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3.5Ni低温钢夹杂物的球化机理-余文鹏-2008本科毕业论文
武汉科技大学本科毕业论文本科毕业论文题目： 3.5Ni 低温钢夹杂物的球化机理学 专 学院: 业: 号:理学院 材料物理
余文鹏 吴开明 I学生姓名: 指导教师: 日 期:武汉科
技大学本科毕业论文摘 要3.5Ni 低温钢的低温韧性是衡量其品质的一项重要性能，随着化工，能源等产业的 快速发展。大量的低温钢被用于运输，储存。调制热处理和添加抗低温脆性的合金元素 （如 Ni）都是解决这个问题的常用方法。但是在钢的冶炼过程中，某些种类的内生和外 来的夹杂物确是影响低温钢低温韧性的罪魁祸首，因此通过改善钢种夹杂物的种类和形 态来达到改善钢的低温性能是一个可靠的途径。本文就探讨在 3.5Ni 低温钢中添加某些 微合金元素（例如 Zr、Ca）使得钢中的有害夹杂形态得到有效的控制，使条状或网状的 硫化物（主要是 MnS）转变得到点状或球状夹杂,可以称作钢的球化变质处理。本文中采 取在熔炼过程中加入 Zr 粉的方法得到钢锭，经过轧制后取样做金相观察，SEM,TEM 和拉 伸样端口分析得出。在钢中总存在的一些 S、Mn 元素，并常以条状或网状分布，是钢中 应力集中的形成区，往往也是导致宏观缺陷的诱因。加入 Zr 以后，在光学显微镜下看 到夹杂物均呈点状分布，能谱扫描后，发现 MnS 在氧化锆周围以氧化锆为核心形成复合 夹杂，直径大约在 2～3μm，基本达到了理想的要求。关键词： 3.5Ni 低温钢； 低温韧性； 夹杂物； 球化II武汉科技大学本科毕业论文Abstract3.5Ni cold steel of the low-temperature toughness is a measure of the quality of an important performance, with the chemical industry, energy industry's rapid development. A lot of cold steel was used for the transport, storage. Modulation of low-temperature heat treatment and add the brittle alloying elements (such as Ni) are commonl y used to solve this problem the way. However, in the steel smelting process, certain types of health within and outside the inclusion is a low-temperature effects of low temperature toughness the culprit, by improving steel inclusion of the types and forms to achieve the improvement of the performance is a low-temperature reliable way. This article on the low temperature of the 3.5 Ni add some steel-alloy elements (such as Zr, Ca) makes steel in the form of harmful mixture of effective control, so that the strip or mesh sulfide (mainly MnS) by changing point Or spherical inclusions, can be called a steel ball of the modification. In this paper, taken in the smelting process of accession to the method Zr powder ingot, rolling through sampling done after Kim Sang observation, SEM, TEM and tensile kind of come to port. In the steel in a number of S, Mn element, and often strips or distribution network, is the steel in the formation of stress concentration, often leading to the macro-defect incentives. Join Zr, the optical microscope to see the inclusion of both point, the diameter of about 2 ~ 3 μ m, that want to meet the requirements.Key words words:3.5Ni cold steel；Low-temperature toughness； ISpheroidiza tionIII武汉科技大学本科毕业论文 目 录摘 要.................................................................... I 1 文献综述............................................................... 5 1.1 前言..............................................................5 1.2 3.5Ni 低温合金的研究现状.......................................... 5 1.3 3.5Ni 钢的非金属夹杂物与低温韧性.................................. 6 1.3.1 钢中夹杂物的来源............................................ 7 1.3.2 钢中非金属夹杂物的分类...................................... 7 1.3.3 钢中非金属夹杂物对钢的性能影响.............................. 8 1.4 非金属夹杂物的球化机理........................................ 9 1.4.1 碱土金属 Ca 的在钢中的作用.................................. 10 1.4.2 金属 Zr 在钢中的作用........................................ 10 1.5 稀土元素在钢中的应用.............................................11 1.5.1 稀土的作用................................................. 11 1.5.2 稀土元素的应用遇到的困难................................... 13 1.6 前人研究取得的主要成果...........................................15 1.7 本文的研究目的、意义和主要内容...................................16 2 实验材料与方法........................................................ 18 2.1 试验材料.........................................................18 2.2 实验设备.........................................................18 2.2.1 BUEHLER simplimet 1000 镶样机...............................18 2.2.2 BUEHLER Beta 抛光机.........................................18 2.2.3 OLYMPUS 正立式光学显微镜................................... 