硼及其它合金元素對鋼組織性能的影響

硼及其它合金元素對鋼組織性能的影響吳素君北京航空航天大學(xué)2023/2/52問題的提出：

Q690CFD的力學(xué)性能材料力學(xué)性能試樣號爐號坯號板號力學(xué)性能屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）沖擊功（J）1#9P04850B419P04850B11019432800070582518.04850462#9P05202B239P05202B11019433700073080519.53922233#9P05202B139P05202B11019433900073581020.0171902074#9P04852B229P04852B11019434100070581519.51802422305#9Q05395B139Q05395B11019435600067577519.0248228139對試制的Q690CFD鋼板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣沖擊功值差距較大，其中兩個試樣的沖擊功值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼板設(shè)計值，說明試制鋼板的韌度不達(dá)標(biāo)。其中2#和3#試樣成分相同，但是經(jīng)控軋控冷加工后，其沖擊功值差距較大，說明3#試樣的韌度高于2#試樣，為了找出其中的原因，進(jìn)行了一下研究。主要內(nèi)容硼元素簡介硼元素在鋼中的作用Q690CFD鋼脆性斷裂的初步探討

未來展望2023/2/532023/2/541-1硼元素原子半徑：0.98?熔點(diǎn)：約2300°C沸點(diǎn)：3658°C晶體密度：2.34g/cm3

地殼中含量：0.001%2023/2/551-2硼的主要用途

硼耐溫玻璃、實(shí)驗(yàn)玻璃器皿、光學(xué)玻璃焊接金屬時的熔劑硼肥硼鋼在反應(yīng)堆中用作控制棒鋼鐵中的重要合金元素2023/2/562-1硼對鐵多型性轉(zhuǎn)變的影響鐵在加熱和冷卻過程中發(fā)生如下的多型性轉(zhuǎn)變：α-Feγ-Feδ-Fe910℃1390℃A3A4鋼中的合金元素對α-Fe、γ-Fe和δ-Fe的相對穩(wěn)定性及多型性轉(zhuǎn)變溫度A3和A4都有極大的影響。2023/2/572-2合金元素分類根據(jù)元素對鐵多型性轉(zhuǎn)變的影響，將各種合金元素分為兩大類：

擴(kuò)大γ相區(qū)的奧氏體形成元素縮小γ相區(qū)的鐵素體形成元素開啟γ相區(qū)擴(kuò)大γ相區(qū)封閉γ相區(qū)縮小γ相區(qū)Mn，Co，NiV，Cr，Ti，Mo，W，Al，P，Sn，Sb，AsC，N，CuB，Zr，Nb，Ta，S，Ce2023/2/582-3硼對鐵碳相圖的影響硼為縮小γ相區(qū)元素，與封閉γ相區(qū)元素相似，使A3溫度升高，A4溫度下降，但由于出現(xiàn)了金屬間化合物，破壞了γ圈2023/2/592-4硼在鐵中的溶解度硼在鐵中的溶解度主要受畸變能的影響，硼與鐵的原子半徑比為0.98：1.24=0.79,硼原子無論與鐵形成間隙固溶體或代位固溶體，都會引起較大的畸變能，所以，硼在α-Fe和γ-Fe中的溶解度都很小。硼在α-Fe中的溶解度——0.008%硼在γ-Fe中的溶解度——0.018～0.026%2023/2/5102-5元素的平衡偏聚一般來說，產(chǎn)生晶界偏聚的主要原因是溶質(zhì)原子與基體原子的彈性作用，溶質(zhì)原子在完整晶體內(nèi)引起的畸變能很高，因此，比基體原子大或小的溶質(zhì)原子將從晶內(nèi)遷移到晶界、相界等缺陷區(qū)。Mclean導(dǎo)出晶界溶質(zhì)原子偏聚量的普遍表達(dá)式：Xb0——溶質(zhì)在晶界區(qū)的飽和偏聚量Xc——為溶質(zhì)在基體晶內(nèi)的溶解量E——溶質(zhì)原子在晶內(nèi)和晶界區(qū)引起的畸變能之差用cg表示晶界區(qū)的溶質(zhì)偏聚濃度，c0為溶質(zhì)在基體晶內(nèi)的濃度，將上式簡化可得：2023/2/5112-6硼的非平衡偏聚但是，很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在淬火冷卻過程中，硼向晶界的偏聚是一個非平衡的熱力學(xué)過程。

