Nb在鋼中應(yīng)用的物理冶金基礎(chǔ)

1、Nb在鋼中應(yīng)用的物理冶金基礎(chǔ)在鋼中應(yīng)用的物理冶金基礎(chǔ) The Foundation of Physical Metallurgy for Application of Nb in Steels北京科技大學(xué) 楊善武 賀信萊以下內(nèi)容反映個(gè)人觀點(diǎn)，不代表Nb鋼聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的立場內(nèi) 容 熱力學(xué)基礎(chǔ) Nb在鋼中的基本作用 Nb在鋼中的溶解析出規(guī)律 Nb對變形奧氏體回復(fù)、再結(jié)晶的阻礙作用 Nb(C,N) 在鋼中應(yīng)變誘導(dǎo)析出的動(dòng)力學(xué)模型 熱力學(xué)基礎(chǔ)1. 對于除壓強(qiáng)外不受其他外力作用的體系 dUTdS-PdV式中U為內(nèi)能，T為絕對溫度，S為熵，P為壓強(qiáng)，V為體積定義自由焓 G=U+PV-TS，則有 dG VdP

2、-SdT體系一般處于恒溫恒壓（dT=0，dP=0）條件下，則有 dG 0，即平衡態(tài)為G取最小值的狀態(tài)定義自由能 F=U-TS，對于常壓下的固、液體系，PV遠(yuǎn)小于G中的其他相，可略去，故可用F代替G，即認(rèn)為恒溫恒壓下的平衡態(tài)為F取最小值的狀態(tài)熱力學(xué)基礎(chǔ)2. 由F=U-TS可知， 為使F取最小值，高溫時(shí)體系傾向于取S大的狀態(tài)，而低溫時(shí)體系傾向處于U低的狀態(tài)。對于含鈮微合金鋼而言，這將使得鈮在高溫時(shí)傾向于溶解以增熵，低溫時(shí)傾向于析出以降能。 對于已發(fā)生析出的體系，其自由能可視為體自由能F體，界面能F界，應(yīng)變能F應(yīng)之和，即F= F體+ F界+ F應(yīng)。 一般有F體0， F應(yīng)0為析出阻力。由于小粒子的比界

3、面積大，所以析出的形核往往需要借助于熱激活并以非均勻形核為主，析出相開始時(shí)與基體共格，在長大過程中逐漸失去共格關(guān)系，而在析出后期常發(fā)生Oswald熟化過程。Nb在鋼中的基本作用 通過固溶Nb原子對晶界運(yùn)動(dòng)的拖曳作用抑制變形奧氏體在高溫的再結(jié)晶行為 Nb與鋼中的C、N原子化合形成納米尺度的析出相釘扎位錯(cuò)，抑制變形奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶 固溶Nb對C擴(kuò)散的限制作用與對相界面的拖曳效應(yīng)，將起到限制鐵素體形核長大的作用，從而推遲 轉(zhuǎn)變 利用Nb與C之間強(qiáng)烈的相互作用，在不銹鋼中加Nb可防止CrC析出，減弱不銹鋼的晶間腐蝕傾向性 利用Nb(C, N)對位錯(cuò)的釘扎作用，可以顯著提高鋼中非平衡組織的熱穩(wěn)定性

4、Nb在夾雜物表面與晶界的富集將有利于鋼的抗腐蝕性能Typical FIM images of Nb steel (steel C) held at 1000C for 10 s after first compression, (a)(c), and for 100 s after first compression (d). (a)(c) show a typical sequence of images with layer-by-layer field evaporation. The bright points indicated by arrows disappear by one

5、layer evaporation. N. Maruyama et al. :Materials Science and Engineering A 250 (1998) 27(a)(b)(c)125nm鈮模型鋼在鈮模型鋼在850850變形變形25%25%后弛豫后弛豫30s和和60s時(shí)時(shí)離散位錯(cuò)上的析出質(zhì)點(diǎn)離散位錯(cuò)上的析出質(zhì)點(diǎn) (a)30s, (b)30s, (c) 60s1um(a)330nm(b)鈮模型鋼鈮模型鋼850變形變形25%后后弛豫弛豫1000s時(shí)樣時(shí)樣品內(nèi)形成的位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)品內(nèi)形成的位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)間為弛豫時(shí)間為1000s時(shí)位錯(cuò)胞內(nèi)的殘留位錯(cuò)及析時(shí)位錯(cuò)胞內(nèi)的殘留位錯(cuò)及析出相形貌

