Nb對低碳鋼奧氏體晶粒長大的影響

1、第41卷第12期2 0 0 6年12月鋼 鐵Iron and SteelVol. 41 , No. 12December 2006Nb對低碳鋼奧氏體晶粒長大的影響于慶波1,2,3,張仲波1 ,李子林1 ,韋 玄1（1.安陽鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心 ，河南安陽455004 ; 2.齊齊哈爾大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ，黑龍江 齊齊哈爾161006 ; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士后流動站 ，黑龍江 哈爾濱150001 ）摘 要：在Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了不同加熱溫度對Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為01015 %的鋼和不含Nb鋼奧氏體晶粒尺寸的影響試驗(yàn)。結(jié)果表明，在加熱溫度為1 150 >1 200和1

2、230 C時(shí)，含Nb鋼的奧氏體晶粒尺寸分別小于 不含Nb鋼的奧氏體晶粒尺寸。但是，當(dāng)加熱溫度達(dá)到1 240邙寸，含Nb鋼的奧氏體晶粒卻大于不含Nb鋼的奧氏體晶粒尺寸。通過理論分析認(rèn)為，含Nb鋼奧氏體晶粒尺寸由小變大的原因是由于Nb原子的晶界內(nèi)吸附作用所致。關(guān)鍵詞：奧氏體晶粒；Nb原子；偏聚；拖曳機(jī)制中圖分類號：TG142. 4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0449 2749X （2006） 1220070205Effect of Nb o n Auste nite Grai n Grow th of Low Carb on Steel12 3111YU Qing2bo，, ZHAN G Zhong2

3、bo , L I Zi2lin , WEI Xuan(1. Technology Center , Anyang Iron and Steel Group Corp. , Anyang 455004 , Henan , China ;2. College of Mechanical Engineering , Qiqihar University , Qiqihar 161006 , Heilongjiang , China ;3. Postdoctoral Working Station , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , H

4、eilongjiang , China)Abstract : The effects of heating temperature on austenite grain size of 0. 015 % Nb steel and Nb free steel were in 2 于爸°F i-i it r 叮& hW*vestigated by Gleeble 1500 thermomechanical simulator. When the heating temperatures were 1 500 , 1 200 and 1 230°C ,the austen

5、ite grains of Nb steel were finer than those of Nb free steel respectively. But when the heating temper 2ature was 1 240 C, the austenite grains of Nb steel were larger than those of Nb free steel. It is suggested theoreti 2cally that the austenite grain size of Nb steel is increased due to the intr

6、a 2boundary adsorption of Nb atom.Key words : austenite grain ; Nb atom ; segregation ; drag mechanism1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第41卷第12期2 0 0 6年12月由于鈮的碳化物和氮化物在鋼中易形成沉淀 相,所以在高強(qiáng)度低合金鋼中鈮是最有效的微合金 元素。目前，世界大約年產(chǎn)幾百萬噸鈮微合金鋼1傳統(tǒng)的合金元素通過改變鐵的結(jié)構(gòu)來影響鋼的性 能,當(dāng)鋼中的合金元

7、素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0. 5 % -20%時(shí)，就可以使鋼的性能發(fā)生變化,比如強(qiáng)度提高、韌性增加、腐蝕性能得到改善。而微合金元素與 普通的合金元素不同，它們的添加并不改變鐵的結(jié) 構(gòu),而是與鋼中的碳、氮元素發(fā)生相互作用，形成第二相并從基體中析出，對鋼的顯微組織、力學(xué)性能產(chǎn) 生重要影響。筆者研究了當(dāng)鋼中 Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降 低到0. 015%，在未能形成Nb （C ,N）沉淀相的情況下,Nb對奧氏體晶粒長大的影響。1試驗(yàn)材料與方法試驗(yàn)設(shè)計(jì)了 2種不同化學(xué)成分鋼，其中A鋼不 含Nb ,B鋼含微量Nb，兩種鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果 見表1。試驗(yàn)鋼在100 kg中頻感應(yīng)爐中冶煉，冶煉 后的鋼坯經(jīng)熱軋、機(jī)械加工，最后

8、成為直徑 8 mm、 長10 mm的圓柱體試樣 。熱處理試驗(yàn)在Gleeble21500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，熱處理工藝如圖1所示。將熱處理后的試樣研磨、拋光，然后用過飽和苦味酸腐蝕，顯出奧氏體晶界，并采用定量金相法測出 奧氏體晶粒的平均尺寸。1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第41卷第12期2 0 0 6年12月1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reser

