Nb在鋼中應用的物理冶金基礎

Nb在鋼中應用的物理冶金基礎

TheFoundationofPhysicalMetallurgyforApplicationofNbinSteels北京科技大學楊善武賀信萊以下內(nèi)容反映個人觀點，不代表Nb鋼聯(lián)合實驗室的立場內(nèi)容熱力學基礎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、再結晶的阻礙作用Nb(C,N)在鋼中應變誘導析出的動力學模型熱力學基礎1.

對于除壓強外不受其他外力作用的體系

dU≤TdS-PdV式中U為內(nèi)能，T為絕對溫度，S為熵，P為壓強，V為體積定義自由焓G=U+PV-TS，則有

dG≤VdP-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遠小于G中的其他相，可略去，故可用F代替G，即認為恒溫恒壓下的平衡態(tài)為F取最小值的狀態(tài)熱力學基礎2.

由F=U-TS可知，為使F取最小值，高溫時體系傾向于取S大的狀態(tài)，而低溫時體系傾向處于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傾向于溶解以增熵，低溫時傾向于析出以降能。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，應變能F應之和，即F=F體+F界+F應。一般有F體<0，為析出的驅(qū)動力，而F界>0，F(xiàn)應>0為析出阻力。由于小粒子的比界面積大，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，析出相開始時與基體共格，在長大過程中逐漸失去共格關系，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原子對晶界運動的拖曳作用抑制變形奧氏體在高溫的再結晶行為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，抑制變形奧氏體的回復、再結晶固溶Nb對C擴散的限制作用與對相界面的拖曳效應，將起到限制鐵素體形核長大的作用，從而推遲γ→

α轉(zhuǎn)變利用Nb與C之間強烈的相互作用，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)對位錯的釘扎作用，可以顯著提高鋼中非平衡組織的熱穩(wěn)定性Nb在夾雜物表面與晶界的富集將有利于鋼的抗腐蝕性能TypicalFIMimagesofNbsteel(steelC)heldat1000°Cfor10safterfirstcompression,(a)–(c),andfor100safterfirstcompression(d).(a)–(c)showatypicalsequenceofimageswithlayer-by-layerfieldevaporation.Thebrightpointsindicatedbyarrowsdisappearbyonelayerevaporation.N.Maruyamaetal.:MaterialsScienceandEngineeringA250(1998)2–7(a)(b)(c)125nm鈮模型鋼在850℃變形25%后弛豫30s和60s時離散位錯上的析出質(zhì)點(a)30s,(b)30s,(c)60s1um(a)330nm(b)鈮模型鋼850℃變形25%后弛豫1000s時樣品內(nèi)形成的位錯胞狀結構弛豫時間為1000s時位錯胞內(nèi)的殘留位錯及析出相形貌(a)125nm(b)FullCCTdiagramforsteel1-3,followingaustenitizationfor10sat1250℃FullCCTdiagramforsteel3,followingaustenitizationfor10sat1250℃FullCCTdiagramforsteel3,followingaustenitizationfor3sat1250℃30μm30μm0.01%C-Si-Mn鋼0.01%C-Si-Mn-0.2%Nb鋼abcd無Nb鋼(a,c)與含Nb鋼(b,d)的表面與截面銹層形態(tài)（a）（b）含Nb鋼在850℃變形25%后弛豫不同時間的樣品在650℃（a）和700℃（b）重加熱過程中的硬度變化Nb在鋼中的以上作用源于以下三個特性Nb與鋼中的C存在強烈的相互作用，同時Nb在鋼中的擴散系數(shù)遠低于碳Nb易于鋼中的C、N化合形成彌散、細小的析出顆粒Nb有界面偏聚趨勢并對界面遷移產(chǎn)生強烈拖曳研究鋼中Nb析出的意義

控制適量Nb在適當時機析出于變形奧氏體內(nèi)的適當位置是控制軋制技術的核心。它使軋制過程分為再結晶軋制與非再結晶軋制兩個階段，使得奧氏體的晶粒細化和形狀優(yōu)化達到最佳匹配。Nb在鋼中的溶解析出規(guī)律鋼中Nb析出相的化學式:Nb(C,N)

結構:NaCl結構與奧氏體的取向關系:{111}ppt//{111}γ-Fe<110>ppt//<110>γ-Fe含鈮析出相的結構與形態(tài)

NbC或NNbC或NNb(C,N)析出相的晶體結構示意圖Nb-Ti鋼中球形析出物(Nb,Ti)(C,N)復雜析出物形貌ab析出形核位置和析出相在基體中的分布

位錯上析出

位錯網(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變誘導析出析出動力學曲線及PTT曲線(析出-時間-溫度關系)Nb和Nb-Ti鋼的析出PTT曲線Mn含量對Nb（C，N）的應變誘導析出的影響B(tài)、Cu對Nb（C，N）的應變誘導析出的影響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%應變奧氏體及動態(tài)析出條件下的PTT曲線再結晶-析出-溫度-時間（RPTT）關系圖析出與再結晶的相互作用

微合金元素的碳氮化物在奧氏體中的溶解性Log[Nb][C+12/14N]=2.26-16770/TNb(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型與電鏡觀察法高溫流變應力法硬度法電阻法化學及電化學萃取法應力弛豫法硬度法

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運動產(chǎn)生阻礙作用，因而當材料中發(fā)生沉淀析出過程時，材料的硬度會隨這一過程而變化。一般來說，沉淀過程開始后，材料的硬度首先會上升并達到峰值，之后，材料的硬度會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)部的時效析出過程和析出強化峰值、峰位的測定。電阻法

在固溶體內(nèi)加入合金元素將導致晶格畸變，會使電阻增高，因此脫溶沉淀導致電阻下降。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的狀態(tài)，由于產(chǎn)生相變等原因使實驗結果誤差較大。蠕變法

利用蠕變法可方便地測定析出的開始點Ps和結束點Pf兩個參數(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變-對數(shù)時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和右端點來確定Ps和Pf值。

Nb-Cu鋼520℃時的蠕變曲線應力弛豫法

奧氏體變形后若維持恒定變形量和恒定溫度，則應力的下降與時間對數(shù)成線性關系。當沉淀開始時，由于沉淀顆粒對位錯運動的限制，在應力--對數(shù)時間曲線上會出現(xiàn)突變點，使應力隨保持時間延長而下降的趨勢受阻，由此可測得析出的開始時間Ps；當析出結束時，應力--時間對數(shù)曲線恢復到無沉淀發(fā)生時的趨勢，產(chǎn)生第二個轉(zhuǎn)折點，對應終止時間Pf。

含Nb鋼與普碳鋼的應力弛豫曲線析出相的回溶

由于鋼坯在軋前往往經(jīng)過反復的冷熱過程，如連鑄和重新加熱，往往有相當一部份Nb在軋前已處于析出狀態(tài)，這些析出顆粒由于并非細小彌散、往往與奧氏體基體無共格關系、在變形增殖位錯之前產(chǎn)生，對軋制過程后發(fā)生的回復、再結晶幾乎沒有作用，反而降低了鋼中有效Nb的含量。因此，要使鋼中的Nb在適當時機析出，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100nm100nm

Nb-Ti微合金鋼原始試樣中的第一類析出相形貌100nmNb-Ti微合金鋼原始試樣中的第二類析出相形貌Nb:Ti=5:95100nm1300℃回溶48h時Nb-Ti微合金鋼析出顆粒成分的能譜檢測結果Nb對變形奧氏體回復、再結晶的阻礙作用

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)生析出強化析出動力學模