在實(shí)際淬火試樣中觀察到硼在奧氏體晶界上的偏聚，不像平衡偏聚那樣局限在幾個原子范圍內(nèi)，而在晶界上形成具有一定寬度的富集帶。

這種偏聚是在冷卻過程中形成的，對冷卻速度很敏感。隨淬火溫度的升高、冷卻速度的降低，晶界富集帶寬度有所增加，晶界富集的硼增多。

硼在晶界的偏聚對鋼的淬透性產(chǎn)生重要影響。2023/2/5122-7淬透性的基本概念淬透性：是指鋼在淬火時獲得淬硬深度的能力，是鋼本身固有的屬性淬硬深度：從淬硬的工件表面至50%馬氏體組織的垂直距離定為淬硬深度淬透性越好，淬火獲得的淬硬深度越大鋼淬火時，表面的冷卻速度最快，愈到中心冷卻速度愈慢，在距表面某一深處的冷卻速度小于該鋼的馬氏體臨界冷卻速度，則淬火后將有非馬氏體組織出現(xiàn)鋼的淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度，取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性。鋼的臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性愈好。過冷奧氏體越穩(wěn)定，鋼的淬透性愈好。2023/2/5132-8硼對鋼淬透性的影響硼對淬透性的貢獻(xiàn)，主要在于硼在奧氏體晶界的偏聚，使奧氏體分解時新相在奧氏體晶界處形核困難，從而造成奧氏體分解的孕育期增長，使淬透性提高。根據(jù)相變理論，珠光體轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，新相的晶核一般首先在母相奧氏體的晶界處形成，這是因?yàn)榫Ы缣幾钊菀诐M足三大起伏條件，即能量起伏、成分起伏和結(jié)構(gòu)起伏。如果破壞了其中某些條件，都有可能使形核發(fā)生困難，從而造成奧氏體分解的孕育期增長。硼對增加鋼的淬透性有重要意義，在鋼中加入0.002%～0.003%的硼所達(dá)到的增加淬透性的作用，相當(dāng)于加入約0.5%的Mn、Cr或Mo2023/2/514硼提高淬透性的機(jī)理分為如下兩個階段：形核的初始階段：在這一時期由于硼在奧氏體晶界的偏聚，填充了部分晶界缺陷（或析出了微細(xì)的共格硼相）造成了晶界處能量的降低，使得晶界處的能量起伏降低。由于硼在晶界處的偏聚，使得碳原子在晶界處的擴(kuò)散受阻，而使晶界處的成分不均勻減小、成分起伏量減小。硼在晶界偏聚，對位錯的封鎖，可能造成位錯密度大的區(qū)域三大起伏大的優(yōu)勢被減弱。2-8硼對鋼淬透性的影響以上因素都不利于奧氏體分解時新相的形核，因此造成了奧氏體分解的孕育期增長，使淬透性提高。2023/2/515形核的隨后階段：當(dāng)晶界處滿足了一定的條件后（能量、成分和結(jié)構(gòu)條件），便可形成先共析鐵素體的晶胚，此時由于應(yīng)變自由能的限制，使得晶胚難以成核，從而使淬透性提高。這是由于硼偏聚在奧氏體晶界處。當(dāng)晶界處形成先共析鐵素體晶胚時，硼可以進(jìn)入α—Fe的點(diǎn)陣之中，置換掉部分鐵原子。由于硼原子半徑（0.98埃）比鐵原子半徑（1.24埃）小，因而造成點(diǎn)陣收縮，體積應(yīng)力增加，應(yīng)變加大。2-8硼對鋼淬透性的影響2023/2/516由形核理論可知，新相得以形核必須是晶胚尺寸要大于臨界半徑rk,也就是說形核前必須要克服一定的能量阻礙（勢壘），見下圖由于硼進(jìn)入α—Fe的結(jié)合處，使應(yīng)變能加大，使得新相形成時又增加了一項(xiàng)阻力能—應(yīng)變能。即：△G=-△Gv+△G表+△GE其中：△G—相變自由能△G表—表面能△GE—應(yīng)變能△Gv—體積自由能2-8硼對鋼淬透性的影響2023/2/517從而使得形核前需要跨過的勢壘增高（見圖中虛線），造成了新相形核困難，延長了奧氏體分解的孕育期，使淬透性增加。2-8硼對鋼淬透性的影響2-9硼對鋼淬硬性的影響微量硼能夠明顯提高鋼的淬硬性，主要與鋼的化學(xué)成分和夾雜物元素如氧、氮有關(guān)。鋼的化學(xué)成分一定時，淬硬性隨著淬火溫度的變化具有一個峰值特征。微量硼能抑制鐵素體的形核，使“C”曲線右移，從而改變其基本形狀，具有自己獨(dú)特的“C”曲線組織由上貝氏體過渡到板條貝氏體，具有更好的強(qiáng)韌性協(xié)同作用。2023/2/5182-9硼對鋼淬硬性的影響微量的硼能夠明顯地提高鋼的淬硬性，隨冷速的加大，硬度逐漸提高2023/2/5192-10鉬硼共同作用機(jī)理Mo-B(s)共同作用有利于提高實(shí)驗(yàn)管線鋼的淬透性，提高鋼的強(qiáng)度，其聯(lián)合作用大于兩者單獨(dú)作用之和微量B(s)可以明顯抑制鋼中鐵素體在奧氏體晶界上的形核，同時還使貝氏體轉(zhuǎn)變曲線變得扁平，從而即使在低碳的情況下在一定的冷卻速度范圍之內(nèi)也能獲得貝氏體組織或者貝氏體＋馬氏體組織但B的這一作用是基于固溶態(tài)的B(s)易于在奧氏體晶界處偏聚，阻止鐵素體在晶界的優(yōu)先形核。