杂物的方法。

为此,研究人员采用CL法,进行了快速进行夹杂物分析的研究。因为没有可以

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    【热坛学习】钢铁材料的韧化理论

      韧性是钢铁材料另外一个重要指标,这是因为强度指标可以作为结构设计所承负载荷的依据,然而,大量应用实践表明,在严酷的服役环境下,钢铁材料也会发生脆性断裂,人们已经探索了裂纹(材料中的缺陷)在载荷作用下的起裂判据,相关重要指标就是冲击韧性、韧脆转变温度等。可见,为了避免发生脆性断裂,应该降低钢铁材料的韧脆转变温度(DBTT).

      与钢铁材料韧性相关的理论也有如Hall-Petch公式所给出的关系(Cottrell- Petch关系)即晶粒越细,韧脆转变温度越低。可见,细化晶粒既可以提高强度,又可以提高韧性。

【技术前沿】钢铁材料的快速分析方法和装置【技术前沿】钢铁材料的快速分析方法和装置

获得CL图像和频谱的廉价装置,因此将市场上销售的扫描电子显微镜进行改造,制作了图1所示的CL装置。用该装置测定了含有氧化铝(Al2O3)和尖晶石(MgO-Al2O3)夹杂物的钢铁试样。氧化铝和尖晶石被称为硬质夹杂物,易导致钢铁材料表面裂纹和拉丝中断,以及连铸水口堵塞等,因此,检测这些夹杂物很重要。观察CL图像发现,氧化铝发出蓝色光,尖晶石发出绿色光。该CL图像的曝光时间在极短时间就可以测定,因此,CL法可以说是能够快速识别夹杂物的方法。

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      然而,对于马氏体和贝氏体类型的组织,有效晶粒尺寸一直有待研究。在中低温转变组织中,由于发生的协变相变,子相与母相存在着某种位相继承成关系的相变中,何种结构单元是与韧性和强度相关的有效晶粒?

      当今钢材加工中的多数处理工艺都是以细化晶粒为基础而展开的。细化晶粒可以同时使钢的强度和韧性得到提高。在实际应用中,控轧控冷是细化晶粒的有效方法。在奥氏体化温度区间对铸坯进行轧制,可以有效地消除铸造组织、细化原奥氏体晶粒,并可以消除内部的缺陷,使钢材的组织结构更加密实,而显著改善其性能。

      此外,通过FCC-BCC(BCT)相变,也可以在一定程度上达到细化晶粒的目的,但实际上该相变的作用十分有限。Morris等的计算表明,由原奥氏体 相相变生成的贝氏体、马氏体组织尽管具有很细的组织结构,但由于新相在相变时通常会与母相遵循K-S、N-W或者Bain等特定的晶体学取向关系,该关系 使得新生组织之间也具有协变相变关系。这种协变相变关系的存在,使得马氏体相变晶粒之间的解理面只有较小的夹角,而不能有效地阻止裂纹的扩展,此外,其滑移面之间也仅有较小的夹角,而降低了位错通过滑移面的阻力,最终晶粒细化的效果不够理想。

       在此基础上,Morris提出了有效晶粒的概念,该理论认为钢中纯马氏体组织的有效晶粒尺寸大致相当于马氏体束(block)或马氏体领域(packet)的大小,只有通过特殊的处理在马氏体板条之间引入奥氏体等特定相而隔断马氏体板条间的特定晶体学关系时,才能减小有效晶粒尺寸,并达到提高钢材韧性的目的。同时,由于马氏体板条间奥氏体的存在,对裂纹的扩展有一定的阻碍作用,也在一定程度上增强了钢材的塑性和韧性。

采用CL法检测钢渣中的游离CaO

       20世纪80年代,Morris等在研究高韧钢时发现可以通过奥氏体的逆转变(austenite reverted transformation,ART)在Mn质量分数为5%的低C钢中得到大量的超细晶铁素体和奥氏体组织。ART工艺就是先将完全奥氏体化后的钢进行淬火得到全马氏体组织,然后加热到Ac1和Ac3之间(a+γ)两相区(亚温区)或亚临界区(临近Ac1,在Ac1以下)的某一温度进行不同时间的退火。在此过程中,原先的马氏体组织将会发生奥氏体逆转变,最终得到含有奥氏体、超细晶铁素体和沉淀析出相的多相组织,这就 是ART-annealing(奥氏体逆转变退火)工艺。上述获得含有奥氏体的多相组织的方法,就是奥氏体逆转变退火工艺。

日本钢铁企业产生的钢渣中有40%以上被作为道路用路基材料再利用,如果钢渣中残留游离CaO,游离CaO与雨水和大气中的水分及二氧化碳反应,生成Ca(OH)2和CaCO2,体积膨胀,是造成路基破坏的原因。因此,测定钢渣中的游离CaO很重要。游离CaO的测定方法中应用最广泛的是,使钢渣溶解在乙二醇溶液中,使用原子吸光或高频感应耦合等离子发光分光分析法测定溶液中Ca浓度的方法(乙二醇法)。该方法中,Ca(OH)2也被提取到乙二醇中,所以提出了将热重量分析的Ca(OH)2的定量和乙二醇法结合的方法。但是,不管哪种分析法,在复杂的分析顺序和溶媒提取上都需要熟练的分析技术,因此,希望开发简单的游离CaO测定法。

为此,研究人员进行了采用CL法是否可以简单测定游离CaO的研究。首先制备了含有游离CaO的模拟渣,获得CL图像后,检测到游离CaO发出强橙色光,在600nm附近存在引起CaO中含有的Mn2+发光峰值(图2)。其他区域存在2CaO-Fe2O3、FeO、3CaO-SiO2,但没有检测到发光。因此,确定了可以从发光颜色分辨出游离CaO和钢渣中含有的其他矿物相。在此,介绍了通过拍摄CL图像,游离CaO定性的测定法。目前,正在确立从发光区域定量游离CaO的方法,还进行了用CL法检测与游离CaO同样导致路基材料膨胀的游离MgO的研究。

        与其他热处理工艺不同,ART退火工艺的最大特点是先淬火生成马氏体,然后逆转形成含奥氏体的复相组织。能够满足该工艺要求的钢中必须含有特定比例的奥氏体稳定化元素,该元素必须同时具有扩散速率慢的特点,以便保证临界区亚稳奥氏体的生成和实现基体组织的超细化。C、N、Mn和Ni都是可以扩大奥氏体区的奥氏体稳定化元素。为了避免ART热处理过程中退火马氏体(铁素体)的板条过于粗大,在合金设计上应优先选用置换原子而不是纯粹的间隙原子;同时,为了保证逆转变奥氏体的稳定性,合金中应保留一定比例的C元素。

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未来展望

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目前的研究是采用试剂制备的模拟试样进行测定,今后将进行实际试样的测定,确认CL法的实用性。照射源使用X射线代替电子束,也产生与CL同样的现象,称为X射线励磁发光。若使用X射线,在大气中也可以进行测定,因此,有可能可以现场和在线进行分析。因此将着手开发利用X射线励磁发光的小型装置,并提出对钢铁分析有用的新的方法和装置。  

来源|世界金属导报


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