钛在钢中的物理冶金学基础数据.pdf

第 l 5卷第 2期 1 9 9 9妊 云 南 工 生 太 学 学 报 J r ml Yu mm n P o l y t e c h n i c Un l v e t y Vd 1 5 No 2 1 9 9 9 钛 在 钢 中 的物 理 冶 金 学 基 础 数 据 雍 岐龙 田建 国 文勇 阎生贡裴和 中 机械工程学院 云南工业太学 昆明 6 5 0 0 5 1 矸 7 9 摘 要 根据 我们 近 年 来 的 试 验 研究 及 理 论 研究 的结 果 同 时 参阅 了 国 际 上有 关 的大 量文 献资 料 7 全面地搜集总鲒了钛在钢中的物理冶金学基础数据 可供有关研 究工作者及生产技术人员参考 选 用 关键词 苎墨鱼 垒芏 数据 珂 前言 弱庋 蔷 劫 钛 在钢 中具有阻止晶粒长大 提高锕的淬透性 阻止形 交奥 氏体再结 晶及产生显著 的沉淀 强化效果等 作 用 因而在 锕 中获得 了广泛 的应用 1 它是 低台 金高 强度 锕 中十分 重要 的台 金 元素 在 工 具钢 不 锈钢 及结 构钢 等大量锕种 中也广泛用钛合金化 为了充分 发挥钛在钢 中的有益作 用 必须进行深人的理论研 究工作和试验 研究工作 而这些研究 工作 中均需 要确切掌握和应用钛在锕 中的有关 的物 理冶金学 基础数 据 很 多研 究工作 常 由于 这些 基础 数据 的 缺乏而不能深入进行 或由于所选用的基础数据的不准确性而导致得到不太严谨的结论 近年来 我们在 有关 的研究工作 中搜 集整理 了大量有关的文献 资料 由此 遴选 出较为 可靠 的基 础 数据 同时 我们采用 各 种试 验研究和 理论 推导方法获得 了很多一直 阅如 的重要 的基础数 据 本 文将 总结归 纳这些 工作 从而提 供 基本 全面完整且准确可靠的有关钛在锕 中的物理 冶金学基础数据 由此促 进含钛钢 的研 究 研 制开发和生 产应用 钛在钢中的存在形态主要 为 微量固溶于铁基体 中或形 成碳 氨化钛第 二相 为便于讨 论 我 们将分 别论 述 固溶 钛及碳氮化钛的有关物理冶金学基 础数 据 1 钛的基础数 据 钛是位于元素周期表第 四周期 第一长周 期 第 副族 的过 渡族 金属 元素 原 子序数 为 2 2 其 外层 电 子结构为 3 d a 4 s 原子量 4 7 9 0 钛是 具有 固态多型性相变的元素 相变点 8 8 2 5 该温度 之上 为体 心 立方结 构 的 8钛 点 阵常 数 为 0 3 3 2 n 9 0 0 而该温度之下为密排六方结构的 a 钛 室 温 2 O 下的点阵常数为 口 0 2 9 5 0 3 0 m c 0 4 5 8 3 1 2 r l r f l c a 1 5 8 7 3 2 最 近邻 原子 间距 为 0 2 8 5 5 3 m 摩 尔 体积 为 1 0 4 O 2 1 0 0 m3 too l 密度 为 4 6 0 5 g n 3 配位数为 1 2时的原 子半径为 0 1 4 6 8 mn 比铁 的原 子半径大 l 5 钛是原子结合力相 当强 的过 渡族 金属元素 其升 华热 为 4 6 9 3 1 o 5 J too l 2 5 l 3 低于钨 锇 钽 铼 铌 碳 铱 钼 锆 铪 钌 钍 硼 铑 铂 钒 铀而高 于其他所有 元素 其熔 点为 l 6 6 8 1 0 低于钨 铼 锇 钽 钼 铌 铱 钌 铪 铑 钒 铬 锆 铂 钍而高于其他所有金 属元素 其 沸点 约为 3 2 6 0 低 于铼 钨 钽 锇 铌 钼 铪 锫 铀 铱 钍 钉 铂 铑 钒 镥 钇 略高于钴 镍 铁及其他常见金属元素 线胀系数 O 1 0 0 温度范围 为 8 9 1 0 6 K 4 J 在过渡族金属元素中是较低的 略高于钒 远低于铁 1 2 1 1 0 6 K 其平均 比热 0 1 0 0 温度范 围 为 5 2 8j 4 g K J 大 于钒 4 9 8j 4 g K 和 铁 4 5 6j 4 g K 远大 于 铌 2 6 8 J l g K 钛在室温 2 0 下的正弹性模量 E 为 1 2 0 2 1 0 5 MP a 切 变弹性模 量 G 为 4 5 6 1 0 MP a 体积 压 0收 日期 1 9 9 8 0 3 1 8 本文为冒寡自捕科学基金和云甯省 自然科学基金赍助项目研究论文 第一作者菏介 雍歧龙 男 1 9 5 