9、ved. 第41卷第12期2 0 0 6年12月表1試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemicalcompositionof experimentalsteels%試驗(yàn)鋼CSiMnCrMoNbPSA0. 0400. 240. 530. 320. 43-0.0080.0102B0. 0410. 210. 500. 340. 420. 0150.0070.0085基金項(xiàng)目：黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目（1151G062）作者簡介：于慶波（19702）,男，博士，副教授；E2mail : yuqb1970 sina. com ;修訂日期：20062052021994-2

10、008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第12期于慶波等：Nb對低碳鋼奧氏體晶粒長大的影響72圖1試驗(yàn)鋼的熱處理工藝Fig. 1 Heat treatment process of experimental steel2試驗(yàn)結(jié)果圖2所示為不含 Nb鋼(A1A4 )和含Nb鋼 (B1 B4)在 1 150> 1200、1 230、1 240 C下保溫 3 min后的奧氏體晶粒形態(tài)。圖3所示為兩種鋼的晶 粒尺寸變化情況，可以看出，當(dāng)加熱溫度在1230 C 以下時(shí)，含Nb鋼的晶粒尺

11、寸均小于不含Nb鋼的晶粒尺寸。但是，當(dāng)加熱溫度達(dá)到1240 C時(shí),與不含 Nb鋼相比，含Nb鋼的奧氏體晶粒尺寸反而明顯粗 大。3討論3. 1 Nb原子的晶界內(nèi)吸附在Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0. 015 %的控軋控冷鋼板 上截取試樣，通過對碳萃取復(fù)型和金屬薄膜試樣的 透射電鏡觀察及能譜分析，發(fā)現(xiàn)該鋼在加熱到1 200C后進(jìn)行的控軋控冷過程中并沒有含Nb的沉淀顆粒析出，這說明熱軋鋼中的 Nb是以原子狀態(tài)存在。 因此，當(dāng)熱軋鋼重新被加熱到奧氏體狀態(tài)時(shí)，鋼中的Nb仍然以原子狀態(tài)存在。由于Nb原子半徑是01 1456 nm ,Fe的原子半徑為 0.1260 nm ,兩者原子 半徑相差15.56 % ,如果Nb

12、原子溶解于晶粒內(nèi)部 , 則由于原子尺寸的差異會引起較大的畸變能，如圖4(a)所示。與晶內(nèi)相比，晶界層的原子排列比較疏 松，如圖4(b)所示。D Mclean2根據(jù)溶質(zhì)原子分布在晶界和晶內(nèi) 所引起組態(tài)熵的不同，給出了晶界層中溶質(zhì)原子濃 度Cg和晶粒內(nèi)的濃度 Co應(yīng)滿足下列關(guān)系式：Cg = C0exp(RET)(1)式中，T為絕對溫度；R為氣體常數(shù)；E為溶質(zhì)原子在晶內(nèi)和晶界區(qū)引起的畸變能之差。由公式(1)可知,Cg主要受溫度的影響，溫度越 高，溶質(zhì)原子的分布越均勻，晶界偏析就越不顯著。對于Nb原子的晶界內(nèi)吸附的問題，由于其含量少加之檢測設(shè)備精度的限制，目前仍然很難直接得出Nb原子偏聚在晶界處的證據(jù)

13、。為此，Enomoto3等對Nb原子在鋼中的偏聚問題進(jìn)行了研究。在研究中發(fā)現(xiàn)，不同的鈮含量會對先共析鐵素體在晶界處 的形核率有較大的影響，如圖5 所示。由圖5可知，添加少量的Nb (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 01016%)，與不含Nb鋼相比，其鐵素體的形核率就 會顯著減少；若添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為01 086 %的Nb ,鐵素體形核率會減少 34個(gè)數(shù)量級。Enomoto等通 過熱力學(xué)計(jì)算進(jìn)一步分析了造成上述情況的原因，他認(rèn)為由于奧氏體晶界處原子排列比較混亂，有很多“臺階”，因此導(dǎo)致界面能增加。而Nb原子與C原子之間的親和力強(qiáng)，因此，它們在晶界“臺階”位置 共偏聚而形成原子團(tuán)(析出物的前身)，從而大大降 低了晶界能而

14、使鐵素體形核率下降?；贓nomoto等關(guān)于Nb原子在奧氏體晶界 偏聚的研究結(jié)果，以及筆者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為01015%的鋼存在奧氏體晶粒突然長大的 臨界溫度(1240 C),可以認(rèn)為：在含有微量 Nb的 鋼中，在某一臨界溫度條件下,Nb在鋼中的存在方式是以原子形式優(yōu)先偏聚于晶界。在本試驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)該臨界溫度為1240 C。這是因?yàn)樵谝欢ǖ?溫度條件下，由于在存在點(diǎn)陣畸變的晶體中 ，可供 Nb原子占據(jù)間隙的大小不是處處相同，所以Nb原子濃度在某些地方必然比其它地方高。與晶內(nèi)點(diǎn)陣相比，晶界附近原子排列得更混亂，原子之間的空隙更大，因此Nb原子必然向晶界發(fā)生偏聚。存在較大晶格畸變的晶界