18 2.2.4 洛氏硬度计................................................. 18 2.2.5 真空管式电阻炉............................................. 19 2.2.6 扫描电镜................................................... 19 2.2.7 透射电镜................................................... 19 2.2.8 液压式万能材料试验机....................................... 19 2.3 实验方法.........................................................19 2.3.1 取样....................................................... 19 2.3.2 镶嵌....................................................... 20 2.3.3 磨制....................................................... 20 2.3.4 抛光....................................................... 20 2.3.5 浸蚀....................................................... 20 2.3.5 金相组织观察............................................... 21 2.3.6 扫描电镜观察............................................... 21 2.3.7 透射电镜观察............................................... 21 2.3.8 显微硬度的测定............................................. 21 3 相转变的计算模拟....................................................... 22 3.1 相组成测定.......................................................22IV武汉科技大学本科毕业论文3.2 CCT 曲线的测定................................................... 22 3.3 TTT 曲线的测定................................................... 23 4 实验结果与讨论........................................................ 24 4.1 轧态组织的金相观察与分析.........................................24 4.2 轧态夹杂物的金相观察与分析...................................... 26 4.3 3.5Ni 轧态夹杂物的 SEM 观察和分析................................. 28 4.3.1 3.5Ni 夹杂物 SEM 观察........................................28 4.3.2 3.5Ni 拉伸断口 SEM 观察与分析................................30 4.3.3 3.5Ni 夹杂物的 TEM 观察......................................33 5 结论.................................................................. 35 参考文献................................................................. 36 致谢..................................................................... 38V武汉科技大学本科毕业论文11.1文献综述前言今天，能源正成为世界战略争夺的“新贵”，对国家持续发展、社会稳定和国防建设产生直接影响。随着世界各国对石油需求的攀升，石油争夺战也日趋激烈，直接影响 着全球经济生活和地缘政治走向，甚至成为爆发战争的实质原因。为了应对世界范围的 能源危机，我国正在紧锣密鼓建立石油战略储备体系，以应对油料供应中断、规避价格 风险，也是国家能源安全战略的重要举措。 随着近年来国际市场原油价格飞速上扬，能源消耗大国纷纷考虑使用其他替代能 源，以减轻对石油的依赖，于是液化天然气（LNG）再次成为关注的焦点。除了高油价 的影响以及出于对能源使用安全因素的考虑之外，另一个促使液化天然气成为市场新宠 的原因在于它的环保因素。天然气的液化处理需要将其降至-161℃，然后利用特制的贮 存油船送往各个能源需求国，之后再将之气化还原，通过铺设好的管道网络送达用户。 随着科学技术的进步，在过去10年中，液化天然气的成本已经降低了1/4，并且还将大 幅下降。 液化气体的生产和使用，特别是石油化工和空分制氧设备的广泛应用，使低温钢的 需求日益增加。300kt／a乙烯装置中有各种低温设备58台，需要低温钢约2000t，110kt ／a尿素等中型化肥厂需要各种低温钢材(包括钢板、钢管、锻件、焊材)约1000t。随着 我国石油化工工业的迅猛发展，石油化工装置的规模在不断地扩大，乙烯装置从 300kt ／a、450kt／a、600kt／a到正在筹建中的上海赛科900kt／a；正在建设的海南化肥厂 的规模也已经到了450kt／a合成氨、800kt／a尿素。查阅相关资料，800kt／a尿素装置 有低温设备54台、低温管道近200m，450kt／a合成氨装置有低温设备17台。由此可见， 低温钢的用量是巨大的。 对于低温容器而言，所储存的介质温度越低，容器所需承受的压力就越小，因而安 全可靠性约好。对于液化天然气，需要使用9Ni低温钢；石油化工、化肥等行业的低温 装置需要在-80℃以下低温使气体液化，3.5Ni低温钢的使用量最多，年需求量在7000吨 左右。1.23.5Ni 低温合金的研究现状太原钢厂曾研制过 3.5Ni钢，但实物性能与国外产品差距很大，且性能极不稳定，未能进行批量生产， 生产难度更大的9Ni低温钢板尚未见研制报道。因而，3.5Ni钢和9Ni 钢尚未能够在我国进入工业性生产，相关工程用钢均依赖进口。 3.5％Ni钢作为-80～-l0l℃ 低温用钢60年代在国际上就开始应用于能源及石化设6武汉科技大学本科毕业论文备的制造，该钢材的焊接冷裂纹、再热裂纹敏感性较低，在正常产品制造焊接中一般不 会出现裂纹，而为正火+回火状态使用，型号为板材SA333GR.3，管材为SA333GR.3，锻 件为SA350LF3CL2。以上三种材料相当于国产3.5％Ni钢。 在国外， Ni系低温压力容器用钢中 ,这些在欧洲、美国及日本等均有标准和设备。 我国至今仍进口设备或进口钢材在国内制造。用量较大的为-100℃级的3.5 %Ni 钢。国 内也曾组织过研制,由于冶炼、轧制和热处理技术难度较高,且钢用量又较小,未研制成 功。 对于 3.5 %Ni钢 锻 件， 从20 世纪末开始， 国内少数企业已能按照ASME标准生产出-100 ℃级 3.5%Ni的锻件。2005 年全国锅炉压力容器标准化技术委员会准备在这些厂家生产 的3.5%Ni钢锻件产品基础上,制定出我国的-100℃级3.5%Ni锻件标准, 并已召开征求意 见会,初步确定了国内-100℃级3.5 %Ni钢锻件标准的主要技术条件,见表1.1[29]。 表1.1 国内外3.5%Ni钢锻件的主要技术条件 钢 号 C 08Ni3MoD (暂定) ASME ≤ ≤ ≤ ≤ P 化学成分（%） S ≤ ≤ Ni Mo 抗拉强度 （MPa） 冲击试验 试验温 度(℃) 3.30～ 0.07～ 450～600 0.15 485～ 655 101 0.12 3.3 ～ ≤ 100 0.10 0.015 0.010 3.70 AKV (J) ≥ 27 ≥ 20SA350GLF3 0.20 0.035 0.040 3.7可见我国3.5%Ni钢锻件标准中的C、P、S 等杂质含量和低温冲击值要求明显高于美 国同类产品的标准水平。 