透射電子顯微鏡對鋼中細小夾雜物的分析方法

透射電子顯微鏡對鋼中細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)。隨著冶金技術的提高,鋼中粗大有害夾雜物能夠得到控制。對于那些細小的夾雜物,采用過去常用的光學顯微鏡已經無法觀察。透射電鏡具有分辨率高、放大倍數(shù)高的特點,已成為夾雜物研究的最有利工具。筆者結合近幾年來利用透射電鏡對武鋼產品中夾雜物的分析工作,總結出分散晶體法、萃取復型法和金屬薄膜法的特點和各自的適用性,為夾雜物研究提供了新的思路。1試驗設備和方法1.1測試設備夾雜物的形貌觀察和結構分析在JEM-2000FXⅡ型透射電鏡中進行,成分的點、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室相分析法萃取獲得。將化學萃取粉末溶于有機溶劑中,經超聲振蕩后,分散于導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上,用于電鏡觀察。1.2.3試驗結果的觀察用線切割機將要觀察的試樣切成0.3mm厚,雙面機械磨光,用化學法將試樣減薄至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。2三種實驗方法的特點及應用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。用能譜儀可分別對每個夾雜物進行分析,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,對單個顆粒進行線掃描分析發(fā)現(xiàn),該夾雜物為復合夾雜物(見圖3)。對線掃描峰值圖進行分析發(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的復合夾雜(見圖4)。圖5為該單顆夾雜物的元素面分布圖。對該夾雜物進行面掃描,可測得夾雜物的成分面分布。通過對該夾雜物的成分分析,得到與線掃描相同的結論,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、尺寸的分布對產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為用萃取復型法拍攝的取向硅鋼熱軋板中有利夾雜物的照片?？梢钥闯?熱軋加熱溫度對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,因此夾雜物細小而均勻分布(見圖7)。細夾雜物冶金學被認為是繼控制軋制和加速冷卻(TMCP)之后的一種新型細化組織工藝。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,作為形核質點,能增加新相的形核率,從而提高新相的轉化率,這一點已被認識。根據錯配理論,夾雜物對鐵素體的形核促進能力,取決于夾雜物與鐵素體之間的晶格共格性。不同夾雜物導致的鐵素體界面及形核驅動力是不同的,因此,根據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,與金屬晶體發(fā)生交互作用,獲得金屬晶體內部的信息。如基體中的組織結構,夾雜物的形態(tài)、成分及結構等。圖9為用金屬薄膜法對含Ti鋼中方形夾雜物的分析,通過對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。結合ZrO2、Al2O3及TiN的形成熱力學分析,可以認為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,對軋制后鋼板的力學性能有較大的影響。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構分析的主要方法,圖10、圖11為氧化物冶金鋼的薄膜衍襯像。用μμ衍射方法對夾雜物不同區(qū)域進行結構分析發(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)。對該鋼進行熱軋后發(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,在冶金中應盡量控制該相的生成。3復合摻雜物的表征(1)分散晶體法為化學方法萃取,適合對夾雜物的數(shù)量、形態(tài)及尺寸的定量統(tǒng)