6、出相形貌(a)125nm(b)Full CCT diagram for steel 1-3, following austenitization for 10s at 1250Full CCT diagram for steel 3, following austenitization for 10s at 1250Full CCT diagram for steel 3, following austenitization for 3s at 1250 30m 30mabcd無Nb鋼(a,c)與含Nb鋼(b,d)的表面與截面銹層形態(tài)024681012141618202213014015016

7、0170180190200210220230240250260270280HvTempering Time/h No relaxation Relaxed for 30s Relaxed for 60s Relaxed for 200s Relaxed for 1000s（a）0246810121416182022100120140160180200220240260280HvTempering time/h Relaxed for 60s Relaxed for 1000s（b）含Nb鋼在850變形25%后弛豫不同時(shí)間的樣品在650（a）和700（b）重加熱過程中的硬度變化 Nb在鋼中的以上

8、作用源于以下三個(gè)特性 Nb與鋼中的C存在強(qiáng)烈的相互作用，同時(shí)Nb在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于碳 Nb易于鋼中的C、N化合形成彌散、細(xì)小的析出顆粒 Nb有界面偏聚趨勢并對界面遷移產(chǎn)生強(qiáng)烈拖曳研究鋼中Nb析出的意義 控制適量Nb在適當(dāng)時(shí)機(jī)析出于變形奧氏體內(nèi)的適當(dāng)位置是控制軋制技術(shù)的核心。它使軋制過程分為再結(jié)晶軋制與非再結(jié)晶軋制兩個(gè)階段，使得奧氏體的晶粒細(xì)化和形狀優(yōu)化達(dá)到最佳匹配。Nb在鋼中的溶解析出規(guī)律鋼中Nb析出相的化學(xué)式: Nb(C, N) 結(jié)構(gòu): NaCl結(jié)構(gòu) 與奧氏體的取向關(guān)系: 111 ppt /111-Fe ppt /-Fe含鈮析出相的結(jié)構(gòu)與形態(tài) NbC或NNbC或NNb(C, N)析出相的

9、晶體結(jié)構(gòu)示意圖 Nb-Ti鋼中球形析出物(Nb,Ti) (C,N)復(fù)雜析出物形貌ab析出形核位置和析出相在基體中的分布 位錯(cuò)上析出 位錯(cuò)網(wǎng)上的析出 Nb在未變形奧氏體中的等溫析出Nb在變形奧氏體中的應(yīng)變誘導(dǎo)析出析出動(dòng)力學(xué)曲線及 PTT曲線(析出-時(shí)間-溫度關(guān)系) Nb和Nb-Ti鋼的析出PTT曲線Mn含量對Nb（C，N）的應(yīng)變誘導(dǎo)析出的影響B(tài)、Cu對Nb（C，N）的應(yīng)變誘導(dǎo)析出的影響Nb（C,N）在未變形奧氏體中析出的PTT曲線Nb（C,N）在未變形、5%應(yīng)變奧氏體及動(dòng)態(tài)析出條件下的PTT曲線再結(jié)晶再結(jié)晶- -析出析出- -溫度溫度- -時(shí)間（時(shí)間（RPTT）關(guān)系圖）關(guān)系圖析出與再結(jié)晶的相互作

10、用 微合金元素的碳氮化物在奧氏體中的溶解性LogNbC+12/14N=2.26-16770/T Nb(C,N)的濃度積公式 上式表明: 絕對溫度T越高,鋼中Nb與C(或N)的溶解度積越大.研究析出的主要方法 薄樣品電鏡觀察法 萃取復(fù)型與電鏡觀察法 高溫流變應(yīng)力法 硬度法 電阻法 化學(xué)及電化學(xué)萃取法 應(yīng)力弛豫法 硬度法 硬度法是被廣泛使用的一種監(jiān)測沉淀過程的方法。由于析出的第二相粒子對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，因而當(dāng)材料中發(fā)生沉淀析出過程時(shí)，材料的硬度會(huì)隨這一過程而變化。一般來說，沉淀過程開始后，材料的硬度首先會(huì)上升并達(dá)到峰值，之后，材料的硬度會(huì)隨著沉淀顆粒的粗化而下降。該方法特別適用于反映材料內(nèi)部