随着国民经济的快速发展 ,应在-100～-196℃低温范围,对3.5%～9%Ni钢及其压力 容器制造方面投入较大的力量 ,开展研究工作 [2],以完善我国低温压力容器用钢及其承 压设备体系的设计制造能力。1.33.5Ni 钢的非金属夹杂物与低温韧性对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩 展的能力是最重要的因素。所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。 在低温钢成分中，一般认为，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危 害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。锰、镍等元素能使低温韧性提高。每增加 1％ 的镍含量，脆性临界转变温度约可降低2O℃左右。但是,Ni的价格昂贵，同时Ni含量的 增加也使得钢材的某些性能（如焊接性能，表面质量等）变差。 室温下，钢中非金属氧化物对钢的强度影响不大，但其含量及形态对钢的韧性 (如 断面收缩率和冲击韧性等)却有很大影响。有的文献 [3]已报道过提高钢中总氧含量会降7武汉科技大学本科毕业论文低钢的冲击韧性。对大多数钢种来说，硫含量增加会降低钢的性能。硫化物形态对钢的 性能影响也很大，在热加工温度下，MnS夹杂物很容易被延展成长条状，从而造成钢韧 性的各向异性，导致3.5Ni钢的低温韧性受到很到的限制，而各向异性程度又受钢中硫 化物含量及硫化物塑性性能的影响。因此,在保证足够低温韧性的前提下，尽可能的降 低钢中非金属夹杂物的含量，或是使得夹杂物的量级达到适合的范围，成为提高Ni钢低 温韧性的一个很好的解决方案，其中降低钢水硫含量和抑制硫化夹杂物在钢中呈板条状 分布是最直接的手段。 降低钢中非金属夹杂物的含量一般采取两种途径：一是优化冶炼工艺，增加冶炼过 程中的钢液清洁度，二是加入一定量的添加剂使其与钢中的S、N等元素结合以炉渣的形 式得以早期排除钢液，避免污染钢液。但随着现代冶炼、轧制和热处理工艺及设备的发 展限制，钢中的夹杂物含量并不能达到尽如人意的地步。因此，采取特定的元素使钢中 的夹杂物改性以达到降低其有害影响从而增强钢的低温韧性成为一种性价比很好的选 择。本项目中就是研究利用Ca、Zr元素对3.5Ni钢中的非金属夹杂物进行球化处理从而 达到减低板条状夹杂物对钢低温韧性的有害影响。 1.3.1钢中夹杂物的来源钢在冶炼过程中， 脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物， 若在钢液凝固前未浮出 ， 将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降 低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属 在熔炼过程中，各种物理化学反应形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较 小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但 一般来说是不可避免的。 钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁 剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过 程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作 用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的特征是外形 不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是 可以避免的。 1.3.2钢中非金属夹杂物的分类现今，关于钢中非金属夹杂物形态的分类，尚无确定的称谓。比较统一的分类是将 钢中的夹杂物依照硫化物形态分为3类：铁锰氧化物和球状硫化物属I类；链状分布的硫 化物属Ⅱ类；A12O3 ，棱角状硫化物和形状不规则的氧硫化物属Ⅲ类[3]。此外还可以按夹 杂 物 的 来 源分为 ： （1）内 生夹 杂 物， （2）外来夹杂物。按化学组成可以分为： （1）氧化 物系夹杂物，如简单氧化物有FeO，Fe2 03，MnO，Si02，A1203，MgO和Cu2O等。硅酸盐夹8武汉科技大学本科毕业论文杂也属于复杂氧化物夹杂，这类夹杂物有2FeOSiO2 (铁硅酸盐)、2MnOSiO2 (锰硅酸盐) 和CaOSiO2(钙硅酸盐)等。这类夹杂物在钢的凝固过程中，由于冷却速度较快，某些 液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃态的形式保存于钢中。(2)硫化物系夹 杂物，主要是FeS，MnS和CaS等。由于低熔点的FeS易形成热脆，所以一般均要求钢中要 含有一定量的锰，使硫与锰形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂 主要是MnS。钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类： (a) 形态为球形，这种夹杂物通常 出现在用硅铁脱氧或脱氧不完全的钢中；(b)在光学显微镜下观察呈链状的极细的针状 夹杂；(c)较大的元素时形成AlN，TiN，ZrN和VN等氮化物。在出钢和浇铸过程中钢液与 空气接触，氮化物的数量显著增加。钢中夹杂物的分类如图1.1所示[3]。图1.1 钢中夹杂物的分类 按夹杂物的塑性变形能力可分为：(1)脆性夹杂物热加工时该类夹杂物形状和尺寸 都不变化， 但可能沿加工方向成串排列或呈点链状， 属于这类夹杂物的有 Al2 O3 和 Cr2O3 。 (2)塑性夹杂物热变形时该类夹杂物具有良好范性，沿变形方向延伸成条带状。属于这 类的有硫化物及 SiO2 含量较低(40%～6O%)的铁锰硅酸盐。(3)球状不变性夹杂物铸态呈 球状，热加工后保持球状不变，如 SiO2 及含 SiO2 较高(&70% )的硅酸盐等。(4)半塑性 夹杂物指各种复相的铝硅酸盐夹杂。1.3.3钢中非金属夹杂物对钢的性能影响金属材料断裂力学的研究与应用表明，非金属夹杂物在钢破坏过程中起主导作用， 靠近夹杂物处的位错高度集中，产生集中应力而形成显微裂纹及导致金属破坏。裂纹的 形成与发展，在很大程度上取决于夹杂物的形态、数量与分布特点。棱角状夹杂物特别 有害，最易造成应力集中。此外，由裂纹产生的随机过程来看，夹杂物的数量愈多、裂 纹发生最早、传播愈快，这样非金属夹杂物的数量、形态尺寸和分布特点对铸钢的性能 有着显著地影响。长期以来，铝作为炼钢的脱氧剂，其脱氧能力和细化晶粒的作用已被9武汉科技大学本科毕业论文人们所共识，但铝在炼钢时存在利用率低、成本高、脱氧产物为细小、难熔的Al203 聚集 夹杂，不易上浮排出，在浇铸时易造成水口结瘤，同时该夹杂在轧制过程中变形为长条 状的Al203 ，严重影响钢材的质量。 硫化物夹杂组成对产品性能也有明显影响，硫化锰夹杂在轧制时很容易变形，硫化 钙较硬、 实际上在轧制中不变形。 各种硫化物对性能的影响有产生氢诱发裂纹的可能性 。 因为氢很容易被拉长的NnS夹杂诱捕，而使其减轻对氢诱发裂纹的抵抗力。钢的焊接性、 可加工性、机械性等还受钢中夹杂物的类型和数量的影响。 随着现代工程技术的发展，对钢的综合性能要求也日趋严格，相应地对钢的材质要 求也越来越高。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏了钢基体的连续性，加大了 钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。例如，非金属夹杂物导致应力集中， 引起疲劳断裂；数量多且分布不均匀的夹杂物会明显降低钢的塑性、韧性、焊接性以及 耐腐蚀性；钢中呈网状存在的硫化物会造成热脆性。因此，夹杂物的数量和分布被认定 是评定钢材质量的一个重要指标，并且被列为优质钢和高级优质钢出厂的常规检测项目 之一。非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量不同，对钢 性能的影响也不同。 所以提高金属材料的质量，生产出洁净钢，或控制非金属夹杂物性质和要求的形态，是 冶炼和铸锭过程中的一个艰巨任务。1.4非金属夹杂物的球化机理钢球化变质处理技术，就是采用夹杂物球化变质剂对钢液进行球化变质处理。这是提高铸钢冶金质量的一种新方法。钢球化变质处理技术[10]，实质上是一种钢包处理技 术。