薄带连铸低碳钢过冷奥氏体组织转变的原位观察

薄带连铸低碳钢过冷奥氏体组织转变的原位观察蔡娜娜１，２，梁高飞２，方园２，于艳２，王俊１（１．上海交通大学材料科学与工程学院，上海２００２４０；２．宝钢研究院，上海２０１９００）摘　要：利用共聚焦激光扫描显微镜对薄带连铸低碳钢过冷奥氏体的组织转变进行了原位观察。

结果表明：薄带连铸低碳钢原始奥氏体晶粒粗大，平均粒径约２００μｍ，室温组织主要由贝氏体和多边形铁素体组成；在过冷奥氏体组织转变过程中，ＢＦ板条主要形核位置为原奥氏体晶界上、奥氏体晶内夹杂处、晶界多边形铁素体或已生长的ＢＦ板条上，并且后形核生长的ＢＦ板条不会穿过先形核生长的ＢＦ板条，前后形核生长的ＢＦ板条有一定的取向角度；ＢＦ板条的生长速率受温度、形核位置和生长取向的影响。

关键词：薄带连铸；低碳钢；过冷奥氏体；原位观察中图分类号：ＴＧ１４２．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－３７３８（２０１２）０５－００２９－０４Ｉｎ－Ｓｉｔｕ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆＳｔｒｉｐ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｌｏｗ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｕｐｅｒ－Ｃｏｏｌｅｄ　ＡｕｓｔｅｎｉｔｅＣＡＩ　Ｎａ－ｎａ１，２，ＬＩＡＮＧ　Ｇａｏ－ｆｅｉ　２，ＦＡＮＧ　Ｙｕａｎ２，ＹＵ　Ｙａｎ２，ＷＡＮＧ　Ｊｕｎ１（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂａｏｓｔｅｅｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１９００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｕｐｅｒ－ｃｏｏｌｅｄ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｉｐ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｌｏｗｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｗａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｃｏｎｆｏｃａｌ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｇｒａｉｎｓ　ｓｉｚｅ　ｏｆｏｒｉｇｉｎａｌ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｇｒａｉｎｓ　ｉｎ　ｓｔｒｉｐ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｗａｓ　ａｂｏｕｔ　２００μｍ，ｔｈｅ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｂａｉｎｉｔｅ　ａｎｄ　ｐｏｌｙｇｏｎ　ｆｅｒｒｉｔｅ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂａｉｎｉｔｉｃ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ｐｌａｔｓ（ＢＦ）ｗｅｒｅｏｒｉｇｉｎａｌ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｇｒａｉｎ　ｂｏｕｎｄａｒｙ，ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ｉｎ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｔｒａｎｓｇｒａｎｕｌａｒ　ａｎｄ　ｇｒａｉｎ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｐｏｌｙｇｏｎ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ｏｒ　ｇｒｏｗｎＢＦ　ｐｌａｔｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｕｐｅｒ－ｃｏｏｌｅｄ　ａｕｔｅｎｓｉｔｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ　ＢＦ　ｐｌａｔｅ　ｄｉｄ　ｎｏｔ　ａｃｒｏｓｓ　ｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ　ＢＦ　ｐｌａｔｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｔｔｅｒ　ｔｏｏｋ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ．Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｈａｄ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ＢＦ　ｐｌａｔｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｉｐ　ｃａｓｔｉｎｇ；ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ；ｓｕｐｅｒ－ｃｏｏｌｅｄ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ；ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ０　引　言薄带连铸是将钢液直接浇铸成２～５ｍｍ厚的薄带钢，实现铸轧一体化，使钢铁生产工艺更紧凑、更高效和更环保［１］。

钢铁材料的双辊薄带连铸技术已有１５０ａ的历史，目前美国Ｎｕｃｏｒ公司的低碳钢产品已开始应用于建筑行业，低碳钢薄带产品正向薄规格、高强度方向发展［２］，其应用潜力巨大。