3 年生 博士 教授 l l 维普资讯 8 云 南 工 业 大 学 学 报 第 1 5卷 缩模量 K为 1 0 8 4 1 0 MP a 泊松比 v 为 0 3 6 1 5 其弹性模量值与钒 铌接近 低于铅 钽 明显低于铬 锰 铁 显著低于钼 钨 铼 另一方面 其泊松 比值在过渡族金属元 素中是相对较高的 仅低于金 铌 铂 镤 锆 钒 钛单晶在室温下的各弹性刚度分别为 C1 1 1 6 0 l O 5 MP a c 1 8 1 l O 5 MP a C4 4 4 6 5 1 0 MP a Cl 2 9 0 0 l o 4 MP a CJ 3 6 6 0 1 0 4 MP a 其各弹性柔度分别 为 S l 1 9 6 9 1 0 一 P a S 3 6 8 6 l 0 一 2 Pa 一 S4 4 2 1 5 1 0 一 2 Pa 一 1 S1 2 4 7 1 1 0一 2 P a 一 S1 3 1 8 2 1 0 2 P a 一 6 钛与铁的平衡相 图属于 BI型 区缩小形成 相圈型 钛的加入使铁的 点下降 点先略下降 至 0 2 4At 含量时达最低点 然后迅速上升 在钛含量为 0 7 5At 和温度约为 1 0 0 处与 点汇合 而形成封闭的 相圈 钛在 铁中的最大溶解度约为在 1 2 8 9 时的 9 8At 随温度降低其溶解度也降 低 至 7 0 0 以下基本保持约为2 5At 在温度约为 1 2 8 9 时 n 铁与金属问化台物拉氏相 TiF e 2 形成 共晶体 其钛含量约为 1 6 A t I 7 用扩散偶试验和 Ma t a n o B o l t z m a rm分析方法得到的n 在 铁中的扩散系数为 8 D 0 t 5 e x p c m2 s 含 0 0 7 At 9 6 T i 1 0 7 5 1 2 2 5 1 用同一方法获得的 n 在 n 铁中的扩散系数为 8 3 1 5 e x p 一 c m2 s 含 o 7 3 O At Ti 1 0 7 5 1 2 2 5 2 用薄层残留放射性方法得到的 n 在 铁中的扩散系数则为 9 J 2 8 e x p 一 曼 c 丌 l2 s 含 2 A t T i 9 0 0 1 2 0 0 3 最后 r i 的自扩散系数的放射性元素示踪法测定结果为L l o 8 6 1 0 6 e x p 一 3 5 9 0 0 c m Z s 6 9 O 8 8 0 4 B T i 的自扩散系数的放射性元素示踪法测定结果则为 j l 9 1 0 一e x p 一 3 6 5 0 0 4 9 0 c n 2 s 9 O O 1 5 8 0 5 以上各式中扩散激活能的单位均为 c a l mI 2 碳氮化钛的基础数据 钛是相当强烈的碳氮化物形成元素 在含钛钢 中钛将主要以碳氮化物的形态存在而发挥重要作用 碳 氮原子半径与钛原子半径的比值分别为约 0 5 3和 0 5 0 均小于 0 5 9 因此 钛的碳化物和氮化物 均为简单点阵结构的间隙相 钢中通常存在的碳化钛和氮化钛为 Na C I B 1 型面心立方结构的间隙相 其 中的间隙原子会发生一定程度的缺位 但因缺位甚少故通常情况下均认为是完整的 室温下 Ti C的点阵常数为 0 4 3 2 8 5 n m 1 2 J 摩尔体积为 1 2 2 1 1 0 一 m3 m o l 密度为 4 9 0 7 g c m3 线胀系数为 7 7 4 1 0 6 K 1 2 2 7 0 1 3 j 熔点为 3 0 6 5 1 5 l 4 j 室温正弹性模 量 E 为 4 6 0 0 1 0 5 M Pa 3 显微硬度为 HV3 2 0 0 1 4 定压 比热 4 9 5 3十3 3 5 1 0 3 T一1 4 9 9 l O 5 T 2 2 9 8 1 8 0 0 K J K mo 1 L j 2 9 8 K时的形成热 M 为一1 8 3 8 k J too l L 室温下 TiN 的点阵常数为 0 4 2 4 0 n m J 摩尔体积为 1 1 4 8 1 0 5 m3 mo l 密度为 5 3 9 4 g c r n 3 线 胀系数为 9 3 5 1 0 6 K 2 5 1 1 0 0 J 其熔点为 2 9 3 0 2 J 室温显微硬度为 I I V 2 1 0 0 E 1 4 定压比热 4 9 8 6 3 9 4 1 0 3 T 一1 2 3 9 1 