透射電子顯微鏡對(duì)鋼中細(xì)小夾雜物的分析方法

透射電子顯微鏡對(duì)鋼中細(xì)小夾雜物的分析方法

鋼中的混合物是影響鋼性能的重要原因之一。因此,在鋼材的研究和開發(fā)中,一直把夾雜物的研究作為改善和提高性能的重要因素。夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,是由夾雜物的類型、形態(tài)、尺寸及分布決定的。通常把夾雜物分為兩種類型,即有利夾雜(如熱軋硅鋼中的第二相,氧化物冶金中的氧化物)和有害夾雜物(如粗大的MnS、Al2O3)。隨著冶金技術(shù)的提高,鋼中粗大有害夾雜物能夠得到控制。對(duì)于那些細(xì)小的夾雜物,采用過去常用的光學(xué)顯微鏡已經(jīng)無法觀察。透射電鏡具有分辨率高、放大倍數(shù)高的特點(diǎn),已成為夾雜物研究的最有利工具。筆者結(jié)合近幾年來利用透射電鏡對(duì)武鋼產(chǎn)品中夾雜物的分析工作,總結(jié)出分散晶體法、萃取復(fù)型法和金屬薄膜法的特點(diǎn)和各自的適用性,為夾雜物研究提供了新的思路。1試驗(yàn)設(shè)備和方法1.1測試設(shè)備夾雜物的形貌觀察和結(jié)構(gòu)分析在JEM-2000FXⅡ型透射電鏡中進(jìn)行,成分的點(diǎn)、線、面分析用INCA能譜儀完成。1.2測試方法1.2.1分散晶法試樣由化學(xué)室相分析法萃取獲得。將化學(xué)萃取粉末溶于有機(jī)溶劑中,經(jīng)超聲振蕩后,分散于導(dǎo)電支持膜上用于電鏡觀察。1.2.2金相金相的碳膜的制備將拋光腐蝕后的金相試樣表面用AC紙復(fù)型,把金相表面的夾雜物或第二相萃取在AC紙上,高真空噴碳后將AC紙溶解,把帶有夾雜物和組織特征的碳膜撈在支持銅網(wǎng)上,用于電鏡觀察。1.2.3試驗(yàn)結(jié)果的觀察用線切割機(jī)將要觀察的試樣切成0.3mm厚,雙面機(jī)械磨光,用化學(xué)法將試樣減薄至0.05mm左右,用雙噴電解儀或離子減薄儀將試樣局部區(qū)域減薄至100～300nm,在電鏡下觀察。2三種實(shí)驗(yàn)方法的特點(diǎn)及應(yīng)用2.1單顆混雜物的成分分析圖1為分散晶體法在透射電鏡中的STEM模式下觀察的夾雜物形態(tài)。定性測量該夾雜物的尺寸約為100～300nm,利用圖像分析儀可測得夾雜物的尺寸分布曲線和直方圖。用能譜儀可分別對(duì)每個(gè)夾雜物進(jìn)行分析,以確定夾雜物的成分。圖2為單顆夾雜物的成分,由成分分析可以看出該夾雜物為Al、Mn、Ti的氧化物夾雜。利用能譜儀的線掃描功能,對(duì)單個(gè)顆粒進(jìn)行線掃描分析發(fā)現(xiàn),該夾雜物為復(fù)合夾雜物(見圖3)。對(duì)線掃描峰值圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),Al、Mn為互溶元素,形成Al、Mn的氧化物,而Ti和Al、Mn不互溶,形成TiO,該夾雜物為Al、Mn的氧化物和TiO的復(fù)合夾雜(見圖4)。圖5為該單顆夾雜物的元素面分布圖。對(duì)該夾雜物進(jìn)行面掃描,可測得夾雜物的成分面分布。通過對(duì)該夾雜物的成分分析,得到與線掃描相同的結(jié)論,即Al、Mn在氧化物中是互溶的,而Ti不能溶于Al、Mn的氧化物中,只能形成Ti的氧化物。面掃描還發(fā)現(xiàn)夾雜物中含有P和S。