与许多炉外精练技术一样，是将钢的脱氧、脱硫，夹杂物形态的控制与合理化合为 一体，在钢包内进行并完成。“球化”是指非金属夹杂物的球化，“变质”主要是指强 化金属基体，细化组织，减少气体和硫等有害杂质的含量，改善铸造性能等。因此，铸 钢球化变质处理的核心问题是非金属类夹杂物的球化，类似于球墨铸铁的球化原理。经 球化变质处理的铸钢，亦可称之为“球化铸钢”，不同之处是球墨铸铁是通过球化处理 获得球状石墨，而这里的球化则是通过球化处理而获得球状夹杂物。可以起到球化作用 的元素有以下几种： (1)钙 钙在钢中可优先于锰与硫结合形成硫化钙，硫化锰和硫化钙在 l170℃以上完全互 溶。硫化锰中溶解的钙量愈高愈近球状，并为无规则分布。 (2)碲 碲稍固溶于硫化锰中，同时碲化锰和硫化锰常呈共晶生长在一起。固溶碲后的硫化 锰和硫化锰一碲化锰两相夹杂物，都呈球状。 (3)镁 镁也有球化硫化物的效果。但是它不便加入钢中，故尚未在工业生产中得到实际应10武汉科技大学本科毕业论文用。 (4)稀土 稀土元素与硫的亲和力比锰更强，可以取代锰形成RES,同时稀土元素在硫化锰中的 固溶度甚高，RES和固溶稀土的硫化锰多成为球状。 上述镁、稀土、钙、碲四种元素在基体铁中的固溶度都非常低。这些元素能使硫化 物球化的原因可能是这些元素的硫化物(形成硫化物或者固溶于硫化锰 )对钢基体的润 湿性低，界面能高，接触角大，故成球状。1.4.1 碱土金属Ca的在钢中的作用钙对Al2 03夹杂具有很强的变性能力，当钢中残铝为O.O1%左右时，只用少量钙就可 将Al203 夹杂变性。从夹杂物变性规律而言，随着Ca的增加，有利于生成液态夹杂，而Ca 量不变时，为使铝脱氧夹杂Al2 03，能够生成液态夹杂充分上浮，可采用降低钢中铝含量 和增加钙含量两个途径，也就从理论上解释了实际生产中对生产钙洁净钢中铝含量要求 较严的原因。 另外，钙处理被广泛用于控制钢中氧化物和硫化物夹杂的形态和组成。添加钙与固 态三氧化二铝夹杂反应产生Ca―Al低熔点化合物，一些钙还可以与硫反应生成硫化物或 硫化钙锰夹杂。所形成的液态钙铝硅酸盐呈完整的球状，而固态的钙铝硅酸盐和富钙的 铝酸盐则成不完整的球状球化变质处理结束后，由于钢液中氧量已显著降低，此时，钢 液中的钙(Ca)与硫发生脱硫反应生成CaS，并溶于钢中。包内球化变质处理时所形成的 一次脱氧产物(Al203 、复合氧化物)大部分均能排出钢液，而不至于形成有害夹杂。 采用钙处理方法对钢中MnS夹杂物和A12 O3夹杂物进行改性的原理是通过增加钢中有 效钙含量。一方面使大颗粒A12 O3夹杂物改性成低熔点复合夹杂物，促进夹杂物上浮，净 化钢水。另一方面，在钢水凝固过程中提前形成的高熔点CaS质点，可以抑制钢水在此 过程中生成MnS的总量和聚集程度，并把 MnS部分或全部改性成CaS，即形成细小、单一 的CaS相或CaS与MnS的复合相。在钢水硫含量降低到一定程度时，通过钙处理可抑制钢 水凝固过程中形成MnS的总量，并把钢水在凝固过程中产生的MnS转变成MnS与CaS或铝酸 钙相结合的复合相。由于减少了硫化锰夹杂物的生成数量，并在残余硫化锰夹杂物基体 中复合了细小的(10m左右)、不易变形的CaS或铝酸钙颗粒，使钢材在加工变形过程中 原本容易形成长宽比很大的条带状MnS夹杂物变成长宽比较小且相对弥散分布的夹物， 从而提高了钢材性能的均匀性。在通常的轧制温度下，CaS相的硬度约为钢材基体硬度 的2倍-5倍，而且CaS相的硬度比MnS相的高，因而热轧时单一组分的CaS相保持球形，可 改善钢材的横向冲击韧性。同时，当CaS或铝酸钙对变形MnS夹杂物“滚碾”或“碾断” 时，细小的CaS或铝酸钙离散相可作为原条带状MnS夹杂物发生“断点”的的诱发因素 。 此时，塑性好的MnS相既可以对可能出现的尖角形CaS或铝酸钙离散相(“脆断”后的形 貌)起到表面润滑作用，减轻对钢材基体的划伤，又可以促使易聚集夹杂物(MnS)弥散分11武汉科技大学本科毕业论文布。 当然，Ca对钢的冶炼也有不利的一面，在处理浇注钙处理钢时，高的钙含量可以引 发耐火材料侵蚀。例如，在钢包滑动水口和中问包挡墙，研究认为钢中溶解钙与铝质耐 火材料接触很容易发生反应。1.4.2 金属Zr 在钢中的作用锆是一个强氧化物、 强氮化物形成元素， 其化合物不仅熔点高(如ZrO熔点为2677℃， ZrN 熔点为3255℃)，硬度也高，在钢中可以抑制奥氏体晶粒长。低(超低)碳贝氏体钢具 有高强、高韧同时又具有良好焊接性能，其组织主要是不同类型的贝氏体，以及少量针 状或形状不规则的铁素体、 马氏体。本文利用透射电镜、电子探针等设备分析研究含锆 、 钛等元素的低(超低)碳贝氏体钢中夹杂物形成过程及形貌、尺寸和分布等，对控制钢板 组织及综合性能均有指导意义。 文献研究表明[2]，含锆钢中小于3m小颗粒夹杂物颗数较多，约占夹杂物总数的7O% 左右，组成也复杂，既有单独的ZrO、TiN 等夹杂或析出相，也有多种元素复合型，其 中单一的锆氧化夹杂物，通过电子衍射分析可知锆的氧化物为单斜结构的ZrO。复合的 锆夹杂物， 对这种复合夹杂进行暗场像分析[2]， 可观察到梨形ZrO的直径仅为200nm左右 ， 这种ZrO 具有立方晶格。夹杂物颗粒内部并不完整，这种包裹形夹杂物直径约为 700nm。 在钢中直径大于5m复合夹杂物，一般ZrO可作为夹杂物的核心，TiO 、A12O3 等以ZrO 为 非均质形核核心析出并长大。直径小于3m夹杂物从组分上可以分成二类：单一的Zr0 或 TiN 简单夹杂物、含锆复合夹杂物，其中这种直径小于3m小颗粒复合夹杂物核心也是 Zr O。 Zr 在钢中也存在不利影响。合金中所含夹杂物形态结构复杂，冶炼工艺不当时，夹 杂数量就会增多，且严重影响其后的热加工及机械加工性能。文献分析认为：合金中夹 杂物的形成因素大体归为两个方面：一是由于氧化造成，二是某些元素与炉衬等耐火材 料直接作用的结果。由于锆元素熔点高，所形成的氧化物分解压比较小，遇到炉料水分 或炉内真空不良时。极易产生氧化物ZrO夹杂。此外，这种元素的化学活性较强，当它 以纯金属作为添加剂时，它们与耐火材料的反应更加剧烈，从而产生杂质。1.5 稀土元素在钢中的应用1.5.1 稀土的作用我国是世界稀土资源和产量第一的稀土大国，又是钢产量第一的钢铁大国，但不是 钢铁强国，品种质量与国外先进水平相比还有相当大的差距，仍有不少钢材需要进口。 用稀土这个高技术材料来强化和提升钢铁传统产业，在低合金钢、合金钢中加入微量稀 土，提高钢质增强国际竞争力，把稀土的资源优势转化为钢材的品种优势和经济优势， 具有十分重大的意义。12武汉科技大学本科毕业论文通常，钢中总含有一定量锰，锰是与硫亲台力强的元素，钢中除含钛一类与硫亲和 力比锰更强的元素以外，钢中的硫常以硫化锰形式存在。所以，讨论非金属夹杂物的球 化还不如说时讨论硫化物的球化更确切，具体地说就是讨论硫化锰夹杂的球化。稀土元 素与硫的亲和力比锰更强，可以取代锰形成RES。同时，稀土元素在硫化锰中的固溶度 甚高， RES和固溶稀土的硫化锰多成为球状。另外，稀土与氢的亲和力很强，形成REH等。 由此，在钢液中加稀土，可吸收部分氢，因而可降低凝固过程中因析出的氢而造成的针 孔。加入0.2wt%RE，可使针孔率明显下降。 稀土在钢中应用有三大作用：（1）净化钢液。稀土具有脱氧、脱硫作用，减少并细 化 钢 中 夹 杂物。 （2）变质夹杂。稀土加入钢中生成球状稀土硫化物或硫氧化物，取代长 条状硫化锰夹杂，使硫化物形态得到完全控制，提高钢的韧塑性特别是横向冲击韧性， 改善钢材的各向异性。稀土使高硬度的氧化铝夹杂转变成球状硫氧化物及铝酸稀土，显 著地提高钢的抗疲劳性能。 （3）微合金化。稀土在钢中有一定的固溶量，它在晶界的偏 聚能抑制磷硫及低熔点杂质铅、锡、砷、锑、铋在晶界的偏析或与这些杂质形成熔点较 高的化合物，消除低熔点杂质的有害作用；稀土净化和强化晶界，阻碍晶间裂纹的形成 和扩展，有利于改善塑性尤其是高温塑性；稀土能抑制动态再结晶、细化晶粒和沉淀相 尺寸并促进铁素体中Nb(C、N)， Nb、Ti） C、N）和V（C、N）的析出；溶解的稀土可 （ （ 改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布。 稀土既是优良的变质剂，也是一种强效微合金元素。稀土具有捕氢性，能使钢的氢 致延迟断裂性能得以改善；稀土可提高耐候钢、不锈钢的抗腐蚀性能，耐热钢的抗氧化 性能和高温强度，弹簧钢、齿轮钢和轴承钢的抗疲劳性能，难变形高合金钢的热塑性， 钢轨及耐磨材料的耐磨性等。钢中加入稀土后，一般能使钢板、无缝钢管的横向冲击韧 性提高50%以上，耐腐蚀性能提高60%，同时提高其他性能。每吨钢加稀土300克左 右 ， 但作用十分显著，真可谓四两拨千斤。对钢进行稀土处理，具有投资少、无污染、见效 快、经济效益高的特点。 