含铜高纯钢中铜的沉淀规律的研究

摘要

含铜高强低合金钢时效后具有高强度、高韧性、良好的可焊性、耐蚀性等多种优良性能，被广泛应用于汽车工业、建筑用钢材、重型工程结构、高压输送管道、桥梁、高压容器、集装箱、船舶、化工石油设备等。因而研究铜在钢中的时效强化、沉淀规律具有重要意义。 本文利用显微硬度计测定、分析了实验材料固溶态和不同时效状态下的硬度，应用金相显微镜、PHILIPS PW1700型X射线衍射仪和JEM-2010型高分辨透射电子显微镜对实验材料固溶态和不同时效状态下的组织及铜析出相结构进行观察，研究不同铜含量对高纯钢组织与硬度及析出过程的影响，以及不同时效阶段析出相颗粒的类型、形貌、结构、尺寸、分布、体积分数、沉淀机制及其与母体的取向关系等，以探求含铜高纯低碳钢时效析出规律，分析铜在钢中的析出强化机制。 研究结果表明，在同一时效温度下，不同铜含量的钢时效时，随着铜含量的增加，时效过程加快，达到峰值硬度所需时间缩短，但峰值硬度随之增加。固溶处理时，当冷却速率达到一定值时，会得到较细小的块状铁素体晶粒。不同铜含量的试样，在相同的时效温度下，显微组织没有明显变化。含铜高纯钢固溶处理后，铜以有序畴的形式存在于基体中，铜原子处于偏聚态，它对随后的时效过程起重要作用。在时效过程中，首先在铁素体晶粒中析出含铜偏聚区，铜原子偏聚在｛001｝晶面族上。在时效峰处为富铜的G.P区颗粒，呈层状的圆饼状，且富铜层与贫铜层相间分布。富铜G.P区与铁素体基体呈半共格。G.P区的富铜区内及周边存在高密度位错和层错。在过时效初期，含铜偏聚区颗粒长大，偏聚区内富铜层和贫铜层的数量增多，富铜层厚度减小，位错密度降低。时效峰处没有析出ε-Cu颗粒。经X射线衍射分析与高分辨电镜观察在550℃时效50小时处均未发现有新结构。550℃长时间时效处理或提高时效温度才能析出ε-Cu颗粒。析出过程受温度、铜含量、空位、位错等因素的影响。较高的时效温度会加速铜在钢中的扩散和析出，即650℃时效比550℃时效更容易析出富铜颗粒。 含铜高纯钢时效强化的重要原因是含铜G.P区引起的畸变、半共格界面、高密度位错与层错及其引发的应力场。