超细晶碳素钢Q235热连轧板显微组织的电子背散射衍射研究
作者：李平和， 邓照军， 陈士华
【摘要】 利用扫描电镜的EBSD（背散射衍射）附件，对大生产不同终轧温度下的碳素钢热连轧板中铁素体的晶粒尺寸，晶粒取向分类等进行研究。结果表明：在试验温度范围内，热连轧板的晶粒尺寸随终轧温度的降低明显细化，靠近试样表面均有细晶层,细晶层的晶粒也随终轧温度的降低而细化。随着终轧温度的降低，钢板中大角晶界增多小角晶界减少且表层更明显。表明终轧温度越低变形量越大，铁素体再结晶越充分。铁素体动态再结晶轧制，可最大限度地细化铁素体晶粒，而形变诱导相变转变所获得的铁素体晶粒要比无诱导转变所得到的铁素体晶粒细。
【关键词】 EBSD； 碳素钢； 晶粒； 晶界
Abstract: The grain sizes of carbon steel with different finishing rolling temperature have been investigated by EBSD. The results show that the grain sizes of hot rolling plates decreased clearly with the decrease of the finishing rolling temperature. Fine grains exist near the plate surface. As the finishing rolling temperature decreases, high angle boundaries increase and on the contrary the low angle boundaries decrease. The ferrite recrystallization could occur with the decrease of the finishing rolling temperature and the increase of rolling strain. The grain sizes obtained by deformation induced ferrite transformation (DIFT) are finer than that by temperature controlled transformation.
Key words: EBSD; carbon steel; grain size; grain refinement
引言
普通碳素钢通过在相变温度附近的大压下量轧制工艺可以细化晶粒，使钢材的屈服强度从200～300 MPa级提高到400～500 MPa级［1］。目前，国内外在实验室对实现钢材晶粒细化的工艺进行了广泛的研究，建立起较完整的理论［2］。但大规模生产还存在很多问题和困难，对大生产产品的组织结构了解的也不够充分。EBSD（electron back?scattering diffraction）能在短时间内获得样品的大量晶体学信息，近年来被广泛用于材料的组织、结构、织构等研究［3］。
研究钢材的晶粒、晶界、取向及缺陷等问题的方法很多，EBSD是其中最有效的方法之一。其优点是：该方法是通过晶体的取向测量来获得晶粒的尺寸，在获得晶粒尺寸数据的同时也得到晶粒间的夹角数据并进行统计分类。而光学金相测量是通过试样腐蚀产生的灰度进行测量，试样腐蚀程度及仪器的分辨率等都会给结果带来误差，人工用光笔勾画可以减小误差，但效率很低。因此，EBSD已成为钢材的晶粒、晶界、取向及缺陷等研究的有力手段。
1 试验材料及方法〖*2〗
1.1 试验选用的材料 本次试验所选用的试样是武钢大生产的超细晶355 MPa级碳素钢热连轧板，试验钢的成分见下表1，规格为3.0 mm厚度。在不同的终轧温度条件下，试样的强度也有所不同，表2为所选取的试样号及其力学性能。表1 试验钢的化学成分表2 选取的试样号及其力学性能 试验用钢为常规的Q235钢成分，为了增加精轧段的变形量，增加了精轧入口钢坯的厚度。3个试样335、345、8168的终轧温度在750～810℃之间由高到低，卷取温度控制在470～500℃之间；3个试样的变形量和变形速率相同。
1.2 试验方法
将试样的横截面制成金相表面，用3%的硝酸酒精腐蚀2分钟，用扫描电镜的EBSD附件进行晶粒度、晶界分类、相邻晶粒取向差等的测量与统计。
2 试验结果与讨论〖*2〗
2.1 铁素体晶粒尺寸测量及分析 用EBSD对试样横截面的晶粒尺寸进行测量，每个试样选取靠近表面位置和试样心部两个部位。其显微组织见图1和图2。对各试样表面和心部晶粒间不同夹角时的晶粒尺寸进行分类统计的结果见表3。图1 试样335、345和8168横截面靠近表面部位EBSD测量的晶粒组织表3 按不同晶粒间夹角分类的晶粒尺寸统计