在薄带连铸生产过程中，钢液在结晶辊上的冷收稿日期：２０１１－０５－１６；修订日期：２０１１－１０－２５基金项目：上海市科委创新科技支撑计划项目（０７ＤＺ１１００３）作者简介：蔡娜娜（１９８４－），女，河北沧州人，硕士研究生。

导师：王俊教授却速率为１０２～１０３℃·ｓ－１，钢液的凝固是在流动和挤压过程中完成的，且凝固时间为１～２ｓ，之后铸带在夹送辊道上冷却后送至卷取，夹送辊道上采用空冷或喷水冷却，大约在６５０℃时卷取铸带并放置空冷至室温，卷取后的铸带冷却速率很小，一般不超过１０℃·ｓ－１。

薄带连铸低碳钢为粗晶奥氏体，晶粒宽度为１００～２５０μｍ，长度３００～７００μｍ［３］，大的奥氏体晶粒可提高其淬透性，促进贝氏体转变［４］，其室温组织主要是贝氏体和多边形铁素体；而传统热轧低碳钢终轧时奥氏体晶粒细小（２０～３０μｍ），室温组织是珠光体和多边形铁素体。

关于贝氏体相变的研究已有大量报道，研究表明，贝氏体铁素体（ＢＦ）形核生·９２·第３６卷第５期２０１２年５月机　械　工　程　材　料Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３６　Ｎｏ．５Ｍａｙ．　２０１２长与原奥氏体呈Ｋｕｒｄｊｕｍｏｖ－Ｓａｃｈｓ（Ｋ－Ｓ）或Ｎｉｓｈ－ｉｙａｎｍａ－Ｗａｓｓｅｒｍａｎｎ（Ｎ－Ｗ）取向关系［５］。

近期，Ｎｏｂｕａｋｉ［６］等利用共聚焦激光扫描显微镜原位观察了低碳钢（０．１５％Ｃ）的过冷奥氏体相变过程，描述铁素体板条的形核位置并计算其生长速率。

目前，对于低碳钢中粗大奥氏体在连续冷却过程中的相变研究较少，为此，作者利用共聚焦激光扫描显微镜对薄带连铸低碳钢过冷奥氏体的组织转变进行了原位观察，旨在分析过冷粗大奥氏体的相变特点，为薄带连铸低碳钢的组织控制提供参考。

１　试样制备与试验方法试验材料取自宝钢薄带连铸中试产品，厚度为１．５ｍｍ，其化学成分（质量分数／％）为０．０５７Ｃ，０．７６４Ｍｎ，０．２９９Ｓｉ，０．００９Ｐ，０．００２Ｓ。

将低碳钢薄带加工成４ｍｍ×４ｍｍ规格的试样，经抛光、清洗、烘干后置于共聚焦激光扫描显微镜金相加热炉内，以２００℃·ｍｉｎ－１加热到１　２５０℃后保温３０ｍｉｎ，保温时温度起伏在±１℃之间，由温控系统控制并实时监视，显微成像系统的Ｌａｓｅｒｔｅｃ共焦激光扫描显微镜采用氦－氖激光源，通过微机系统实时记录其相变过程、温度、时间并保存在视频文件中。

随后以预设的冷却速率连续冷却，用以模拟低碳钢薄带在连续冷却过程中过冷奥氏体相变过程（大约是薄带连铸过程中铸带卷取阶段），在７５０～６７０℃范围内冷却速率为１０～９．１℃·ｓ－１，在６７０～５５０℃范围内为９．１～５．７℃·ｓ－１。

金相试样经机械磨抛、腐蚀后采用ＬｅｉｃａＤＭ６０００Ｍ型正置式光学显微镜和ＨＩＴＡＣＨＩＳ－４２００型冷场发射扫描电镜（ＳＥＭ）进行组织观察，观察室温组织所用腐蚀液为４％（体积分数）的硝酸酒精溶液，观察原始奥氏体晶粒所用腐蚀液为饱和苦味酸溶液。