北京钢铁研究总院与武汉钢铁公司共同做的几种钢的盐雾腐蚀对比试验结果表明， 稀土耐候钢的耐腐蚀性能是普通钢 (Q235)的近 2倍，超过了国际名牌耐候钢美国 的 Corten钢的水平。 中科院沈阳金属研究所研制了一种水电站水轮机 [28]、水泵用加稀土的不锈钢，抗 磨损性能比目前国内外使用最多的10Cr13Ni4Mo钢提高近1倍。该所做了大量对比试验， 这种不锈钢加适量稀土(0.3%)比不加稀土的性能大幅度提高，稀土对合金抗腐蚀、抗磨 损和抗磨蚀性能分别比不加稀土的合金提高57%、55%、83%。 武钢和东北大学测试了X65和加稀土的X65管线钢在不同硫含量时的冲击韧性，结果 表明，即使钢中硫含量降到0.005%，加稀土仍然能大幅度地提高钢的冲击值。 北京科技大学和武钢合作，研究了超低硫钢中稀土元素的作用，结论是，稀土在超13武汉科技大学本科毕业论文低硫（S&0.003%）铌钛微合金钢中仍然有净化钢质、变质夹杂和微合金化作用，稀土固 溶量可达到10-5～10-4数量级， 是一般硫含量钢稀土固溶量的6～10倍， 显著减少晶界S、 P的偏聚，推迟铌钛氮化物析出。 北京钢铁研究总院研究了稀土对航空用高强高韧性 16Ni10Co14Cr2Mo钢性能的影 响，该钢虽然是超低硫(0.002%～0.005%)，但添加镧和铈混合稀土后，仍使MnS、CrS夹 杂物转变为稀土硫氧化物夹杂，从而提高了钢的断裂韧性稀土在合金钢、特殊合金中作 用显著。 例如，东南大学材料系张忠铧等人研究了铈对高温合金Fe-28Al性能的影响， 在二元Fe-28Al合金中加入0.15%（原子分数）的Ce可以使合金的室温塑性提高近 1倍 ， 而且合金的屈服强度和抗拉强度也得到明显提高。1.5.2稀土元素的应用遇到的困难稀土处理钢也有缺点：(1)稀土在生产和应用的过程中，容易产生放射性粉尘，产 生的放射性危害不容忽视。(2)稀土处理钢浇注时水口易结瘤，用强脱氧剂如A1、Zr 脱 氧时，也常出现水口结瘤问题。目前是采用在连铸结晶器喂稀土丝，绕开水口的方法来 解决这个问题。 用熔融石英水口和锆质水口， 对防止含稀土钢水口的结瘤具有较好效果。 (3)稀土夹杂物比重大，一般在5.5～6.5之间，不易上浮，特别是当稀土加入量过量时， 会增加钢中的夹杂，特别是大尺寸夹杂，甚至产生脆性的稀土与铁的金属间化合物恶化 钢的性能。(4)稀土金属的价格较贵。稀土金属丝和棒的价格是9～9.8万元/吨，比硅钙 合金贵，这影响了稀土钢的扩大推广。 稀土元素在地壳中平均含量为0.01%，已知的矿物有250种以上，但只有50～60种可 以认为是稀土元素的独立矿物，其中稀土含量在5%～8%以上，绝大部分稀土矿物中均含 有一定数量的钍和铀 [22]。铀、钍、稀土的生产皆产生大量放射性废物，在磨矿工序中 会产生粉尘，在浸出，固液分离、萃取、沉淀等工序会产生一些废液和废渣。另外在操 作车间还可能产生一定量的气溶胶于空气中这些废物都会放出α、β、γ射线，影响人 的身体健康，所以稀土在冶炼生产中产生的放射性污染是不可忽视的，其污染物大致可 由三条途径危害人们的身体缝康：(1)γ射线穿透能力很强，可以穿过人的衣服，损伤 人的机体；(2)呼吸污染空气，脏粉尘等污染物呼吸进入人的肺内辐射肺组织；(3)通过 食物及人体的皮肤污染进入人体形成内照射。铀、钍、稀土的生产工艺属于湿法冶金过 程，其中的溶解、浸出、净化、过滤、萃取、离子交换、沉淀等工序都会产生一些放射 性废液。这种废液有操作过程中跑冒满漏水，也有过程本身固有产出的废液。在湿法工 艺中，采用酸法浸出时，每处理1吨矿石遥常可产4立方米废液，当用碱法浸出时，每处 理1吨矿石，约产生1.2立方米废液。一般而言，铀、钍、稀土冶炼厂在冶炼、精制、加 工等过程中产生的含有铀、钍、的废水，不像反应堆后处理产出的冷却水对人身危害性 那么大，但是其量较大， 如果长期的不给予及时处理，对环境的污始也是严重的。这 一类废水按其放射性强度劳类属于低放射性水(To)及中放射性强度废水(Tz)，其比放在14武汉科技大学本科毕业论文10-5至10-9 居里／升的范围，对这种废水要经过治理才能排放。对铀、钍、稀土冶炼厂 的工人实地调查研究表明，放射性废渣、废水及废气的危害作用，主要表现在:(1)作业 人员各种亚性肿瘤死亡病例增加，特别是白血病死亡数明显增加的死亡者均与γ射线的 外照射有关。(2)作业人员血液中的染色体畸变率高于一般工业的工人，采矿工人高于 维修工人， 而且畸变率随工龄增长而增加，这都可以理解为由Y射线外照射所造成。(3) 作业人 员常见 的 职业 损 伤为呼 吸道疾病和皮肤病 ，其患 病率分 别在 l1.1%～ 47%和 23.9%～58.2%,长期外周血象观察到，血小板和血红蛋白有下降的趋势，而且维持在正 常值的下限水平。近代医学证明，小剂量的电离辐射对人体会引起致癌，遗传效应及血 液某些指标的改变[26]。 稀土钢浇注水口结瘤是困扰炼钢生产的一个老大难问题。原来一直采用加大水口和 限制稀土加入量、采用高温出钢等方法生产稀土钢，不但水口“结瘤” 问题始终未解 决，而且由于钢中稀土含量低，钢的冲压性能和表面质量问题用户异议较多。某厂一度 曾生产12MnREI钢l4炉，因水口“结瘸”浇短锭的事故就有3炉，损失钢4464.1t， 事故 率高达21.4％[15]。由于生产难度大， 没人愿意炼，有失去用户的危机。随着我国汽车 工韭的加速发展，稀土钢市场具有广阔的前景。因此，研究和解决稀土钢水口“结瘤” 问题，同时改善使用性能，有很重要的意义。稀土钢浇注过程中经常出现钢流越来越小 的现象。有时一炉钢需要多次吹O2引流才能铸成锭。有时钢流小了又突然变大。有时用 吹O2管吹一下水口又通了，严重的时候多次吹O2 引流也很难铸成锭，造成浇短尺锭的事 故。浇完钢后检查水口，发现下水口和滑板砖孔很少“结瘤”，上水口越往上至包底窝 子处孔径越狭小。另外，稀土在钢包中的加入方法对水口“结瘤”也有一定影响。有的 是出钢前加入包底或一开始出钢就加，有的是出钢1/3或1／2才开始加入。经验证明， 出钢1／3左右即快速加入，同时加大钢流，使稀土混冲均匀，水口 “结瘤 好得多。加 入过早或太晚，可能造成稀士或其氧化物沉积或混冲不均匀。特别是钢包烘烤不好，出 钢口小或出钢槽烂等都会造成先加入的稀土在包底沉积或混冲不均匀钢液脱氧不良，加 人的稀土氧化过多，是造成浇注时水口“结瘤”的主要原因 ,这是无可非议的。但是， 稀土氧化物如何堵塞水口值得研究[16]。由于水口处注流吸力的作用， 钢液中悬浮的稀 土氧化物不断向水口聚集， 在水口窝子处粘附沉积下来。如钢液脱氧不良， 稀土氧化 越多， 容易在水口窝子附近聚集成稀土氧化物团。有时它们互相架接或直接被吸人水 口 的“咽喉”内。在钢包内钢液的高压下直接随钢液被冲落下来，形成短暂的哽塞现象 。 因此，有时钢流小，有时又自动突然变大。当钢液的压力不足以冲掉氧化物团时， 有 时也能用吹 O2管吹一下水口就通了，有时也必须吹 O2才能通。当然象这样浇成的钢锭， 表面和皮下存在稀土氧化物夹杂，影响钢材的表面质量和冲压性能。另外，吹氧引流更 加速了钢中稀土的氧化，越吹越堵。因此要不停的吹，严重时吹了七、八根吹氧管，注 流越来越小，最后断流，浇不成锭。综上所述，当钢液流经中间包水口时，水口壁面处15武汉科技大学本科毕业论文的钢液流速趋近于零，因而钢液与水口耐火材料之间有充分的反应时间。钢液中的稀土 元素及稀土氧化物与水口耐火材料发生反应，生成复合稀土铝酸盐，导致水口表面粗糙 度增加，起衬底作用。由于同类稀土铝酸盐粒子之间的界面能较小，故可以满足。再加 上钢液中所携带的高熔点稀土夹杂物在边界层中流速很小，因而极易粘附、烧结在稀土 化合物的衬底上。随后钢中稀土夹杂物继续粘附和烧结在水口内壁夹杂物，水口结瘤现 场产生。水口结瘤造成钢流逐渐变细，浇注温度不断下降，最终导致钢液在水口处凝结 堵死[18]。 在相关文献中提到 [12]，在添加稀土的微合金钢中的夹杂形式主要是钙氧化物和少 量灰色的铝氧物， 作为稀土夹杂物的形核质点， 由于稀土的活性使其任边界处连为一体 。 部分稀土已融人夹杂物的中部，可以推断为夹杂物的接触部位，由此可以推断此区域的 形成机制为：最终形成的晶核不断吸附周围的杂质元素和稀土元素后仍具有一定的活 性，晶核之间仍可以互相吸附，有长成更大尺寸夹杂物的趋势，即独立形核的夹杂物进 行了合并，稀土夹杂物都属于此种类型大尺寸夹杂物。由上述分析可得出，该稀土夹杂 物以高熔点氧、硫化物为核心独立形核长大，以较高的活性相结合，最后合并成一个大 的夹杂物。正是由于此形核机理造成了钢中夹杂物尺寸超标。其形核过程如下：稀土夹 杂物以熔点较高的氧、硫化物首先从溶液中析出作为一个形核质点。由于稀土的活性很 大，会有部分稀土吸附在这个硬质核心上，由于化学位梯度的存在，导致原子扩散。