24.01.2015

Микроструктура игольчатого феррита (ИФ) характеризуется преобладающим возникновением высокоугловых межфазных границ, последнее обеспечивает повышенную вязкость и хладостойкость металла. Общепризнанным является механизм превращения аустенита в игольчатый феррит, идентичный механизму формирования микроструктуры верхнего бейнита. Различие между продуктами превращения состоит в местах зарождения. Бейнит зарождается на границах аустенитного зерна и/или на активной межфазной границе (allotriomorphic) феррита с аустенитом, пластины игольчатого феррита зарождаются на неметаллических включениях (HB) внутри зерен аустенита, присутствующих в стальной матрице. Для зарождения игольчатого феррита необходимы неметаллические включения, для которых выполняются определенные физико-химические условия.
Исследования показали, что при формировании ИФ важным является удельная зернограничная поверхность на единицу объема аустенита — чем она ниже, тем более вероятно образование ИФ взамен верхнего бейнита. Подобный эффект может быть обнаружен, если в стали высокая плотность HB, способных быть местами зарождения феррита. Увеличенная объемная доля ИФ может быть также достигнута, если межзеренно зародившийся феррит, «декорирует» границы аустенитного зерна и ограничивает образование видманштеттова феррита. Причина рассматриваемого ограничивающего эффекта — перераспределение углерода в аустенит на межфазной поверхности А-Ф, в случае если локальная концентрация углерода является достаточно большой, чтобы затормозить образование видманштеттова феррита или бейнита при превращении аустенита. Однако в работе приводятся примеры как роста ИФ внутри зерна при наличии феррита по его границам, так и роста видманштеттова феррита от такой границы (рис. 3.32).
Игольчатый феррит

Было предложено несколько механизмов для объяснения зарождения ИФ на неметаллических включениях. Результаты, полученные для сталей, раскисленных Ti, действительно демонстрируют внутризеренное зарождение ИФ. В этой связи могут быть приняты во внимание четыре механизма зарождения: 1) простое гетерогенное на инертной частице, 2) эпитаксиальное на включении, имеющем хорошую когерентность решетки с частицами феррита, 3) в результате действия напряжения, возникающего из-за различных коэффициентов термического расширения включений и матрицы, 4) связанное с обеднением раствора в матрице около включения. Реализация того или иного механизма зависит от химического состава и структурных особенностей стали, в частности, включения Ti2O3 очень важны для преимущественного зарождения ИФ. Этот эффект связан с образованием локальной зоны, обедненной марганцем, вокруг этого включения, что повышает движущую силу превращения. Гетерогенность и/или комплексность некоторых включений (например, основа — включения Ti2O3 с образованными на них MnS и TiN) играют свою роль, позволяя достигать благоприятного соответствия решеток подложки и зарождающейся фазы (рис. 3.33). Обедненные марганцем зоны возникают и из-за образования фазы MnS на включении Ti2O3 и вследствие прямой диффузии Mn во включение оксида титана. Этот процесс — результат более высокой концентрации катионных вакансий в фазе Ti9O3 по сравнению с их концентрацией в матрице.
Игольчатый феррит

Сопротивление разрушению микроструктуры ИФ зависит от разориентировки игл (пластин). Данные по разориентировке пластин могут быть получены при использовании методики EBSD, позволяющей оценить локальные кристаллографические параметры микроструктуры ИФ. Оценка углов разориентировки в ИФ показала, что большинство границ являются высокоугловыми, в то время как границы с малыми разориентировками формируются в пространстве между высокоугловыми границами. Установлена существенная разница со структурой верхнего бейнита. Среднее расстояние между высокоугловыми границами в игольчатом феррите составило 3-5 мкм, в то время как для верхнего бейнита оно составляет примерно 15-20 мкм, что говорит о низкой плотности эффективных препятствий для распространения хрупкой трещины в бейнитной микроструктуре. Высокие углы разориентировки могут быть обнаружены в основном на границах бейнитных пакетов (БП). Плотность пластин с высокой кристаллографической разориентрировкой в ИФ увеличивается в связи с их зарождением на неметаллических включениях. В этом случае морфологический пакет не является микроструктурной единицей, которая контролирует распространение хрупкой трещины, как в бейнитной структуре. Рассматриваемая единица должна быть напрямую связана с набором пластин ИФ, разделенных высокоугловыми границами (рис. 3.34). Единичный путь трещины соответствует расстоянию между высокоугловыми границами и определяется как область, в которой трещина распространяется по прямой без обнаруживаемого отклонения в направлении роста. Отклонение в распространении хрупкой трещины наблюдается только тогда, когда разориентировка достигает 10-15° между плоскостями скола {100} смежных пластин (условно — это высокоугловая граница).
Игольчатый феррит