11、的時(shí)效析出過程和析出強(qiáng)化峰值、峰位的測定。電阻法 在固溶體內(nèi)加入合金元素將導(dǎo)致晶格畸變，會(huì)使電阻增高，因此脫溶沉淀導(dǎo)致電阻下降。這一現(xiàn)象可用來測量過飽和固溶體的脫溶過程。用此方法研究Nb從奧氏體中析出行為則須淬火保留高溫時(shí)的狀態(tài)，由于產(chǎn)生相變等原因使實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大。 蠕變法 利用蠕變法可方便地測定析出的開始點(diǎn)Ps和結(jié)束點(diǎn)Pf兩個(gè)參數(shù)。其基本原理是：蠕變速率對沉淀很敏感，沉淀的開始使得蠕變應(yīng)變-對數(shù)時(shí)間曲線斜率明顯下降，在沉淀完成后斜率又重新開始增大。因而可利用曲線上的平臺的左端點(diǎn)和右端點(diǎn)來確定Ps和Pf值。 Nb-Cu鋼鋼520時(shí)的蠕變曲線時(shí)的蠕變曲線應(yīng)力弛豫法 奧氏體變形后若維持恒定變形量

12、和恒定溫度，則應(yīng)力的下降與時(shí)間對數(shù)成線性關(guān)系。當(dāng)沉淀開始時(shí)，由于沉淀顆粒對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的限制，在應(yīng)力-對數(shù)時(shí)間曲線上會(huì)出現(xiàn)突變點(diǎn)，使應(yīng)力隨保持時(shí)間延長而下降的趨勢受阻，由此可測得析出的開始時(shí)間Ps；當(dāng)析出結(jié)束時(shí)，應(yīng)力-時(shí)間對數(shù)曲線恢復(fù)到無沉淀發(fā)生時(shí)的趨勢，產(chǎn)生第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對應(yīng)終止時(shí)間Pf。 含含Nb鋼與普碳鋼的應(yīng)力弛豫曲線鋼與普碳鋼的應(yīng)力弛豫曲線析出相的回溶 由于鋼坯在軋前往往經(jīng)過反復(fù)的冷熱過程，如連鑄和重新加熱，往往有相當(dāng)一部份Nb在軋前已處于析出狀態(tài)，這些析出顆粒由于并非細(xì)小彌散、往往與奧氏體基體無共格關(guān)系、在變形增殖位錯(cuò)之前產(chǎn)生，對軋制過程后發(fā)生的回復(fù)、再結(jié)晶幾乎沒有作用，反而降低了鋼中有

13、效Nb的含量。因此，要使鋼中的Nb在適當(dāng)時(shí)機(jī)析出，首先要使其充分回溶。為此，需要了解Nb的溶解規(guī)律。 Nb微合金鋼原始態(tài)試樣中的兩類析出物形貌微合金鋼原始態(tài)試樣中的兩類析出物形貌100nm100nm Nb-Ti微合金鋼原始試樣中的第一微合金鋼原始試樣中的第一類析出相形貌類析出相形貌100nmNb-Ti微合金鋼原始試樣中的第二類析出相形貌微合金鋼原始試樣中的第二類析出相形貌Nb:Ti=5:95100nm1300回溶回溶48h時(shí)時(shí)Nb-Ti微合金鋼析出顆粒成分的能譜檢測結(jié)果微合金鋼析出顆粒成分的能譜檢測結(jié)果Nb對變形奧氏體回復(fù)、再結(jié)晶的阻礙作用 微合金元素對Ts的影響微合金元素交互作用對Ts的影響微合金元素B、Nb、Ti對Fs和Bs的影響微合金元素Nb、V、Ti在鐵素體中產(chǎn)生析出強(qiáng)化析出動(dòng)力學(xué)模型及其面臨的問題 對實(shí)際析出過程進(jìn)行合理簡化以便于從基本原理出發(fā)進(jìn)行定量計(jì)算 析出體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化 析出顆粒尺寸隨時(shí)間的變化 溫度、預(yù)應(yīng)變量等的影響臨界形核半徑：VcGR/2Dutt