晶 核与其周围就存在的稀土浓度差进一步加强了稀土元素的扩散，杂质元素表面的活性依 然很强，继续吸附钢液中其他的杂质元素，形成稀土的氧硫化物，促进了这些元素在形 核质点上的聚集 [27]。夹杂物的尺寸与稀土元素的聚集量有关，稀土元素越多，吸附的 其他杂质元素就多，稀土元素少，吸附的其他元素也就越少。因此如何控制这些元素的 偏聚，避免此核过分地长大，主要是控制稀土元素的加入量及加人方式，使杂质元素不 过分集中在一个晶核上。应该采取措施促使多处形核，弥散分布，使其不能聚集长大， 就能起到均匀夹杂物控制其尺寸不超标 [12]。综上所述，稀土夹杂物首先以钢液中析出 的高熔点钙、铝等氧硫化合物为核心形核长大，由于稀土元素所特有的较高的表面活性 作用，使独立形核长大的小尺寸稀土夹杂物在钢液中合并成大尺寸夹杂物，造成夹杂物 尺寸超标，影响钢材的质量。稀土夹杂物对钢具有双重作用，稀土可以改善夹杂物的形 状和分布，使硫氧等有害元素聚集，形成夹杂物浮出钢液或留在钢中，净化钢的基体和 晶界。但同时又使夹杂物的数量增多，尺寸增大，可能对钢材产生不利的影响。1.6前人研究取得的主要成果在低温钢的研制开发这方面，在我国只有标准规定的设计温度大于等于-70℃的低温用材料，当设计温度低于 -70℃时就必须选用价格较贵的国外材料或不锈钢材料了。 到目前为止，我国的低温钢材料没有形成一个完整的体系，而且在品种、规格尺寸、某 些技术条件以及供货时间和经济性要求等方面还不能满足使用要求，以致需要大量从国16武汉科技大学本科毕业论文外进口低温钢。 在对钢中夹杂物处理方面，降低钢水硫含量 [6]是抑制硫化物夹杂危害最直接的手 段。“渣洗”是指利用转炉出钢过程中高温钢水强大的冲击搅拌动能形成高碱度、低熔 点脱硫熔渣对钢水产生“渣洗”效果，在成本增加不多的前提下，把成品钢的硫含量稳 定地控制在0．015%以下。此外，利用“渣洗”过程中液态高碱度脱硫熔渣与钢水的密 度差，促使其在与钢水充分接触的同时，不断从钢水内部不同层面上浮析出(“倒沉淀” 过程)，形成对脱氧、脱硫钢水的“过滤”效果，捕捉产生的脱氧及脱硫产物，为后续 钢水的钙处理创造条件，促进钢中夹杂物改性，达到净化钢水的目的。 另外也有文章中提到在钢包精炼时用Ca去除如FeO[30]等氧化物，就不需用昂贵的脱 氧剂或与氧亲合力较强的合金。并且处理后夹杂的数量明显减少。 球化变质是非金属夹杂物处理的一种手段，“球化”[10]是指非金属夹杂物的球化， “变质”主要是指强化金属基体，细化组织，减少气体和硫等有害杂质的含量，改善综 合性能等。因此，钢球化变质处理的核心问题是非金属类夹杂物的球化，类似于球墨铸 铁的球化原理。加入球化剂如Ca、Zr等后，随着出钢过程的进行和钢液的搅动，钢液中 残留Si、Al和Ca、Zr等元素的分布趋于均匀化。与此同时，已经形成的各类氧化物在其 上浮过程中和钢液搅动的作用下，相遇并形成不同类型和熔点的复合氧化物。所形成的 液态钙铝硅酸盐呈完整的球状，而固态的钙铝硅酸盐和富钙的铝酸盐则成不完整的球 状。ZrO 则成了有害夹杂物（网状或链状的硫化物，以及大角度氧化物）的形成核心， 有利于形成点状夹杂。1.7本文的研究目的、意义和主要内容随着科学技术的不断发展及石油化工装置的大型化和规模化，低温钢的用量将不断增加，其中孕育着无限商机。目前国外已建立了完善的低温钢体系，低温钢品种繁多， 质量优良，而国产低温钢尚未形成体系，而且品种也较少，国内大部分低温钢市场被国 外所垄断。 而石油化工、 化肥等行业的低温装置需要在-80℃以下低温使气体液化， 3.5Ni 低温钢的使用量最多，年需求量在 7000 吨左右。 2O世纪3O年代以来，国际上需要用到低温钢的行业对低温钢的要求越来越高。尤其 是对钢的低温韧性和在低温条件下的抗冲击性能有着日益增长的要求。分析表明，金属 或合金在低于某个临界温度的条件下，韧性急剧降低，性质变脆。这个温度(实际上是 一个温度范围 )叫做脆性临界转变温度。随着科学技术的发展，为了适应低温的要求， 人们研制了各种低温钢。钢的低温机械性能与它的晶体结构有很大关系，几乎所有钢种 的强度、硬度和弹性模量都随着温度的降低而提高。而大部分钢的塑性和韧性却随温度 的降低有不同程度的降低。所以提高钢材特别是应用于低温环境下的低温钢的低温韧性 显得特别的重要 对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好17武汉科技大学本科毕业论文的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩 展的能力是最重要的因素。所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。 在低温钢成分中，一般认为，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危 害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。锰、镍等元素能使低温韧性提高。每增加 1％ 的镍含量，脆性临界转变温度约可降低2O℃左右。热处理工艺对低温钢的金相组织和晶 粒度有决定性影响，从而也影响钢的低温韧性。经过调质处理后的低温韧性有明显的提 高。通过改善钢中夹杂物的分布和形态也是降低低温钢冷脆性的一项重要的措施。 本文着重讨论通过对钢中非金属夹杂物的球化处理，对夹杂物的分布和形态进行改 善以促进 3.5Ni 低温钢低温韧性的提高。18武汉科技大学本科毕业论文22.1实验材料与方法试验材料试验材料为 3.5Ni 低温钢，其状态为正火 830℃+回火 630℃态，板厚为 48mm，其化学成分如表 2.1(质量分数，％)。 表 2.1 C Si Mn 3.5Ni 低温钢的主要化学成分 P S Ni Als Nb0.04 0.26 0.66 0.009 0.005 3.53 0.034 0.0222.22.2.1实验设备BUEHLER simplimet 1000 镶样机镶样是为了保护易损坏或是有涂层的材料。本实验用的 BUEHLER simplimet 1000 镶样机为全自动操作，只需设置好参数，整个工作过程机器全自动完成。可根据需要配 置不同的镶样材料，如：普通硬度镶样粉，高硬度镶样粉，透明镶样粉，导电镶样粉等 。2.2.2BUEHLER Beta 抛光机本实验中的抛光机为半自动抛光机，它只有一个旋转轮，依靠调换不同的粗细抛光 布和更换相对应的粗抛和细抛液来对已经磨好的样品进行粗抛和细抛。 其转速为 300rpm 至 600rpm，以便针对不同的样品选择不同的抛光转速，得到更好的实验效果。2.2.3OLYMPUS 正立式光学显微镜这是一台连有计算机的光学显微镜，用于观察样品的显微组织，并通过内部摄像头 采集其组织的图像，然后用一种专门的软件对其进行各种图象处理和数字分析。本装置 提供了 5～100 倍的五种物镜和十倍的目镜，可得到 x50，x100，x200，x500，x1000 的 图像。另外，我们可以移动载物台任意来选择我们需要的组织进行观察，明暗场的可调 性能突出要观察的区域，以便于选择。2.2.4洛氏硬度计实验测定样品显微硬度的仪器为洛氏硬度计，洛氏硬度是以顶角为 120°的金刚石 圆锥体或直径为Φ1.588 L的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试 验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试 验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。 洛氏硬度19武汉科技大学本科毕业论文值由 h 的大小确定，压入深度 h 越大，硬度越低；反之，则硬度越高。洛氏硬度的三种 标尺中，以 HRC 应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用 HRC 测量。硬度值应在有 效测量范围内（HRC 为 20－70）为有效。2.2.5真空管式电阻炉实验用的真空管式高温炉以硅钼棒为发热元件，额定温度 1500℃，采用 B 型双铂 铑热电偶测温和 708P 温控仪自动控温，具有较高的控温精度（±1℃） 。此外该炉具有 真空装置，可在多种气氛下工作，大大提高了其使用范围。该炉具有使用温度高、高精 度控温、操作简单、维修方便等优点，可广泛用于冶金、机械、轻工、商检、高等院校 及科研部门。