OPTON的微观世界|第21期 先进电子显微学在科学前沿与工业生产中的应用
引 言电子显微学技术作为现代科学中最重要的材料表征手段,不仅可以表征材料的微观结构与成分信息,还可以观察其表面形貌状态的细节信息,已经广泛应用在材料的研发以及工业生产过程中。在材料研发方面,我们知道材料的强度与延展性是金属材料中的关键力学性能,往往决定了材料的应用前途。而这两个性能往往也是相悖的。金属材料会因为位错密度的增加表现为强度的增加,于此同时延展性却会减弱。但是通过改进合金的组分和加工策略可以避免两种性质的对立局面。因此,如何同时获得高强度以及高的延展性是工业中亟需解决的问题。而这一切都离不开电子显微学的表征。在工业生产方面,国产材料往往在性能上与外国生产的材料有所差距,这是由于材料的结构组织的差异,通过电子显微学的观察其结构组织差异,进而改进生产工艺,提高材料的性能。由此今天小编就举两个例子,说明先进电子显微学在材料研发生产过程中的重要作用。一 、SEM在材料研发方面的应用第一个例子就是在材料研发方面,近日,北科大研究人员在国际知名期刊Science上发表论文(2017年8月24日题目为“High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels”),其研究的成果是发展了一种变形分区(D&P)策略解决材料的强度与延展性同时提高的新思路。研究人员利用轧制和低温回火过程将中锰钢成功发展为超级钢(10%锰,0.47%碳,2%铝,0.7%钒)。这其中锰和碳原子都是奥氏体稳定剂,而铝的作用是抑制了回火过程中渗碳体的析出,钒的加入则可以形成碳化物来增强对滞后断裂的抵抗性。通过引入大量的可移动位错,研究人员成功地证明了提高位错密度能够同时提高材料强度和延展性。其材料的结构组织表征用到了EBSD技术,确定了奥氏体相与马氏体相的分布状态(如图1所示),运用透射电子显微技术表征了马氏体相中的位错以及孪晶的存在。经过后续不同的热处理工艺,使得材料既具有良好的韧性也有较高的强度(见图2)。可以看出通过材料微观组织形态的调整,使得不增加材料元素种类的情况下,仅仅是通过调整结构组织的组成比例与形态,达到了较高的力学性能。由此可以看出材料的微观结构表征对材料的研发有着重要的实际意义。图1 拉伸试验以前D&P钢的微观结构 a)EBSD图像显示了奥氏体相(γ)与马氏体相(α’)的板条状分部以及取向信息,b)马氏体中的位错,c)包含有孪晶与位错的透镜状的马氏体相图2 D&P合金以及相关的高强合金的拉伸性能二、SEM在材料生产方面的应用第二个是工业生产中的限动芯棒的例子,限动芯棒是无缝钢管限动连轧机组中参与钢管轧制内变形的最重要工具,是一种高附加值的大宗消耗备件。 其工作环境极为恶劣, 需在高温下承受很大的复杂循环热应力。根据使用条件,国内外均选用H13作为芯棒材料。H13热作模具钢材以其高的淬透性、淬硬性、强韧性和热疲劳抗力在国内外得到广泛的应用。国内轧管厂以前使用的H13芯棒多为进口的,进口芯棒不但价格高,库存资金占用大,而且交货期长且不稳定,影响连轧机组的正常生产,现各公司轧管厂使用的芯棒基本实现了国产化。芯棒的一个重要指标是横向冲击性能要大于15J。国产芯棒的横向冲击值时常低于15J,而进口芯棒横向冲击值高于50J,进口芯棒是国产芯棒横向冲击值的2~4倍。为搞清楚国产芯棒横向冲击性能偏低原因,天津钢管集团股份有限公司的宁玫等人通过使用先进的电子显微学手段,能谱分析等技术,对进口和国产芯棒解剖进行对比分析,试图找出材料性能差异的结构性因素,为提高国产芯棒的冲击性能和使用寿命,进一步降低生产成本提供一定的技术支持。1、芯棒生产工艺和试验材料1.1 生产工艺进口H13芯棒生产工艺流程为:电炉冶炼(EAF)+炉外精炼(LF)+真空脱气(VD) → 模铸 → 保护气氛电渣重熔(PESR) → 高温均质化处理 → 多向锻造 → 退火处理 → 机加工 → 检验 → 调质处理 → 镀Cr处理。国产H13芯棒生产工艺流程为:碱性电炉冶炼 → 钢包炉外精炼 → 真空脱气 → 模铸八角锭 → 热送锻造 → 去应力退火 → 电渣重熔 → 退火 → 锻造成型 → 锻后球化退火 → 粗车 → 调质处理 → 镀Cr处理。球化退火后硬度要求HB≤255,调质处理后芯棒硬度要求310-360HB,各部位硬度差要求1.2 试验材料 进口和国产实心芯棒化学成分分析结果见表1。从分析结果可以看出:进口芯棒C含量偏上限,V含量偏下限,还加入了少量的Ti。国产芯棒C含量偏下限,V含量偏上限。 表1 化学分析结果 厂家进口国产C0.390.35Si0.750.95Mn0.360.34P0.0080.012S0.0010.001Ni0.180.05Cr4.895.13Mo1.21.31V0.741.04CuTi0.015<0.01