Nb在鋼中應(yīng)用的物理冶金基礎(chǔ)

Nb在鋼中應(yīng)用的物理冶金基礎(chǔ)

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(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、再結(jié)晶的阻礙作用Nb(C,N)在鋼中應(yīng)變誘導析出的動力學模型熱力學基礎(chǔ)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(chǔ)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(yīng)變能F應(yīng)之和，即F=F體+F界+F應(yīng)。一般有F體<0，為析出的驅(qū)動力，而F界>0，F(xiàn)應(yīng)>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(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原子對晶界運動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，抑制變形奧氏體的回復、再結(jié)晶固溶Nb對C擴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(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu):NaCl結(jié)構(gòu)與奧氏體的取向關(guān)系:{111}ppt//{111}γ-Fe<110>ppt//<110>γ-Fe含鈮析出相的結(jié)構(gòu)與形態(tài)

NbC或NNbC或NNb(C,N)析出相的晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)變誘導析出析出動力學曲線及PTT曲線(析出-時間-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)變誘導析出的影響B(tài)、Cu對Nb（C，N）的應(yīng)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(yīng)變奧氏體及動態(tài)析出條件下的PTT曲線再結(jié)晶-析出-溫度-時間（RPTT）關(guān)系圖析出與再結(jié)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(yīng)力法硬度法電阻法化學及電化學萃取法應(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(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Ps和結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力的下降與時間對數(shù)成線性關(guān)系。當沉淀開始時，由于沉淀顆粒對位錯運動的限制，在應(yīng)力--對數(shù)時間曲線上會出現(xiàn)突變點，使應(yīng)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(jié)束時，應(yīng)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(yīng)終止時間Pf。

含Nb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(guān)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(jié)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(jié)果Nb對變形奧氏體回復、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)生析出強化析出動力學模