2.2.6扫描电镜扫描电镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信 号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表 面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调 、 分辨率高、 样品室空间大且样品制备简单等特点， 是进行样品表面研究的有效分析工具 。 扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度， 后者用于显示原子序数衬度。本研究中使用的扫描电子显微镜的名称和型号为：FEI 生 产的 Sirion 200 场发射扫描电子显微镜（SEM）。2.2.7透射电镜透射电镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透射聚焦成像的一种高分辨本 领，高放大倍数的电子光学仪器，主要由电子光学系统，电源系统和真空系统三部分组 成。通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速 电压的作用下，高速地穿过阳极孔，然后被聚焦光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样 品上。这种具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反应样品微区的厚度，平均原 子序数，晶体结构或位向差别的多种信息。经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映 这些信息的透射电子像。本研究中使用的透射电子显微镜的名称和型号为：FEI 生产的 Tecnai G220 型透射电子显微镜（TEM）。2.2.8液压式万能材料试验机材料试验机是测定材料力学性能的主要设备。常用的材料试验机有拉力试验机、压 力试验机、扭转试验机、冲击试验机、疲劳试验机等，能兼作拉伸、压缩、弯曲等多种 试验的试验机称为万能材料试验机，简称万能机。实验室用的是液压式万能试验机，适 用于金属、非金属材料在静力作用下进行拉伸、压缩或弯曲等试验，亦可用于混凝土和 砖石等建筑材料的试验。并备有冷弯附件，兼作金属材料工艺试验。20武汉科技大学本科毕业论文2.32.3.1实验方法取样取样的部位和检验面的选择，应根据检验目的选取有代表性的部位。金相试样的大 小和形状以便于握持、易于磨制为准，通常采用直径ф15~20mm、高 15~20mm 的圆柱体 或边长 15~20mm 的立方体。2.3.2镶嵌一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶嵌。但试样尺寸过小或形状极不规则 者（如金属丝、薄片、管等） ，制备试样十分困难，这时就需要使用试样夹或利用样品 镶嵌机，把试样镶嵌在低熔点合金或塑料（如胶木粉、聚乙烯及聚合树脂等）中。2.3.3磨制金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。每 一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层（至少应使前一道工序产生的变形层减 少到本道工序生产的变形层深度） ，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去；同时，该道 工序本身应尽可能减少损伤，以便进行下一道工序。最后一道磨光工序产生的变形层深 度应非常浅，应保证能在下一道抛光工序中除去。2.3.4 抛光抛光的目的在于去除磨面上的细磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。实验中用机械 抛光 。机械抛光是在专用的抛光机上进行的，抛光 机主要是 由电动机 和抛光圆 盘 （Ф200~300mm）组成，抛光盘转速为 200~600r/min 以上。抛光盘上铺以细帆布、呢绒 、 丝绸等。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用 Al2O3 、MgO 或 Cr2O3 等细 粉末（粒度约为 0.3~1μm）在水中的悬浮液。机械抛光就是靠极细的抛光粉末与磨面间 产生相对磨削和液压作用来消除磨痕的。 操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘 上， 并沿盘的边缘到中心不断作径向往复运动。 抛光时间一般为 3~5min。 抛光后的试样 ， 其磨面应光亮无痕。这时，试样先用清水冲洗，再用无水酒精清洗磨面，最后用吹风机 吹干。2.3.5浸蚀经抛光后的试样若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂 物（如 MnS 及石墨等）外，无法辨别出各种组成物及其形态特征，必须使用浸蚀剂对试 样表面进行“浸蚀”，才能清楚地看到显微组织的真实情况。钢铁材料最常用的浸蚀剂 为 3%～4%硝酸酒精溶液或 4%苦味酸酒精溶液。21武汉科技大学本科毕业论文2.3.6 金相组织检测把腐蚀好的样品放在 OLYMPUS 光学显微镜的载物台上，从低倍到高倍的物镜依次观 察，找到所需要的组织，然后通过计算机进行拍照。本实验要每种放大倍数下在不同领 域对其拍照十张图片，以便于日后不同研究的需要。2.3.7扫描电镜观察为了更进一步了解其内部组织，须对其进行更高倍数下的显微照相。扫描电镜观察 便是其中的一相。本实验中用的扫描电镜的观察最高倍数为 x5000，同样在不同的区域 拍摄十张不同倍数的照片。为了不和金相照片重复，只要求从 x1000 开始。描式电子显 微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感。2.3.8透射电镜观察为了更深入理解材料的性能位错、 各种缺陷，分析 合金元素在热机械加工中的作用 、 变化及热加工对组织影响规律。就需要用透射电镜观察对析出相的观察，形态、大小、 分布和微区的取向、晶体结构，相界面的观察。2.3.9显微硬度的测定腐蚀后的样品可直接进行打压痕。将样品放在 BUEHLER MICROMET 5101 载物台上 ， 载荷选择 1000g，在 100 倍或 400 倍下找到要观察的组织，转动物镜，使压头一向对准 样品，然后按下“Loading” 键，进行打压痕。待“Loading” 键停止闪光时，才可转 动压头，在 400 倍下观察压痕，找到压痕后，用目镜两侧的螺旋尺测量正方形压痕的两 对角线的长度，并记下其数值。这样，选择不同的区域，进行十次测量。2.3.10抗拉强度和屈服强度的测定实验室用的是液压式万能试验机，适用于金属、非金属材料在静力作用下进行抗拉 强度和屈服强度的测定。加载时，示力指针旋转的角度与测力油缸的总压力成正比。这 样，示力指针的转角便与工作油缸活塞上的总压力，亦即试件所受载荷成正比。经过标 定便可使针在示力度盘上直接只是载荷的大小。22武汉科技大学本科毕业论文3 相转变的计算模拟本文中主要对3.5Ni钢的相组成图，CCT曲线,TTT曲线在JMatPro-4.1软件中进行模 拟。3.1相组成测定图 3.1 为 3.5Ni 低温钢的相组成。由图可以看出，在 1513℃时奥氏体转变开始，到 1492℃奥氏体转变完全， 786℃时奥氏体向铁素体开始转变， 756℃时奥氏体占 75.3%， 到 铁素体占 24.6%，而到了 736℃附近时，奥氏体和铁素体在相组成中各占一半，到 606 ℃时奥氏体和铁素体转变结束，此时奥氏体占 92.2%，铁素体占 7.6%。图 3.1 3.5Ni 低温钢的相组成3.2 CCT 曲线的测定将此种3.5Ni低温钢的成分输入到JMatPro-4.1软件中进行模拟。模拟出其CCT曲线 图如图3.2所示。在冷速为100℃/s的情况下，可以得到铁素体+贝氏体，铁素体在630℃ 时开始转变，而贝氏体则在530℃附近开始转变，当冷速降到10℃/s时，他们的转变温 度分别提高到了710℃和570℃。而在冷速降为1.0℃/s或0.1℃/s时，组织为部分铁素体 +贝氏体，铁素体在780℃开始转变，贝氏体在590℃附近开始转变，到545℃时已接近完 成。23武汉科技大学本科毕业论文图 3.23.5Ni 低温钢 CCT 模拟曲线3.3 TTT 曲线的测定在 3.5Ni 低温钢的 TTT 曲线模拟信息（图 3.3）中可以看出，没有形成珠光体，铁 素体和贝氏体的鼻尖温度分别是 600℃和 500℃，贝氏体转变完成需要时间大约 20～ 30s，贝氏体等温转变的区间大约是 400～600℃，奥氏体化的温度为 800℃。图 3.33.5Ni 低温钢 TTT 的模拟曲线24武汉科技大学本科毕业论文44.1实验结果与讨论轧态组织的金相观察与分析在热锻造态样品中(图 4.1、图 4.2、图 4.3)，主要是针状铁素体并伴随有多边形铁素体，在粒状贝氏体的边界上，看得见黑色的 M-A 岛。