如果B(s)偏聚到奧氏體晶界與鋼中C，N和O等結(jié)合，則將失去這一作用2023/2/5202-10鉬硼共同作用機(jī)理而Mo加入到鋼中會增加碳的擴(kuò)散激活能，降低碳的活度系數(shù)。且Mo在鋼中易形成Mo-C組合，從而減少了C向奧氏體晶界的偏聚。即增加了奧氏體晶界處的有效B(s)含量這更有利于提高鋼的淬透性，進(jìn)而提高鋼的強(qiáng)度。2023/2/521若鋼中未加入或者只加入少量的Mo，C極易偏聚到奧氏體晶界，從而易與B(s)結(jié)合形成碳硼化合物，如Fe23(C,8)6等，減少了B(s)的有效數(shù)量2023/2/5222-11硼對鋼相變的影響貝氏體淬透性提高馬氏體淬透性馬氏體淬火和回火鋼低碳貝氏體鋼加入鉬元素能有效地使珠光體轉(zhuǎn)變曲線右移，但不能完全抑制先析鐵素體析出。微量的硼(0.002%)在奧氏體晶界上有偏聚作用，可有效地抑制先析鐵素體析出。鉬硼復(fù)合作用使過冷奧氏體向鐵素體的等溫轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)一步右移，使貝氏體轉(zhuǎn)變開始線明顯突出。提高了貝氏體淬透性。2023/2/523硼對鋼的相變的影響主要在于影響相變的孕育期，即“C”曲線中，恒溫下開始轉(zhuǎn)變前的時間，孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度。2-11硼對鋼相變的影響2-11硼對鋼相變的影響硼及其他元素對于C曲線的影響2023/2/5242-11硼對鋼相變的影響鋼中加入硼后，由于硼是偏聚傾向較大的元素，能偏聚于晶界，降低了碳原子在晶界上的偏聚濃度，有效地抑制了先共析鐵素體的析出，并對貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少，從而形成自己獨(dú)特的“C”曲線形狀。2023/2/525實(shí)驗(yàn)鋼動態(tài)“C”曲線2023/2/5262-11硼對鋼相變的影響奧氏體化的鋼過冷到Bs(約550℃)至Ms溫度范圍等溫，將產(chǎn)生貝氏體轉(zhuǎn)變，也稱中溫轉(zhuǎn)變。它是介于擴(kuò)散性珠光體轉(zhuǎn)變和非擴(kuò)散性馬氏體轉(zhuǎn)變之間的一種中間轉(zhuǎn)變。在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域沒有鐵原子的擴(kuò)散，而是依靠切變進(jìn)行奧氏體向鐵素體的點(diǎn)陣重構(gòu)，并通過碳原子的擴(kuò)散進(jìn)行碳化物的沉淀析出。2023/2/5272-11硼對鋼相變的影響形成溫度較高呈羽毛狀性能較差形成溫度低其中鐵素體片較細(xì)，且是位錯亞結(jié)構(gòu)，碳化物的彌散度也大，呈針狀性能優(yōu)良上貝氏體下貝氏體形成溫度較高由塊狀鐵素體和島狀的富碳奧氏體組成性能優(yōu)良塊狀相貝氏體轉(zhuǎn)變2023/2/528如圖所示，由不同冷卻速率下的低碳貝氏體鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線示意圖可知，對于鉬鋼，V1將發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，v2發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變，v3發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變。而對于鉬硼鋼，其過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線明顯右移，表明在較低的冷卻速率下可發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。2-11硼對鋼相變的影響低碳貝氏體鋼必須控制軋制與控制冷卻工藝，特別是嚴(yán)格地控制冷卻工藝，才能得到細(xì)小的貝氏體組織，以保證獲得優(yōu)良性能。2023/2/529強(qiáng)化晶界的機(jī)理：硼偏集于晶界上，使晶界區(qū)域的晶格缺位和空穴減少，晶界自由能降低硼減緩了合金元素沿晶界的擴(kuò)散過程硼能抑制晶界片層狀、胞狀析出相以及改善碳化物不均勻分布的狀態(tài)，改善了晶界狀態(tài)