在腐蚀原始奥氏体晶粒的过程中，为排除室温组织被浅蚀而对原奥氏体组织的影响，采用反复抛光、腐蚀的方法以得到较好的腐蚀效果。

２　试验结果与讨论２．１　显微组织由图１可以看出，薄带连铸低碳钢原始奥氏体晶粒宽度为１００～２００μｍ，长度为２００～３５０μｍ，基本上为等轴晶，晶粒尺寸不均匀。

由于薄带连铸低碳钢为粗大奥氏体晶粒，其室温组织与传统热轧低碳钢的室温组织有较大差异。

图１　薄带连铸低碳钢的原始奥氏体晶粒Ｆｉｇ．１　Ｏｒｉｇｉｎａｌ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｇｒａｉｎ　ｉｎ　ｓｔｒｉｐ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ图２（ａ）可见，薄带连铸低碳钢的室温组织主要有多边形铁素体和贝氏体，还有少量珠光体，贝氏体形貌比较复杂，由羽毛状、粒状等多种形貌。

由图２（ｂ）可见，长条状铁素体板束近乎平行地排列，短杆状碳化物平行地或以一定角度排列成一束条带状，碳化物条带与铁素体板束近乎平行。

图２　薄带连铸低碳钢的室温组织Ｆｉｇ．２　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｔｒｉｐ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ａｔ　ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：（ａ）ＯＭ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ａｎｄ（ｂ）ＳＥＭ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ２．２　组织转变的原位观察薄带连铸低碳钢由１　２５０℃连续冷却至７００～５８０℃的过程中，过冷奥氏体发生贝氏体转变。

在相变刚开始的高温区，原奥氏体晶界处形成少量的多边形铁素体，如图３椭圆框中所示，晶界多边形铁素体在γ晶界处形核后向晶界单侧方向推移生长，并且很快就停止了生长，箭头代表它的生长方向。

据文献［７］报道，晶界在形核时，为了降低形核·０３·势垒，一般与一侧的奥氏体成Ｋ－Ｓ或Ｎ－Ｗ关系，并且界面迁移较快；而另一侧往往表现为随机取向，并且这类界面迁移速率较慢。

图３　过冷奥氏体冷却过程中晶界多边形铁素体的生长Ｆｉｇ．３　Ｇｒｏｗｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｐｏｌｙｇｏｎａｌｆｅｒｒｉｔｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｕｐｅｒ－ｃｏｏｌｅｄ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ贝氏体铁素体板条（ＢＦ，视场中只观察到此种贝氏体）主要的形核位置分为三类：原奥氏体晶界上、奥氏体晶内夹杂处和晶界多边形铁素体或已生长的ＢＦ上。

由图４（ａ）可见，ＢＦ沿着原奥氏体晶界形核，以切线方向向晶内生长，其转变温度为６９８～６８９℃，其生长速率较快，约２３０μｍ·ｓ－１，如虚线箭头所指的板条。

椭圆框内为一组在晶界多边形铁素体上形核的ＢＦ，它以一定角度向晶内生长，生长速率较慢，约１１０μｍ·ｓ－１。

两个箭头处代表在已生长的ＢＦ上形核的ＢＦ，一束ＢＦ先在奥氏体晶界处形核并生长，随后另一束ＢＦ在先生长的ＢＦ上形核，同时前一束ＢＦ停止生长，即先后形核的板条不能交叉或穿过生长，ＢＦ在生长过程中具有“互锁”现象，并且后形核的ＢＦ比先形核的ＢＦ生长速率快，先形成的ＢＦ生长速率约为４２μｍ·ｓ－１，后形核的ＢＦ生长速率约为７５μｍ·ｓ－１，前后生长的两束ＢＦ板条以１０°左右的取向角度生长，如图４（ａ）中两相交实线所示。