在 1000 倍的组织照片（图 4.4） 中可以看到在贝氏体晶界上有一些碳化物析出存在。图 4.1 3.5Ni 加锆锻造态组织 200 倍25武汉科技大学本科毕业论文图 4.23.5Ni 加锆锻造态组织 500 倍图 4.33.5Ni 加锆锻造态组织 1000 倍26武汉科技大学本科毕业论文4.2 轧态夹杂物的金相观察与分析夹杂物的形状可分为三类 [31]，有规则的主要有球形、方形、长方形、三角形4种 。 例如氮化物(TiN、ZrN)呈四方形，玻璃质的二氧化硅(SiO2 )呈球形，三氧化二铬(Cr2O3 ) 呈长方形或三角形；在图4.4、图4.5和图4.6中，夹杂物呈无规则的多角形、椭圆形、 卵形等，是变形破碎后的铝硅酸盐和变形后的FeO夹杂物；细条状有线状、链锁形、纺 锤形，则可能是钢材在轧制变形后的FeSMnS或者是mMnOnFeO固溶体夹杂物。 氧化物在加工变形时，其夹杂物本身不变形，仅沿着变形的方向呈链状分布。含铝 的硅酸盐在加工变形中产生破碎，为脆性夹杂物。而图中无链状夹杂分布，则可以推断 主要为含铝的硅酸盐脆性夹杂物。这对于选用硅和铝做脱氧剂的本钢种来说是很正常 的。图 4.4 3.5Ni 低温钢锻造态夹杂物金相 1000 倍27武汉科技大学本科毕业论文图 4.5 3.5Ni 低温钢锻造态夹杂物金相图 4.6 3.5Ni 低温钢锻造态夹杂物金相28武汉科技大学本科毕业论文4.34.3.13.5Ni 轧态夹杂物的 SEM 观察和分析3.5Ni 夹杂物 SEM 观察从图 4.8 和图 4.9 的能谱图中标志处可以看出中心白色点状夹杂 （图 4.9 箭头指处 ） 为氧化锆以及铁的氧化物的复合型夹杂，周围(图 4.8 箭头指处)则是 Si 和 Fe 的氧化物 夹杂。图 4.10 中则显示有少量的 MnS 出现，但是均以 Fe、Si 氧化物等夹杂共生，没有 出现网状或长条状的 MnS。本样品中加入了 0.03%的 Zr，而单独出现的 ZrO 2 数量极少 ， 均是复合夹杂，一方面有可能 Zr 的回收率较低，另一方面是因为 Fe、Si 氧化物易于在 ZrO 2 周围以其为核心形成复合夹杂。图 4.8 3.5Ni 夹杂物 SEM 照片及能谱图 4.9 3.5Ni 夹杂物 SEM 照片及能谱29武汉科技大学本科毕业论文图 4.10 3.5Ni 夹杂物 SEM 照片 10000 倍4.3.23.5Ni 拉伸断口 SEM 观察与分析如图4.11和图4.12所示，3.5Ni钢断口的微观形貌都呈现微孔聚集型的断裂特征。 图中的环形区域可视作一基本断裂单元，在该单元中，形成一独立的断裂元。对于微孔 聚集型的韧性断裂来说．由于韧化组织均匀，在拉伸正应力的作用下，微坑可在多处形 成，然后扩展相汇成丰富的撕裂棱，最后棱与棱相汇形成网状，在宏观上就形成图片中 显示的纤维区。 韧始裂纹的萌生和扩展与材料内部应力集中程度有关， 而材料内部缺陷 ， 如夹杂、 空洞等处的应力集中程度是很高的，在外力作用下，首先在这些部位萌生裂纹 。 因此在图示独立断裂元环形区的底部可见许多均匀细小的等轴韧窝，而且较深，说明 3.5Ni低温钢的塑韧性较好，其破坏主要以撕裂为主，环形区边缘即为较环形区底部为 晚断裂的撕裂棱，系塑变过程中微裂纹不断扩展和相互接触而发生，棱边缘密生许多小 韧窝，形似微坑带，这些形貌都是韧性断裂的标志。图4.11、图4.12、图4.13、图4.14 为3.5Ni低温钢加微量Zr 球化处理后的拉伸断口形态SEM照片。30武汉科技大学本科毕业论文4.11 3.5Ni 拉伸断口 SEM 照片4.12 3.5Ni 拉伸断口 SEM 照片31武汉科技大学本科毕业论文4.13 3.5Ni 拉伸断口 SEM 照片4.14 3.5Ni 拉伸断口 SEM 照片4.3.33.5Ni 夹杂物的 TEM 观察不管是TEM还是SEM能谱中均出现硅，这对于选用硅铁或铝进行脱氧的钢种来说，硅 酸盐 夹 杂 是 很 常 见 的 一 种 夹 杂 形 式 。 它 属于 复 杂 氧 化 物 夹 杂 ， 这 类 夹杂 物 有 2FeOSiO2(铁硅酸盐)、2MnOSiO2 (锰硅酸盐)和CaOSiO2(钙硅酸盐)等。 一般的硅酸盐呈单独的孤粒形状分布(图4.15箭头所指)，Al2O3和FeOMnO 等氧化 物聚集成群呈串状分布，而FeS及FeSFeO 则沿晶界分布。在光学显微照片下可以看到32武汉科技大学本科毕业论文这种情况，结合对比SEM,TEM的能谱比较可以看到样品夹杂物中正含有这些元素，与事 实基本符合。图 4.153.5Ni 夹杂物 TEM 照片图 4.163.5Ni 夹杂物 TEM 照片33武汉科技大学本科毕业论文5结论采用金相法研究了含Zr钢中夹杂物的大小、分布及其对低温韧性的影响，用扫描电镜（SEM）和透射电子显微镜(TEM)分析了夹杂物的类型，并用扫描电子显微镜分析了试 验钢断口形貌。研究结果表明，加入钢中的Zr除了以ZrO或ZrO 2的形式存在外，还有少 部分生成了与MnS的复合夹杂物，其尺寸约为1m。由于ZrO或ZrO 2的熔点都较高，钢液 凝固过程中，它们会优先析出，生成稳定的氧化物，MnS则在氧化物上形核、生长。稳 定的氧化物为MnS的形核提供了有利形核点，减少了MnS集中分布的可能性。同时，氧化 物一般呈圆形或椭圆形分布，依附于氧化物形核、生长的MnS也呈现类似的形态，使硫 化物夹杂变质，从而提高低温钢的力学性能。 硫化物是钢液中所含的硫在凝固时以沉淀物析出形成的产物。它在加工变形中本身 不破碎、不变形，属于塑性夹杂物。硫化物主要有硫化铁(FeS)、硫化锰(MnS)和铁锰硫 化物(FeSMnS)。硫化铁往往独立存在，大部分处于铁素体中，具有不同的形状。硫化 锰则很少独立存在，一般都与硫化铁共存而形成硫化铁硫化锰(FeSMnS)固溶体。34武汉科技大学本科毕业论文参考文献[1] [2] [3] [4] 陈庆丰,关云,陈邦文，汪福成,许竹桃,严翔,罗国华.含锆低碳贝氏体钢夹杂物的 研究[J].物理试,)：60～63 习天辉,陈晓,李平和,袁泽喜,许伯藩 ,刘静.含Zr钢中夹杂物对低温韧性的影响 [J].钢铁, )：1～5 尹安远,吴素君.钢中非金属夹杂物的鉴定.理化检验-物理分册, TORTORETO Giampietro, SCIABOLETTA Domenico, ROTICIANI Silvio, Routine qualitative analysis of inclusions in steel, Metallurgical Analysis, Vol.27, No.4, April, 2007 [5] [6] [7] [8] [9] 许中波， L.Gammal.钢中夹杂物含量及其形态对钢力学性能的影响[J].钢铁研究 E 学报,)：125～128 曾加庆,罗廷操,刘浏,粱玫,严国安,巩飞,刘宪民.转炉出钢过程中脱硫及钢中夹 杂物改性[J],钢铁研究学报, )：12～15 高军,李双燕,张建,姜钧普.钢包喂Ca-Si线对钢中夹杂物变性的影响[J].鞍钢技 术，～31 汪晶,翟丽伟,张晓光,梁祥远 王英林,魏向东.钢包喂Ca-Si线工艺的研究[J],鞍 钢技术,2003，6 李代钟,钢中硫化物夹杂物球化和对钢性能的影响 [J],钢铁研究学报, 1992， 4(2)：97～101 [10] 宿伟,铸钢中非金属夹杂物球化变质处理新技术[J],机车车辆工艺, 2005(6)： 19～21 [11] 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GB《钢中非金属夹杂物显微评定方法》[M]36武汉科技大学本科毕业论文致谢本文在写作的过程中一直受到吴开明教授的亲自指导，从文章的开题到实验方案的 制定和修正到最后定稿，吴老师都以他严谨求实的科学精神给了我无私的指导。在论文 的写作过程中吴老师多次亲自审阅修改，提出了很多宝贵的修改意见和建议。除了对我 的学术修为是一次不可多得的学习提高之外，吴老师他认真的态度，严谨的精神，勤奋 的工作态度都给我上了丰富生动且非常难忘的一课，相信这些都可以让我在以后的学习 工作中受益匪浅。 此外武汉科技大学理学院钢铁实验室的黄刚老师，在白忙之中从来不吝惜时间的不 厌其烦的教我们做实验，对我论文的完成帮助非常大，而张细菊老师总能以她渊博的学 识和丰富的经验让我们学到很多教科书上学不来的东西，在这里一并对他们表示感谢。37
3.5Ni低温钢夹杂物的球化机理-余文鹏-2008本科毕业论文―汇集和整理大量word文档,专业文献,应用文书,考试资料,教学教材,办公文档,教程攻略,文档搜索下载下载,拥有海量中文文档库,关注高价值的实用信息,我们一直在努力,争取提供更多下载资源。