На рис. 3.35 показано распределение разориентровок пластин в микроструктуре ВБ и ИФ. Температура вязкохрупкого перехода обычно определяется как обратно пропорциональная величина квадратному корню расстояния между высокоугловыми границами. В структуре верхнего бейнита преобладают малоугловые границы. По этой причине структура ИФ предпочтительна вследствие более высокой вероятности изменения траектории хрупкой трещины, чем это установлено для структуры верхнего бейнита. Средняя длина секущей между высокоугловыми границами d в стали со структурой ИФ меньше, чем в структуре верхнего бейнита между пакетами. Этот результат подтверждает полезный эффект взаимопересекающих элементов структуры ИФ.
Игольчатый феррит

Есть предположения и доказательства того, что ИФ — фактически внутризеренный бейнит, зарождающийся на определенных включениях и/или выделениях. Например, превращение при формировании ИФ имеет место ниже температуры начала бейнитного превращения. Это превращение является незавершенным. Более того, механизм и кристаллогеометрия превращений аналогичны.
Было предложено четыре возможных механизма для объяснения зарождения внутризеренного феррита на включениях/выделениях в углеродистой стали:
— объемная деформация;
— простое гетерогенное зарождение;
— локальное обеднение раствора;
— небольшое несоответствие решеток.
Принимая во внимание, что бейнит и ИФ могут быть конкурирующими структурами в температурном интервале Bs-Ms, ниже описываются различные пути для перехода от одного к другому.
Первый способ заключается в уменьшении площади границ зерен аустенита на единицу объема, т.е. в увеличении размера зерна аустенита. Поскольку бейнит зарождается межзеренно, крупные аустенитные зерна будут тормозить превращение и содействовать внутризеренному зарождению ИФ; путем увеличения размера зерен аустенита повышается также вероятность захватывания большей доли включений внутри зерна.
Цель второго способа — заблокировать места зарождения бейнита на границах аустенитных зерен. Это достигается путем декорирования границ зерен мелким аллотропноморфным ферритом. Также считается, что сегрегации бора и марганца на границах зерен аустенита снижают движущую силу зарождения бейнита на границах.
Последний и наиболее очевидный метод связан с присутствием эффективных включений или выделений внутри зерен аустенита. Сообщалось, что в том числе и выделения ванадия, связанные с MnS или полученные в процессе деформации аустенита, способствуют внутризеренному зарождению феррита.
В работе образование ИФ было инициировано путем формирования относительно крупного зерна аустенита (~60 мкм) и интенсификации выделения частиц V(CN) (рис. 3.36).
Игольчатый феррит

Вопросам влияния игольчатого феррита на свойства стали посвящено много исследований (рис. 3.37, 3.38). Подтверждено, что присутствие аллотропноморфного феррита на границах зерна аустенита делает их неэффективными для зарождения бейнита даже в том случае, если число мест зарождения увеличено деформацией. В соответствии с известным механизмом превращения показано, что рост игольчатого феррита тормозится в пластически деформированном аустените. Это обусловлено сдвиговым механизмом превращения. Кроме того, препятствия росту игольчатого феррита в деформированном аустените становятся менее эффективными при повышении движущей силы превращения в условиях значительного переохлаждения ниже температуры начала бейнитного превращения. Показано, что ферритные зерна зарождаются внутри аустенитных зерен на комплексных включениях: Ti2O3 + TiN, TiN + MnS. Однако частицы TiN наиболее эффективно способствуют зарождению феррита, причина этого, как установлено, — ориентационное соотношение между фазой TiN и ферритом.
Игольчатый феррит

В течение нескольких десятилетий структура ИФ была успешно использована для улучшения вязкости сварного соединения. Известно, что игольчатый феррит обеспечивает оптимальную комбинацию высокой прочности и хорошей вязкости вследствие мелкозернистой и «переплетенной» структуры. Он обычно рассматривался как верхний бейнит или видманштеттов феррит, который зарождается внутри зерен на оксидных частицах, диспергированных в металле сварного соединения. ИФ наблюдали в металле ОШЗ при сварке проката, содержащего частицы оксидов. В последние годы было сделано много попыток получить ИФ в прокате, используя HB как места зарождения ИФ, в первую очередь частицы Ti2O3. Следует ожидать, что деформация в принципе будет тормозить формирование ИФ вследствие измельчения зерна аустенита, поскольку границы зерен аустенита являются местами зарождения феррита, конкурирующими с включениями внутри зерен.
Игольчатый феррит

