一种测量钢铁材料中析出相溶解、析出温度的方法

摘要

一种测量钢铁材料中析出相溶解、析出温度的方法，属于金属材料检测技术领域。所采用的技术方案是利用析出、溶解过程中伴随的吸收或放出热量的变化进行析出温度、溶解温度的测量。优点在于，该方法可以准确测量析出相在升温或降温过程中溶解、析出的温度，进而对材料加工工艺的控制提供参考依据。该测量方法简便、测试的温度精度高。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料检测技术领域，特别是涉及一种测量钢铁材料中析出相溶解、 析出温度的方法。

技术背景

在钢中少量增加合金元素，通过采用合适的工艺获得超细组织，可使钢铁材料的 使用性能大幅度提高。主要微合金元素Nb，Ti，V等均通过形成碳氮化物实现细化晶粒 和沉淀强化的作用。因此，这些微合金元素的碳氮化物在钢中的析出、溶解温度的测 量是析出相控制的关键。

目前，钢中析出相的主要研究方法包括：(1)物理化学相分析法；(2)电阻测量 法；(3)电镜法；(4)机械(应力、应变测量)方法；(5)热力学模拟计算法。其中 机械法还包括：1)微蠕变法；2)间断压缩法和热扭转法；3)应力驰豫法。

物理化学相分析法是通过电解的方法将钢中析出相提取出来，然后利用XRD或者 TEM确定析出相的种类，再利用ICP直读光谱对各种元素定量，最后根据析出相的种类 确定各种析出相的质量。这种方法主要是对钢中已有析出相进行定量和定性分析，没 办法研究析出过程。更不能直接给出析出、溶解温度。

电阻测量法是利用析出过程导致样品电阻的变化进行析出相的研究。该方法理论 上可以给出析出、溶解温度，但是电阻的精确测量比较困难，尤其是在高温下，接触 电阻的影响很大。

电镜法一般是结合物理化学相分析或者萃取复型方法对钢中析出相进行定性分析 以及研究析出相的形态、分布等。也不能直接给出析出、溶解温度。

机械(应力、应变测量)方法是目前应用最广泛的方法。(1)其中微蠕变法的基 本原理是：由于蠕变速率对析出开始很敏感，对应于蠕变应变——对数时间曲线表现 为斜率明显下降并在析出完成后斜率又重新开始增大，因而可利用曲线上的平台的左 端点和右端点来确定析出开始时间(Ps)和析出结束时间(Pf)。(2)应力驰豫法，该 方法的特点是利用析出开始时，析出相颗粒对位错运动的限制，在应力——对数时间 曲线上会出现突变点，使应力随保持时间延长而下降的趋势受阻，由此可测得析出的 开始时间Ps，当析出结束时，应力——时间对数曲线恢复到无沉淀发生时的趋势，产 生第二个转折点，对应终止时间Pf。总之，机械法是利用析出过程对应力、应变的影 响来研究析出过程的方法，一般都需要对试样进行预变形。

热力学模拟计算是根据热力学经验公式推导析出相的析出、溶解温度，但是该结 果一般与真实结果有一定差距。

综上所述，没有一种能够给出无应力加载状态下析出相的析出、溶解温度的实验 测量方法。而且，现有实验方法的测试过程也都非常复杂。

发明内容

本发明提出一种新的检测钢铁材料中析出相析出、溶解温度的方法，所采用的测 试原理是利用析出、溶解过程中伴随的吸收或放出热量的变化进行析出温度、溶解温 度的测量。该方法可以准确测量钢铁材料在无外加应力状态下析出相在升温或降温过 程中溶解、析出的温度，进而为材料加工工艺的控制提供参考数据。该测量方法简便、 测试的温度精度高。

具体操作过程：

(1)取样：取预测试样品小试样，试样可以是任意形状，所测试试样质量m满足 10mg＜m＜2g。测试中保证试样可以置于量热扫描仪配备的样品坩锅内。试样表面的灰尘、 油污、氧化铁皮等杂质需要清理干净；