2-12硼強(qiáng)化晶界的機(jī)理2-13硼對低碳鋼晶粒尺寸的影響使奧氏體晶粒增大在低碳鋼中隨硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，奧氏體晶粒尺寸明顯增大。由于鋼中B與N形成BN，減少了AlN的生成數(shù)量，在升溫過程中，BN先溶解于奧氏體，而AlN數(shù)量很少，所以奧氏體晶粒長大不受阻礙。提高奧氏體化溫度，B對奧氏體晶粒長大的作用會更加明顯。在600～900℃范圍內(nèi)，F(xiàn)e23(B2,C)6會在γ晶界析出，如奧氏體化溫度較低時，F(xiàn)e23(B2,C)6沒有完全溶解于奧氏體，殘留的非連續(xù)的Fe23(B2,C)6會阻礙γ晶粒長大；當(dāng)提高奧氏體化溫度時，F(xiàn)e23(B2,C)6會完全溶解，消除了其阻礙作用，使得γ晶粒迅速長大。2023/2/5302-13硼對低碳鋼晶粒尺寸的影響為了保證B元素的有利作用，減少有害作用，須添加合金元素Ti來固定雜質(zhì)元素O、N，從而使B處于固溶態(tài)，并偏聚于晶界以發(fā)揮其長處；并且形成的TiN、TiO能有效的起到細(xì)化晶粒的作用；同時Ti能抑制加熱時奧氏體晶粒的長大，并且微量的Ti也有利于改善焊接熱影響區(qū)的韌性。2023/2/5312-13硼對低碳鋼晶粒尺寸的影響抑制鐵素體形核的可能代價：晶粒粗大！單位體積內(nèi)晶粒的平均數(shù)量用Z表示，則在均勻條件下形核和成長時，Z與N和G的關(guān)系為：Z=K(N/G)3/4，其中K為比例常數(shù)，約為0.9。因此，在結(jié)晶過程中凡是減小N而增大G，即：使N/G減小的方法，都可以使晶粒變粗大。硼鋼中固溶硼在降溫過程中能夠在奧氏體晶界偏聚，降低了晶界能，可以阻礙先共析鐵素體在奧氏體晶界形核，因而在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時，形核率N降低；而且，硼對晶粒的長大速度沒有影響，則平均長大速度G不變，從而使N/G變小，晶粒數(shù)Z小，平均晶粒尺寸大。2023/2/5322-13硼對低碳鋼組織性能的影響綜上所述，硼對鋼組織性能的影響取決于：鋼的化學(xué)成分軋制工藝，包括：終軋溫度開冷溫度終冷溫度冷卻速度，等等2023/2/5332023/2/5343-1CaseStudy：Q690CFD鋼材料化學(xué)成分試樣號爐號C%Si%Mn%P%S%Ni%Cr%Cu%Nb%Mo%Ti%V%Ca%B%1#9P048500.0730.281.660.0080.00260.240.280.390.0540.210.015.0020.00160.00124#9P048520.0550.281.710.0080.00330.240.280.400.0510.220.016.0020.00130.00092#、3#9P052020.0600.321.740.0090.00240.110.0450.230.020.06.0020.00185#9Q053950.0520.361.700.0080.00210.130.0420.220.010.06.0020.00192023/2/5353-2Q690CFD的力學(xué)性能材料力學(xué)性能：問題—不穩(wěn)定試樣號爐號坯號板號力學(xué)性能屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）沖擊功（J）1#9P04850B419P04850B11019432800070582518.04850462#9P05202B239P05202B11019433700073080519.53922233#9P05202B139P05202B11019433900073581020.0171902074#9P04852B229P04852B11019434100070581519.51802422305#9Q05395B139Q05395B11019435600067577519.0248228139對試制的Q690CFD鋼板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣沖擊功值差距較大，其中兩個試樣的沖擊功值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼板設(shè)計值，說明試制鋼板的韌度不達(dá)標(biāo)。其中2#和3#試樣成分相同，但是經(jīng)控軋控冷加工后，其沖擊功值差距較大，說明3#試樣的韌度高于2#試樣，為了找出其中的原因，進(jìn)行了一下研究。2023/2/5363-3Q690CFD鋼組織分析

