316L不锈钢物相的精细结构表面特征

2020-01-02 20:04:10

   浙江至德钢业有限公司以热轧态316L不锈钢为研究对象,首先利用X射线衍射仪对其主要物相进行标定,进而利用透射电镜的选区电子衍射和高分辨像功能确认了χ相的存在。然后利用透射电子背散射衍射技术对所有物相的分布进行表征,与常规电子背散射衍射的结果进行比较,准确显示了χ相的分布特征。结果表明,组织中以奥氏体基体相和带状组织为主,带状组织中主要含有σ相,还有少量的铁素体相和奥氏体相,χ相不仅存在于带状组织中,还存在于奥氏体基体中,且χ相和σ相中都富含铁、铬、钼元素。


  316L不锈钢在使用前通常需要经过固溶处理,使析出的碳化物和金属间相重新固溶于奥氏体中,通过急冷从而获得均一的奥氏体组织。由于析出的金属间相通常都富铬和钼,会使其周围出现贫合金区,从而降低抗蚀性,同时,由于这类析出相硬而脆,钢中出现少量就会使钢的韧性和塑性急剧下降,因此,必须设计合理的固溶处理温度来避免金属间相的析出。而材料的组织与固溶工艺关系密切,因此,研究清楚物相的精细组织结构尤为重要。由于不锈钢中的金属间相形态差异较小,早期人们通过化学腐蚀,光学显微镜和X射线衍射仪来研究析出相,但这仅仅适用于尺寸较大且合金元素含量较高的金属间相。


  目前,许多纳米微区分析设备和技术的出现为精确表征析出相提供了强大的保障。透射电镜能在原子尺度直观观察材料的内部结构,对复杂相结构进行表征,还可以将高分辨研究、能谱微区成分分析、选区电子衍射等各种方法综合应用做更深入的物相研究。透射电子背散射衍射技术是一种新兴的检测方法,其主要原理为:扫描电镜的入射电子束经过透射样品薄区产生透射电子,使用常规的探头测量菊池衍射花样,从而获得了纳米量级的晶体结构和取向信息。很多研究者已针对低钼类不锈钢中的金属间相作了研究,但是只观察到常规的奥氏体相、σ相、铁素体相,而对于χ相的研究鲜见系统的报道。浙江至德钢业有限公司以316L不锈钢为研究对象,以透射电镜为主要研究手段,系统地研究其精细结构,为后期优化固溶处理工艺和生产工艺提供指导。



一、实验部分


1. 实验材料


  实验所用材料为316L不锈钢热轧板材,终轧温度在850℃左右。主要化学成分如表所示。


2. 实验仪器


   首先借助热力学软件对合金组织中的平衡相进行计算,分析合金在凝固过程中的相变规律。用扫描电子显微镜及能谱分析仪对样品的显微组织和合金相成分进行分析。采用X射线衍射仪分析合金相的物相。采用双喷减薄仪在体积分数为5%的高氯酸乙醇溶液中,于温度约为-25℃、电压为30V的条件下进行电解双喷,以制备透射电镜样品,并通过透射电镜分析合金相的形貌和晶体结构。采用扫描电子显微镜及电子背散射衍射仪分析物相分布规律。


二、结果分析与讨论


1. 热力学平衡相图计算


  采用热力学软件对热轧态316L不锈钢在平衡条件下合金组织随温度的变化规律进行计算,参与计算的合金元素为碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、铜、钼、氮、铁等。图为热力学平衡状态下316L不锈钢析出相含量与温度之间的关系。从图中可以得出合金的液相线在1440℃左右,在凝固过程中合金中先析出铁素体相,在1410℃左右时铁素体相含量达到最大,随着温度继续下降,铁素体相含量开始随温度降低而逐渐减少,而奥氏体相从1420℃左右开始析出,且随温度下降逐渐增多;温度下降到1165℃左右时,铁素体相消失,全部转化为奥氏体相,此温度一直持续到960℃左右,均为纯奥氏体组织;图为于600~960℃之间的局部放大图,结合图可见,温度继续下降至960℃左右时,开始有σ相析出。温度降至890℃时开始出现χ相析出,含量随温度下降而缓慢增大,在734℃左右时χ相含量达到最大,然后迅速消失,而Laves相在734℃左右开始迅速大量析出,且随温度下降含量增长缓慢,由此可以推断在734℃左右,χ迅速转换为Laves相。而χ相与σ相在一定温度区间内是共存的。从相图分析中可以得出,在960~600℃凝固过程中可能出现的析出相有σ相、χ相和Laves相。而本文研究的316L不锈钢终轧温度在850℃左右,根据相图可以推断出不锈钢以奥氏体为主,可能存在的析出相为χ相和σ相。


2. 热轧态显微组织中物相鉴定分析


  图为热轧态316L不锈钢的SEM背散射电子像。图显示在基体中均匀分布着细长条带状组织,图为带状组织的放大图,可见带状组织中存在以块状组织为主的混合相。图为热轧态316L不锈钢的XRD谱图,可见,物相以奥氏体为主,还有铁素体相和σ相。衍射谱中还存在未标定的未知相,根据衍射角度推断对应的峰可能为χ相。通过电解双喷制备出含有基体和带状组织的透射电镜样品,并进行透射电镜分析,图为透射电镜的扫描透射明场像。通过衍射花样可确定,对应的区域为面心立方结构的奥氏体,区域为体心立方结构的铁素体,区域为σ相,区域的物相结构为BCC,但晶格常数a值较大,经计算为0.892nm,衍射花样对应的入射方向为。图为模拟计算χ相方向的标准衍射花样,与图对应的区域衍射花样完全匹配。由于χ相还未在热轧态316L不锈钢中被报道过,因此,为进一步确定区域的物相,进一步对该区域进行高分辨像分析,如图所示。图为区域沿入射方向的高分辨像,通过软件模拟出χ相沿入射方向的标准原子投影,将χ相的投影像叠加到图方框区域,如图所示,可见模拟的原子投影像与实验的原子像完全匹配,其中钼原子主要占据体心立方的顶点,而铁和铬原子共同占位。由此确定区域对应的物相为χ相,进一步证明了XRD谱图中的未知峰对应于χ相。虽然以上分析可以确定316L不锈钢中基体为奥氏体相,还含有铁素体相、σ相和χ相。但是这3种相在基体中的分布情况无法确定。而且,带状组织中的物相分布目前也不能确定。


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