(2)量热扫描仪测试并绘制曲线：

第一步：确定升、降温的速率和温度。升降温速率一般可选择在1～20℃/分。

选择关注的温度范围进行测量，一般可以从30℃～1400℃。

第二步：基线测试。即：根据设定好的温度程序，在不加样品时，测量系统热 量的变化数据。可以根据需要选择测量升温、降温或升降温全过程中的热量变 化。

第三步：样品测试。即：加入样品，选择与基线测试完全相同的程序测量加入 样品后热量的变化数据。

第四部：数据处理。用样品测量的数据扣除基线测试的数据后，即获得样品真 实的热量变化数据，将数据绘成温度——热量的变化曲线，标出所有的吸、放 热过程的温度。

(3)结果分析：将上一步获得的结果进行一次微分分析，标出全部相变温度，结 合该测试材料的相图，分析确定相变温度以及析出、溶解温度。

(4)验证实验：通常，一些常见析出相的溶解、析出温度可根据测试结果以及 文献资料判断是何种析出相的溶解、析出温度。如果不能确定，尚需要进行热处理试 验，再结合透射电镜分析确定反应类型。具体做法是，先根据实验测量获得的温度， 将预测试样品加热到该温度以下5～50℃，保温30分钟以上，然后快速淬火到室温，利 用萃取复型技术将其制成透射电镜样品，观察确定热处理后样品中所有析出相的种类。 再将预测试样品加热到该温度以上1～20℃，保温30分钟以上，然后快速淬火到室温， 利用萃取复型技术将其制成透射电镜样品，观察确定热处理后样品中所有析出相的种 类。将两样品结果对比分析，确定哪种析出相消失，那么该温度就是该析出相的溶解 或析出温度。

本发明的有益效果是，可以准确给出在无外加应力状态下，钢铁材料中析出相的 析出、溶解温度，测试方法简单、测试的温度精度高。而且，多种析出相的温度可以 一次测量获得。

附图说明

图1为应用实例1的差热测量结果。

图2为应用实例1升温测量结果及其一次微分。

图3为应用实例1降温测量结果及其一次微分。

图4为700℃热处理后VC析出相的TEM分析。

图5为800℃热处理后AlN析出相的TEM分析。

图6为应用实例2的差热测量结果及其一次微分。

具体实施方式

实施例1AlN与VC析出、溶解温度的测量

(1)取样：取某加Al、V、N的钢80mg。钢种成份如下表所示：

  C   Si   Mn   P   S   Al   V   Ti   N   0.161   0.41   1.45   0.011   0.0039   0.041   0.05   0.004   0.0036

用砂纸将样品表面打磨，去除氧化铁皮，然后用酒精溶液超声清洗2分钟，等 样品干燥后待用。

(2)量热扫描仪测试并绘制曲线：

温度测量范围：30～1300℃；升、降温速率均为：10℃/分钟。测试后的温 度——热量变化曲线如图1所示。从图1中可以大概看出升温过程中748.4℃发 生一个反应。降温过程896.5℃、821℃、733℃分别有反应发生。

(3)结果分析。

图1给出的结果可以大概看到反应过程，但是由于析出相的数量有限，热 量的变化一般比较微弱，因此为了更加清楚分析整个升降温的反应过程，分别 将升温和降温曲线进行一次微分分析。结果分别如图2、图3所示。由图2可见 升温过程发生三个主要反应，分别为732～783℃、877℃、906℃。结合铁碳相 图分析可知，732～783℃发生珠光体转变成奥氏体反应、877℃发生铁素体转变 成奥氏体反应、906℃是一个与析出相有关的反应。

图3是降温的DSC曲线及其一次微分结果，结合图2结果以及铁碳相图可 知，898～895℃有一种析出相析出，826～817℃发生奥氏体向铁素体的转变， 781℃析出另一种析出相，949～724℃发生奥氏体向珠光体的转变。

根据相关资料以及钢种成份，可以推断降温过程中781℃是VC的析出温度， 898℃是AlN的析出温度。升温过程中906℃是AlN的溶解温度。

(4)验证实验：

将该钢两块相同成份的样品分别加热至700℃、800℃保温30分钟然后水 淬。再将样品制样，利用碳萃取复型技术，将钢中析出相进行透射电镜分析， 结果如图4、5所示。700℃下，样品中析出了大量的VC，其形貌及成份如图4。 而800℃下，样品中析出了大量的AlN，其形貌及成份如图5。进而证明781℃ 是VC的析出温度，898℃是AlN的析出温度，906℃是AlN的溶解温度。

实施例2TiC的析出温度测量

(1)取样：取某加Ti、N的钢18mg。钢种成份如下表所示：

  C   Si   Mn   P   S   Ti   Al   N   0.12   1.36   1.85   0.009   0.005   0.15   0.053   0.0048

用砂纸将样品表面打磨，去除氧化铁皮，然后用酒精溶液超声清洗2分钟， 等样品干燥后待用。

(2)量热扫描仪测试并绘制曲线：

温度测量范围：30～1300℃；升温速率为20℃/分钟，降温速率为：10℃/ 分钟。只测量降温段的数据。测试后的温度——热量变化曲线及其一次微分结 果如图6所示。从图6中可以看出，降温过程中分别在1118℃、903～905℃、858℃、 739℃、521℃发生明显的反应。

(3)结果分析。

根据相图判断858℃和739℃分别是奥氏体向铁素体转变反应、奥氏体向珠 光体的转变反应。根据应用实例1的测量结果，903～905℃发生AlN的析出反应， 1118℃是TiC的析出温度。