15、不僅給Nb原子的偏聚提供很大的驅(qū)動力，而且Nb原子的偏聚又使晶界處的應(yīng)變 能得以減小和消除，從熱力學(xué)角度分析,Nb原子向晶界偏聚的過程是使系統(tǒng)的自由能減少到最小的過 程，是一個(gè)自發(fā)的過程。這一結(jié)論的提出是以理論 分析和間接試驗(yàn)作為基礎(chǔ)，有待于更高精度的檢測 設(shè)備或更為先進(jìn)的檢驗(yàn)方法加以直接證實(shí)。3. 2 Nb原子內(nèi)吸附對含 Nb鋼奧氏體晶粒長大的 影響Nb原子偏聚于晶界從而對奧氏體晶粒長大產(chǎn) 生影響的主要原因有以下兩個(gè)方面。一方面，當(dāng)奧氏體晶界由于熱激活的作用發(fā)生移動時(shí)，它必須對偏聚的 Nb原子施加力的作用，才1994-2008 China Academic Journal Electroni

16、c Publishing House. All rights reserved. 74鋼鐵第41卷(a) A1 ,1 150 C； (b) B1 ,1 150 C； (c) A2 ,1 200 C ； (d) B2 ,1 200 C ；(e) A3 ,1 230 C；(f) B3 ,1 230 C ；(g) A4,1240 C；(h) B4,1240 C圖2含Nb鋼、不含Nb鋼在不同加熱溫度下的奧氏體晶粒Fig. 2 Microstructures of Nb steel and Nb free steel heated at different temperature1994-2008 Ch

17、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. #鋼鐵第41卷wo90807040Ewh叱如塔爭出聯(lián)60L 140 I 160 I I 闕 1 200! 220 I 2牝 1 260加熱溫度沱圖3加熱溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響Fig. 3 Effect of heating temperature on austenite grainsize of Nb steel and Nb free steel(a)鈮原子位于晶內(nèi)；(b)鈮原子位于晶界圖4鈮原子的分布對晶格畸變能的影響Fig. 4 Effect

18、 of distribution of niobium atoms on distortion energy of lattice能拖曳著Nb原子一起運(yùn)動。而Nb原子的運(yùn)動速 度是受它在基體金屬中的擴(kuò)散速度所控制的，由于Nb原子在基體金屬中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基體金 屬本身的晶界擴(kuò)散系數(shù)，由此將導(dǎo)致晶界遷移率f(單位：m/ (s?N)的降低。根據(jù)溶質(zhì)原子拖曳理論 可知，在晶界運(yùn)動的驅(qū)動力遠(yuǎn)大于偏聚原子對晶界 的拖曳力的情況下，晶界可迅速掙脫偏聚原子而獨(dú) 自運(yùn)動，此時(shí)晶界的遷移率 f也基本不會明顯地受 偏聚原子的影響。晶界遷移率f就是原子跳躍晶 界的遷移率，它與晶界擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)：f Dg/ kT(

19、2)式中,Dg為晶界擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2 / s,且Dg = D0 exp ( - Qg/ kT) , D0為擴(kuò)散常數(shù) ，Qg為晶界擴(kuò)1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. #鋼鐵第41卷1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 77鋼鐵第41卷0(10-780BOO BiO 840 曲厲；圖5Nb原子對先共析鐵素體在奧氏體晶界處形核率的影響Fig

20、. 5 Effect of Nb atom on nucleation rate of proeutec2tic ferrite at grain boundaries of austenite散激活能，單位為J/ mol。故晶界遷移率將隨溫度 的升高而迅速增大。固態(tài)相變時(shí)相界運(yùn)動的驅(qū)動力 很大，因而相界的運(yùn)動基本不受偏聚原子的影響；由于再結(jié)晶時(shí)晶界運(yùn)動的驅(qū)動力也較大 ，故含量較少 的偏聚原子對再結(jié)晶時(shí)晶界運(yùn)動的影響也不顯著;而奧氏體晶粒長大的驅(qū)動力則較小 ，晶界的運(yùn)動將 完全受偏聚原子擴(kuò)散速率的控制 ，這時(shí)晶粒長大速 度與驅(qū)動力也成直線比例關(guān)系，但晶界遷移率 f中的擴(kuò)散系數(shù)Dg將變?yōu)槠墼?/p>