0 5 TI 2 J K t oo l 2 9 8 1 8 0 0 K l J 2 9 8 K时的形成热 H 为 一 3 3 6 6 k l I 1 6 钢中存在的碳化钛和氮化钛在整个固态范围内均可完全互溶而形成碳氮化钛 其点阵常数和密度可 用线性内插法计算而得 很多研究者测定得到碳化钛和氮化钛在 铁中的固溶度积公式 其中常用的为 l g 丁 c 5 3 3 一l O 4 7 5 T 6 维普资讯 第 2期 雍岐 龙 田建 国 杨文 舅 等 钍在 钢 中的物理 冶金 学基 础数据 lg 7 c 2 7 5 7 5 0 0 T 1g T I N 3 9 4 1 5 1 9 0 T t g E T i N 0 3 2 8 0 0 0 T 2 1 7 8 9 碳化钛 和氢化钛在 a铁 中的固溶度 积非常 小 难 于实 验测定 目前 尚未报 导相应 的平衡 固溶 度积公 式 由于氮化钛在液态铁 中的溶度积也很小 常会出现液析 氮化钛 因而还必须 了解掌握氮化钛在液态铁 中的溶度积公式 ig N L 5 9 0 1 6 5 8 6 T l驯 I O 由上述 固溶度积公式 和碳化钛及 氮化钛 的理想 化学 配 比值 可计算 出含 钛钢 中任 一温度 下 的溶钛量 溶碳量 c 或溶氢量 N 2 2 一 同时还可由此计算碳化钛 氮化钛及碳氮化钛在 铁或 n 铁中沉淀析 出时 的化学 自由能 微 细 MC或 MN相在 钢中沉淀析 出时 与铁基体之 间具有确定 的位 向关 系 碳化 钛 氮化钛及碳 氮化 钛 也具有 同样的位 向关系 即 1 0 0 v c 1 0 0 0 1 0 M c 0 1 0 2 3 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 圳 由此 根据错配位错 理论 可 以计算 出碳化钛 氮 化钛与奥氏体 之间的半共格界面 比界面髓 O T iC 一 J m2 0 9 3 o 4 0 4 1 5 6 1 0 I 3 T K 1 1 T 一 1 m2 0 8 7 3 7 0 3 9 0 2 1 0 I 3 T K t 2 至 于它们与铁 素体之间的半共格界面能 也可用类 似 的理论计算 方法 进行计算 l 2 6 J 但 由于 各方 向上 的错配度不一样 因而 比界面能也不一样 由此导致在铁素体中沉淀析出的碳化钛 氮化钛呈园片状 其底 面为 1 0 0 1 0 0 面且其径厚 比以及侧面比界面能与底面比界面能之比值基本固定不变 对碳化钛 而言为 1 4 7 对氮化钛而言为 1 6 8 各温度下比界面能的具体计算结果详见参考文献 2 6 j 碳氮化钛 与奥 氏体和铁 素体之间的 比界 面能则 可用线性 内插 法计算而得 碳化钛 氮化钛及碳氮化钛均是非常稳定的第二相 它们 在很 高的温度下长 时间保温仍 可保持 细小 的 尺寸 在 铁基体 中均匀分布 时其平均尺寸 的粗化规律可用下式计算 2 9 n3 r 0 3 8 Da V K M c f r g 3 v t r o 3 m3 t 1 5 式中 r n 和 分别为初始时刻和t 秒后第二相的平均半径 D为控制元素 这里为钛 在基体相中的扩散系 数 为比界面能 为第二相的摩尔体积 C v 为控制元素 这里为钛 在基体相中溶解的平衡溶质浓 度 摩尔体积 T为温度 K 根据相应 的计 算 l 1 当钢材成分满 足理 想化学配 比时 碳化 钛的粗化速率 m 在 9 0 0 时为 0 5 0 5 n m s 1 2 0 0 时为 4 9 6 n m s 而对氮化钛来说则分别为 0 t 9 3和 1 7 6 ri m s l 比 F 日C的粗化速率小 3 4 个数量级 通常钢材成分并不满足理想化学配比 这时其粗化速率还将进 一 步 减小 由此 钢中固态析出 的碳氮化钛通常 可保 持 n m 至十 ti m 的尺寸数量级 从而 充分 发挥 其强韧化 作用 碳氮化钛在钢中沉淀强化时 其强化机制可能是切过机制 也可能是 O o w a n机制 有关的理论计算 表明 3 0 强化机制发生转换时的临界尺寸 对碳化钛而言为 2 6 8 m 对氮化钛为 3 9 5 a m 因此 钢中碳 氮化钛的沉淀强化机制主要 为 Q l o w a l l 机制L m 4结论 根据我们近年来的试验研究及理论研究的结果 同时参阅了国际上有关的大量文献资料 全面地搜集 总结 