材料組織觀察

2#試樣200倍光學(xué)顯微組織

3#試樣200倍光學(xué)顯微組織

2023/2/5373-3Q690CFD鋼組織分析2#試樣500倍光學(xué)顯微組織

3#試樣500倍光學(xué)顯微組織

2023/2/5383-3Q690CFD鋼組織分析2#試樣二次電子成像顯微組織

3#試樣二次電子成像顯微組織

2023/2/5393-3Q690CFD鋼組織分析2#試樣二次電子成像顯微組織

2#試樣二次電子成像顯微組織

3#試樣二次電子成像顯微組織

3#試樣二次電子成像顯微組織

2023/2/5403-3Q690CFD鋼組織分析從圖中的微觀組織結(jié)構(gòu)可以看出，2#試樣和3#試樣的組織都為呈片狀的貝氏體+銀白色鐵素體結(jié)構(gòu)。但比較兩個試樣的光學(xué)顯微組織和二次電子成像顯微組織發(fā)現(xiàn)，兩個試樣的組織結(jié)構(gòu)有較大差別，2#試樣，鐵素體晶粒較大、含量較多，且鐵素體和貝氏體沿晶界兩側(cè)分布，組織不均勻。3#試樣，鐵素體晶粒小、含量少，且均勻彌散分布于貝氏體組織中。

2023/2/5413-4Q690CFD鋼斷裂微觀分析

斷裂形貌觀察

斷口亞表層金相觀察2#試樣斷口亞表層200倍顯微形貌

2023/2/5423-4Q690CFD鋼斷口微觀分析2#試樣斷口亞表層500倍顯微形貌

對2#試樣沖擊斷口亞表層進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)沖擊斷口平直，呈現(xiàn)出解離斷裂特征。斷口邊緣金相為單一貝氏體組織。對試樣內(nèi)部裂紋進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋邊緣金相仍為單一貝氏體。2023/2/5433-4Q690CFD鋼斷口微觀分析3#試樣斷口亞表層200倍顯微形貌

2023/2/5443-4Q690CFD鋼斷口微觀分析3#試樣斷口亞表層500倍顯微形貌

3#試樣斷口亞表層1000倍顯微形貌

2023/2/5453-4Q690CFD鋼斷口微觀分析3#試樣斷口亞表層1000倍顯微形貌

對3#試樣沖擊斷口亞表層進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)斷口為鋸齒狀，斷口附近分布有很多小孔洞（韌窩），并且斷口組織發(fā)生很多的塑性變形，說明斷口為明顯的韌窩斷口，材料表現(xiàn)出很好的韌性。2023/2/5463-4Q690CFD鋼斷口微觀分析2#試樣斷口形貌

2023/2/5473-4Q690CFD鋼斷口微觀分