试样号5°的平均晶
尺寸（μm）8°的平均晶
尺寸（μm）15°的平均晶
尺寸（μm）335表面3.513.573.86心部4.394.594.93345表面3.013.103.34心部3.693.874.248168表面3.033.073.28心部3.213.313.60
由图1至图6可以看出，在3种不同工艺条件下，试样表层的晶粒尺寸均比试样中心部要细；无论试样的表面还是心部，晶粒均随终轧温度的降低而细化。该结果与表2给出的3个试样的力学性能结果相一致。表3给出以不同晶粒间夹角分类的平均晶粒尺寸测量结果，可以看出在5°～15°范围内晶粒尺寸随终轧温度的变化相同，既晶粒尺寸均随终轧温度的降低而减小。
表面细晶区的形成可以认为是由两个主要因素造成的：第一个因素是轧辊对轧板表面的激冷作用，冷的轧辊使得与之接触的轧板表面温度迅速降低，增大了过冷度，从而细化了表层的铁素体晶粒。第二个因素是在轧板表层存在着由轧辊和轧板之间的摩擦导致的比轧板心部大的多的剪切应变。这个剪切应变使得在对轧板施加比较小的变形量的时候就可以在轧板表层得到很大的变形量从而可以促进表层铁素体组织的细化。
试验测得，该钢的Ar3温度约为790℃，试验的3卷钢中，335试样的终轧温度高于Ar3，345钢的终轧温度在Ar3附近，而8168钢的终轧温度为低于Ar3的两相区。因此，3卷试验钢的γ→α转变机制不同，335钢的终轧温度明显高于Ar3，应为无形变诱导温度主导的转变。345试样的终轧温度在Ar3附近，为形变诱导相变主导的转变。而8168试样的终轧温度在两相区，应为形变诱导相变和铁素体动态再结晶转变。3种转变机制得到的晶粒尺寸不同，温度越低相变驱动力越大，铁素体形核率越高，导致转变后的晶粒细化［4］。3种转变机制所获得的铁素体晶粒尺寸相比较，铁素体动态再结晶轧制，可最大限度地细化铁素体晶粒，而形变诱导相变转变所获得的铁素体晶粒要比温度控制转变所得到的铁素体晶粒细。
2.2 铁素体晶界分类测量及分析
3种工艺条件下，试样表层及心部EBSD测量的晶界分类分布见图3和图4，取向分布见图5和图6，3个试样表层及心部的晶界分类统计结果见图7和图8。对于强度最高的8168试样，与335和345试样相比较，无论是表面还是心部的大角度晶界都要多。如果把15度以上的晶界定为大角度晶界，8168试样表面的大角度晶界所占比例为85.38%，345试样的大角度晶界比例是77.64%， 335试样的大角度晶界比例是70.26%。心部也是如此，8168试样的大角度晶界所占比例为72.59%，345的大角度晶界所占比例是59.22%，而335的大角度晶界所占比例为58.22%。由以上的试验结果可以看出，表层的大角度晶界所占比例高于试样心部，说明表层的铁素体晶粒较为完整，再结晶较心部要充分。这是由于试样表层所受到的是正压力和剪切应力两种应力的累积，变形量较大，晶粒更容易转动，有利于再结晶，所以小角度晶界相对较少，大角度晶界较多。试样中心部位因为只受到正压力，没有轧辊的剪切应力，所以变形量较小，再结晶不够充分，小角度的亚晶就相对较多。3个试样晶界分类分布的对比也可以看出，变形温度对铁素体再结晶有影响，在较大形变量的情况下变形温度越低铁素体再结晶越充分。
3 结论
本试验采用EBSD方法，对Ar3温度附近3个终轧温度的大生产碳素钢Q235热连轧板进行铁素体晶粒尺寸、晶界分类分析，得到的结论如下：
1） 在Ar3温度附近3个终轧温度件下，试样表层的晶粒尺寸均比试样中心部要细，无论试样的表面还是心部，晶粒均随终轧温度的降低而细化。
2） 三个终轧温度的大生产碳素钢热连轧板具有不同的转变机制，三种转变机制所获得的铁素体晶粒尺寸相比较，铁素体动态再结晶轧制，可最大限度地细化铁素体晶粒（前提是先发生形变诱导相变，单靠动态再结晶效果并不好），而形变诱导相变转变所获得的铁素体晶粒要比无诱导转变所得到的铁素体晶粒细。
3） 变形温度对铁素体再结晶有明显的影响，在较大形变量的情况下变形温度越低铁素体再结晶越充分。
【】
［1］超细晶355MPa级碳素钢热连轧板的组织结构研究［J］.物理测试,2006.11
［2］翁宇庆等.超细晶钢——钢组织细化理论与控制技术［M］.北京：冶金出版社，2003，3-4
［3］杨平，孙祖庆，毛卫民.取向成像：一种有效研究晶体材料组织、结构及取向的技术.体视学与图像分析，2001,6(1)：50-54
［4］翁宇庆等.超细晶钢——钢组织细化理论与控制技术［M］.北京：冶金工业出版社，2003，89
