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时效温度对超低碳钢中铜析出的影响 韩文习1，袁鹏举1，杨忠民2 ( 1 技术中心; 2 钢铁研究总院) 摘 要: 对两种不同铜含量的超低碳钢在400 ～600 ℃温度区间等温时效1 h，通过透射电镜观察及维氏硬度测试揭示时效温度对铜析出的影响规律。结果表明: 随着时效温度的升高，硬度值呈先上升后下降的趋势; 铜含量高的钢( 2． 04% Cu) 在时效温度为 500 ℃时出现硬度峰值，铜含量低的钢( 1． 04% Cu) 在 550 ℃出现硬度峰值; 在相同的时效温度下，铜含量高的钢的硬度值高于铜含量低的钢; 在 600 ℃时，两种实验钢的硬度差值减小。 关键词: 时效温度 超低碳钢 铜析出 0 前言 含铜超低碳钢经时效后，利用铜的时效析出能起到强烈的沉淀强化效果，具有高强度、高韧性、良好的可焊性及耐蚀性等多种优良性能，利用 Cu时效沉淀强化作用，还可以使钢材在较宽的冷速范围内保持性能的一致，有效解决超厚大尺寸钢材截面上性能的不均匀性，已经被广泛应用于管线、造船、采油平台、工程机械等工程结构。因而研究铜在钢中的时效析出及沉淀强化规律有重要理论和实践意义。已有的有关钢中 Cu 析出的研究工作多集中在研究时效时间的影响［1，2］、ε － Cu 析出的结构和成分等［3］，铜含量在 1. 0% 左右，本实验把 Cu含量提高到 2. 0%，通过两种不同 Cu 含量试验钢的对比，研究不同时效温度对高 Cu 钢中 Cu 析出的影响。 1 试验材料和方法 试验材料在 10kg 真空感应炉冶炼，铸造后锻成钢坯，在钢坯上切取 10mm × 10mm × 20mm 的小块进行试验，试验钢的成分( 质量分数，%) : 1#钢 C0． 03，Cu 1． 04，Ni 1． 08; 2#钢 C 0． 03，Cu 2． 04，Ni2． 10。将试样进行 950 ℃ 保温 30 min 固溶处理，取出试样后水淬，然后分别置于 600 ℃、550 ℃、500℃ 、450 ℃ 、400 ℃ 的热处理炉中保温 1 h 后取出水淬。试样经线切割切取 0． 4 mm 厚薄片、砂纸磨细到0． 05 mm 厚、制成 3 圆片、在温度为 －25 ～ －30℃ 之间 6% 高氯酸酒精溶液中双喷减薄，通过 H －800 透射电镜对 Cu 析出进行观察研究; 利用 FT 半自动显微硬度计进行维氏硬度试验。 2 试验结果及讨论 2． 1 硬度测试结果 硬度分析表明( 图 1) ，两种钢的硬度曲线变化趋势很相近，都随时效温度的升高先上升后下降。2#钢在时效温度为 500 ℃时出现硬度峰值，其硬度为253 HV，当时效温度为600 ℃时硬度下降为208HV; 而对于含铜量较低的 1#钢硬度峰值对应的时效温度则为550 ℃，硬度值194 HV，当温度为600℃ 时效时硬度下降为 183 HV。可见，铜含量不同的钢出现硬度峰值温度也不同，铜含量高的钢达到硬度峰值的温度较低，铜含量低的钢达到硬度峰值温度较高，图 1 表明在相同的时效温度含铜量高的2#钢比含铜量低的 1#钢的硬度值要高。 另外，在600 ℃ 时这两种试样的硬度值降低，相互之间的差值变小。 2． 2 TEM 观察及分析讨论 两种钢不同温度等温时效后均有析出物，但析出物尺寸大小和数量不同，如图 2 所示。图 2( a) 、( b) 、( c) 、( d) 是 2#钢分别在 450 ℃、500 ℃、550 ℃和 600 ℃ 等温时效的 TEM 照片。时效温度为 450℃ 时( 图 2( a) ) 晶内有少量细小的析出物; 温度升高到 500 ℃时( 图 2( b) ) ，晶内大量的弥散细小的析出物数量增加，此时 2#钢的硬度达到峰值; 550 ℃时效时( 图 2( c) ) ，大量的析出，析出物粒子的尺寸较500 ℃的大，对位错的钉扎作用减弱，导致钢的硬度值下降，析出粒子呈过时效状态; 当时效温度为600 ℃ 时( 图 2 ( d) ) ，析出的数量较 550 ℃ 有所减少，析出粒子尺寸与 550 ℃相当。图 2( e) 、( f) 表明 1#钢 550 ℃析出数量比 500℃ 的多，与 2#钢( 图 2( b) 、( c) ) 相应温度相比，铜含量低的 1#钢析出数量要少得多，且 1#钢在 550 ℃出现硬度峰值时析出的数量要比 2#钢 500 ℃ 出现硬度峰值时析出物的数量要少得多。 在 Fe － Cu 合金中的固溶体中，溶质铜原子的分布通常是不均匀的，存在贫化区和富集区［4］，而这种 Cu 原子富集区可能是 Fe － Cu 短程有序结构，称 “有序畴”［5］。含铜钢通过固溶处理得到过饱和固溶体。在高温时，过剩的铜原子和空位都均匀分布在固溶体中，冷却时它们就会以某种形式沉淀出来。过剩空位可能偏聚形成位错圈或凝聚到位错上而引起攀移