北科大《JMST》：夹杂物对钢材组织性能的影响研究取得新进展！

2021-12-03 11:45:39 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

钢中存在尺寸较大的残余夹杂物对力学性能有不利影响。为了解决这一问题，上个世纪提出了氧化冶金理论（即细小和分散的夹杂作为非均质形核点）。氧化冶金在钢中有两个主要作用：一是利用夹杂物作为形核质点，生成许多晶内针状铁素体（IAFs）；另一个是抑制奥氏体晶粒的生长，晶粒被细化，提高钢的韧性和强度。外加法是新一代的氧化物冶金技术，是改善性能的有效方法。不同元素组成的纳米颗粒（NPs）能够有效地抑制奥氏体晶界的迁移，形成细小晶粒，提高在热影响区（HAZ）的韧性和焊接性能。IAFs倾向于在含Ti或Mg的夹杂物（如MgO和TiOx）的界面形核。含镁夹杂物由于其诱导AF的特殊特性，近年来引起了人们的广泛关注。已有报道表明改性颗粒对夹杂物的弥散和显微组织的细化有显著影响，然而大部分用真空感应或管状炉制备的样品都是在室温下观察的。而对加入NPs后AF形核和生长的原位实验研究较少，缺乏对相变过程中颗粒对组织演变影响的实时观察。

北京科技大学等单位的研究人员探讨了不同冷却条件下含表面改性MgO粒子钢的组织演变和针状铁素体（AF）的形成。研究了冷却过程中的相变和AF动力学。利用平面错配理论和夹杂物与奥氏体膨胀系数的差异，建立了夹杂物与AF动力学的关系。相关论文以题为“Microstructure evolution and acicular ferrite nucleation in inclusion-engineered steel with modified MgO@C nanoparticle addition”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.02.033

为了保证NPs在钢液中分散均匀，在炼钢工艺中引入了NPs的表面处理，以实现NPs的优良性能。通过两步法制备了MgO@C NPs纳米粒子。将由盐酸多巴胺（150mg）和靶NPs（150mg）组成的混合物倒入磷酸盐缓冲液（pH7.0，0.1M）中。电磁搅拌1h，再向溶液中加入85 mg过硫酸铵（AP），搅拌1h。通过离心和干燥收集颗粒。获得的颗粒在氮气中煅烧550℃×3h。表面改性后的NPs与原始NPs相比出现了粗糙的膜层。改性纳米颗粒的平均粒径增加了10 nm。表面改性的NPs表现出良好的分散性和润湿性，在钢水中的接触角更小。

研究发现与空冷相比，水淬时夹杂物的平均尺寸较小，数量较多。加入NP后，通过SEM-EDS测量和FactSage热力学软件计算，发现夹杂物为MgAl2O4尖晶石和不规则TiN夹杂物。冷却速度对组织的类型和比例也有影响。随着冷却速率的加快，铁素体的数量减少，导致贝氏体的形成。较高的冷却速率为γ-α相变过程中铁素体的形成提供了较大的过冷度。因此，当NP含量为0.03%时，钢产生了AF和晶界铁素体，较细的AF成为主要组织。

图1 原始和表面改性NPs的XRD结果、NP尺寸分布和NP表面处理工艺示意图

图2 原始钢在水淬和空冷条件下的典型夹杂形

图3 水淬和空冷钢中夹杂物的形貌及元素分布

图4 钢的微观组织。（a）原始状态空冷；（c） 0.01%NP空冷；（e） 0.03% NP空冷；（b）原始状态水淬；（d） 0.01%NP水淬；（f） 0.03% NP水淬

图5 保温过程中晶界运动的原位观察

本文研究了合金的微观组织演变和晶粒细化机理，观察了不同冷却条件下表面改性MgO钢锭中AF的形成。采用表面改性的NPs作为夹杂物改性剂，在抑制奥氏体晶粒生长的同时，充当钢液中AF的非均形核质点。单一的Al2O3夹杂物不能诱导AF形核，而改性和细化的MgAl2O4尖晶石对AF的形成有积极作用。观察发现弥散的TiN夹杂物位于晶界上，有效地抑制了晶界的迁移。本文阐明了夹杂物对钢材组织性能的影响，为钢材设计提供了理论基础。

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