2.2加熱溫度對(duì)殘余物分布及數(shù)量的影響鋼的成分、熱軋加熱溫度及隨后的軋制冷卻工藝影響夾雜物的尺寸大小及分布。而夾雜物的類型、尺寸的分布對(duì)產(chǎn)品的性能有著較大的影響。因此,研究夾雜物的尺寸及分布是鋼種研究的重要組成部分。圖6、圖7為用萃取復(fù)型法拍攝的取向硅鋼熱軋板中有利夾雜物的照片。可以看出,熱軋加熱溫度對(duì)夾雜物尺寸分布及數(shù)量的影響。由于加熱溫度低,鑄坯中的MnS不能完全溶解,熱軋板中觀察到較多的鑄態(tài)粗大MnS(見圖6)。加熱溫度較高的熱軋板中,鑄坯中的粗大MnS充分固溶,在軋制和隨后的冷卻中析出,由于析出溫度較低,夾雜物不能充分長大,因此夾雜物細(xì)小而均勻分布(見圖7)。細(xì)夾雜物冶金學(xué)被認(rèn)為是繼控制軋制和加速冷卻(TMCP)之后的一種新型細(xì)化組織工藝。夾雜物在加熱過程中能阻止晶粒長大,在凝固及隨后的冷卻過程中,作為形核質(zhì)點(diǎn),能增加新相的形核率,從而提高新相的轉(zhuǎn)化率,這一點(diǎn)已被認(rèn)識(shí)。根據(jù)錯(cuò)配理論,夾雜物對(duì)鐵素體的形核促進(jìn)能力,取決于夾雜物與鐵素體之間的晶格共格性。不同夾雜物導(dǎo)致的鐵素體界面及形核驅(qū)動(dòng)力是不同的,因此,根據(jù)不同的需要選擇不同的夾雜物也是目前研究的課題。圖8為用萃取復(fù)型法觀察到的針狀鐵素體以夾雜物為核心形核長大的例子。2.3電子衍射法制備金屬酶系統(tǒng)金屬薄膜法是將所要觀察的金屬減薄到電子束能夠穿透的厚度(100～300nm)。電子束在透過金屬時(shí),與金屬晶體發(fā)生交互作用,獲得金屬晶體內(nèi)部的信息。如基體中的組織結(jié)構(gòu),夾雜物的形態(tài)、成分及結(jié)構(gòu)等。圖9為用金屬薄膜法對(duì)含Ti鋼中方形夾雜物的分析,通過對(duì)夾雜物成分的面掃描和線掃描,發(fā)現(xiàn)該夾雜物是由多相復(fù)合生成。夾雜物的核心為球形ZrO,ZrO的外層為Al2O3,最外層為TiN。結(jié)合ZrO2、Al2O3及TiN的形成熱力學(xué)分析,可以認(rèn)為ZrO的形成溫度最高,在鋼錠中首先析出,隨后Al、O向ZrO上擴(kuò)散,形成Al2O3外殼,在隨后冷卻中TiN以Al2O3為核心生長。為此,利用該方法可以確定復(fù)合夾雜物的形成和長大過程。不同類型夾雜物的高溫性能,對(duì)軋制后鋼板的力學(xué)性能有較大的影響。如高溫塑性夾雜物在熱軋過程中發(fā)生變形拉長,增大了夾雜物的面積,造成鋼材的各向異性和分層斷裂。電子衍射是材料微觀結(jié)構(gòu)分析的主要方法,圖10、圖11為氧化物冶金鋼的薄膜衍襯像。用μμ衍射方法對(duì)夾雜物不同區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),夾雜物的核心為Al、Mn的氧化物和TiO,而外殼為非晶態(tài)的SiO2(見圖12、13)。對(duì)該鋼進(jìn)行熱軋后發(fā)現(xiàn),Al、Mn的氧化物和TiO的形態(tài)沒發(fā)生變化,而外層的非晶態(tài)SiO2發(fā)生拉長變形(見圖14)。這說明非晶SiO2為高溫塑性相,在冶金中應(yīng)盡量控制該相的生成。3復(fù)合摻雜物的表征(1)分散晶體法為化學(xué)方法萃取,適合對(duì)夾雜物的數(shù)量、形態(tài)及尺寸的定量統(tǒng)