21、在基體中的擴(kuò)散系 數(shù)，其值將大大降低。因此，當(dāng)加熱溫度分別為1 150、200和1230 C時(shí)，由于含 Nb鋼中的Nb原 子偏聚在晶界處，其晶界遷移率要小于無鈮鋼的晶界遷移率，根據(jù)晶界運(yùn)動速度公式4:v = f F(3)可知含Nb鋼奧氏體晶粒的長大速度要小于不含Nb鋼，所以含Nb鋼的奧氏體晶粒要小于不含Nb鋼。式中，F(xiàn)為凈驅(qū)動力。另一方面，由公式(3)可知，晶粒長大速度是由 晶界原子的遷移率f和晶界驅(qū)動力F共同決定。由于奧氏體晶界位置有Nb原子的偏聚，所以對晶界向前移動起了抑制作用 。這種作用與溶質(zhì)原子吸 附在刃型位錯(cuò)下方組成柯氏氣團(tuán)而對位錯(cuò)運(yùn)動起阻 礙作用是相似的。隨著溫度的升高 ，偏聚的N

22、b原子氣團(tuán)逐漸消散，當(dāng)超過了一定的臨界溫度 ，晶界移 動的驅(qū)動力將不再和氣團(tuán)的拉應(yīng)力相平衡 ，使晶界 和氣團(tuán)脫開，晶界的遷移率f將突然增大。此時(shí)晶 界移動的驅(qū)動力為：A 1(4)式中，A1為晶界兩側(cè)化學(xué)位之差 ，單位為J/mol;入 為晶界厚度，單位為m。對于球形晶界，由Gbbs2Thomp son公式可知 :式中Q為表面應(yīng)力；R為彎曲界面的曲率半徑(5);v為比容。從圖2可以看出，由于Nb原子的偏聚使含 Nb 鋼的奧氏體晶粒尺寸在 1150、200和1230 C下分別小于不含Nb鋼，所以含Nb鋼的彎曲界面曲率半 徑R分別小 于不含Nb鋼。而當(dāng)加熱溫度達(dá)到1 240 C這一臨界溫度時(shí)，由于溶質(zhì)

23、原子在晶內(nèi)點(diǎn)陣 中溶解度增大，這時(shí)擴(kuò)散過程又容易進(jìn)行，于是在晶 界處偏聚的Nb原子發(fā)生溶解，即晶界掙脫氣團(tuán)，此 時(shí)含Nb鋼的晶界遷移率不再受偏聚原子擴(kuò)散速率 的控制，而與不含Nb鋼的晶界遷移率相一致。然而，由于此時(shí)含Nb鋼的彎曲界面曲率半徑R小于不含Nb鋼，導(dǎo)致含Nb鋼晶界兩側(cè)化學(xué)位之差A(yù)1要大于不含Nb鋼。所以當(dāng)加熱溫度為1 240 C時(shí), 含Nb鋼的奧氏體晶粒的長大驅(qū)動力要大于不含Nb鋼，并且其晶界遷移率已經(jīng)與不含Nb鋼相一致。正是在該溫度下晶界遷移率變大的同時(shí)，含Nb鋼中被Nb原子所束縛的驅(qū)動力得到釋放，導(dǎo)致含Nb鋼的奧氏體晶粒突然長大。而不含 Nb鋼在1 150 C時(shí)奧氏體就已經(jīng)快速長

24、大，晶界已經(jīng)變得平 直,界面的曲率半徑 R很大，晶界兩側(cè)原子的化學(xué)位差A(yù)1變小，由公式(3)和(4)可知，其晶粒長大的 驅(qū)動力已經(jīng)很小 。因此，盡管加熱溫度高達(dá)1240C，不含Nb鋼的奧氏體晶粒長大速度緩慢，從而最 終導(dǎo)致在1 240 C下,含Nb鋼的奧氏體晶粒反而比 不含Nb鋼粗大。以上是用Nb原子晶界內(nèi)吸附理論對Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為01015%的鋼在11501230 C奧氏體晶 粒較細(xì)小而在1240 C突然長大的試驗(yàn)現(xiàn)象的分析 說明。若認(rèn)為鋼中的Nb不存在晶界偏聚而是均勻 分布于奧氏體晶粒內(nèi)部(未能觀察到含 Nb的沉淀 相顆粒析出)，則無法對該試驗(yàn)現(xiàn)象做出合理的解 釋。4結(jié)論(1) 試驗(yàn)結(jié)果表明,Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 015%的鋼和不含Nb鋼在加熱溫度為11501 230 C范 圍內(nèi)，含 Nb的奧氏體晶粒小于不含 Nb的奧氏體晶 粒。當(dāng)加熱溫度達(dá)到臨界溫度 1 240 C時(shí)，含 Nb鋼 的奧氏體晶粒突然長大，而不含Nb鋼的奧氏體晶粒卻沒有明顯變化,最終結(jié)果是含 Nb鋼的奧氏體