Важнейший вопрос — возможно ли сформировать структуру игольчатого феррита в прокате, подвергнутом термомеханической прокатке с исходной дисперсной структурой аустенита. Цель многих работ — получить ИФ в прокатанном металле, а еще лучше — в металле, подвергнутом TMO.
Изучено влияние деформации на формирование игольчатого феррита в стали, содержащей частицы Ti2O3. Низкоуглеродистые стали с различным содержанием марганца нагревали, подвергали горячему сжатию и непрерывному охлаждению. Структура ИФ сохраняется даже после деформации при 1050 °С. Предполагается, что деформация не влияет на способность включений Ti2O3 инициировать образование зародышей феррита внутри рекристаллизованных зерен аустенита. Доля ИФ в деформированной стали меньше, чем в недеформированной (на самом деле, вероятно, речь идет о размере зерна). Высокая доля ИФ (около 95%) получена при исходном зерне размером около 80 мкм после горячей деформации в стали с относительно высоким содержанием марганца, при этом формирование феррита на границах зерен аустенита подавлено. Игольчатый феррит почти не наблюдается при температурах деформации ниже 950 °С, так как в этом случае размер зерна аустенита (менее 50 мкм) слишком мал для того, чтобы подавить зарождение на границах (рис. 3.39).

Для образования игольчатого феррита необходимо выполнить два условия: требуемая скорость охлаждения и наличие мест для внутризеренного зарождения. Если мест для внутризеренного зарождения слишком мало или скорость охлаждения слишком низкая, то конечная микроструктура будет содержать небольшое количество игольчатого феррита либо он вообще будет отсутствовать.
Игольчатый феррит

Скорость охлаждения. Для образования ИФ необходимо выбрать скорость охлаждения — она должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить образование полигонального и квазиполигонального феррита, и достаточно низкой, чтобы не образовался мартенсит. Кроме того, она должна отличаться от значений скорости охлаждения, которые ведут к образованию классического бейнита. He совсем ясно, находится ли обычный бейнит на ТКД справа от игольчатого феррита (известны противоречивые данные по этому вопросу). В определенных пределах количество ИФ растет при увеличении скорости охлаждения, а также при снижении температуры прерывания ускоренного охлаждения.
Обжатие в диапазоне температур ниже температуры остановки рекристаллизации Tnr(T5). Внутризеренная микроструктура — дислокационные стенки и полосы деформации, которые образовались в деформированных аустенитных зернах, могут служить в качестве мест зарождения игольчатого феррита. Этот механизм зарождения имеет важное значение для листов, изготовленных методом TMO. Плотность дислокаций и количество потенциальных мест зарождения игольчатого феррита увеличиваются с ростом степени деформации при температуре ниже температуры остановки рекристаллизации Tnr. Поэтому доля игольчатого феррита (в определенных пределах) возрастает с увеличением степени деформации ниже Tnr.
Размер аустенитного зерна и количество неметаллических включений. Прочие возможные центры зарождения игольчатого феррита представляют собой неметаллические включения внутри аустенитных зерен. Этот механизм эффективно используется для получения дисперсной микроструктуры в ОШЗ при сварке. Так как игольчатый феррит конкурирует с другими фазами, которые зарождаются на границах зерна, и размер аустенитного зерна, и количество включений должны быть большими. Критический размер аустенитного зерна находится в диапазоне 50-150 мкм. В пределах определенных границ доля игольчатого феррита возрастает вместе с размером аустенитного зерна и объемной долей включений. В сравнении со структурой ИФ, который зарождается на стенках дислокаций, требуемая скорость охлаждения ниже 3 °C/c. Эффективный размер HB находится в диапазоне 0,4-6 мкм. Неметаллическими включениями, способствующими образованию игольчатого феррита, являются MnS, Al2O3 и Ti2O3. Алюминий обладает более высоким сродством к кислороду, чем титан, поэтому при высоком содержании алюминия Ti2O3 вытесняется Al2O3 (предельное значение составляет приблизительно 0,003-0,004% Al). Поскольку Al2O3 — оксид анионно-вакансионного типа, степень растворимости марганца в нем низкая. Вследствие этого частицы Al2O3 представляют собой менее подходящие места зарождения, чем частицы Ti2O3.