了钛在钢 中的物理冶金学基础数据 可供有关研 究工作者及生产技术 人员 参考选用 维普资讯 1 0 云 南 工 业 大 学 学 报 第 1 5 卷 参 考 文 献 1 雍歧龙 马鸣图 吴 宝榕 散合金锕 一物理和力学冶金 北京 机械工业出版杜1 9 8 9 2 A 1 衄 S oc i e t y f o r Me t a l s Me ta L s Ha n d b o o k 9t h e d i t io n Vo l 2 Oh l o AS M 1 9 7 9 7 9 8 3 Br md e s E A S n i t h e l l s Me U d s Re f e r e n c e Bo o k 6 t h e t i c m Lo n d o n Bu t t e r wo r d a C0 Lt d 1 9 8 3 8 3 4 Br a n d e s E A t i t e l l s Me t a l s Re f e f ence Bo o k 6 t h e d i t i o n L o n d o n Bu t t e r wo r d a c Lt d 1 9 8 3 1 4 2 5 Br a n d e 8 E A S mi t h dl s Me t a k s Re f e r e r t e e B o o k 6 t h e d l t ic m L a do n t t t t e r wort h C0 Lt d 1 9 8 3 1 5 3 6 L a n d o h B o r n s t e l n Nt m a e c e dDa t a a n dF u n c t k ma l R e l a t i o n s h i p s inS dence Te c h n o l o g y N e wS 商 G r o u p Vd 2 B e r a S p fi n g e Ve r la g 1 9 7 9 7 Ha r Ls e n M An d e r k o K Cor fi t u t ioa Bina r y A l 0 v s Mff 3 mw Hi l l Ne w Yo r k 1 9 5 8 8 Mo l l SH Og il 4 e R E Tr a m Me mU S o c AI ME 1 9 5 9 2 1 5 61 3 9 DY F B o r g J US AECRe p t UCRL 5il 31 4 1 9 6 7 1 0 Dy t n e n t F L i a r m t i C M J Ma t e r 1 9 6 8 3 3 4 9 1 1 Wds c e d eRe c aN E Li b a n a t i CM Ac t aMe t 1 9 6 8 1 6 1 2 9 7 1 2 C a d o f f Ni e l s e n Tr a a s A1 ME 1 9 5 3 1 9 7 2 4 8 1 3 萨姆索诺夫 F B 难熔化合物手册冶金部科技情报所书刊编辑室译北京 中国工业出版社 1 9 6 5 1 4 Ame ric a n C emr mc S o c i e t y En g i n e e r i n g Pr o p e r t ie s o f S e l e c t e d Ce r c Ma t e fia l s Co h ma b m Oh i o 1 9 6 6 1 5 Na y brB J Am Ch a a S o c 1 9 4 6 6 8 3 7 0 1 6 Br and e s E A S mi t h e ll s Me mls Re f e r e a c e Bo o k 6 t h e d i t i a Lo n d o n Bt t t t e r wo r t h C0 Lt d 1 98 3 8 2 3 1 7 B e a t fle Ver S n y d e r Tt a ns AS M 1 9 5 3 4 5 3 9 7 1 8 J o h n s o n T H e u d T r a n s AI ME 1 9 6 7 2 3 9 1 6 5 1 1 9 I r u n eK J P i c k e fi i FB G h血蛳T J k 吼 S t e e l I 呲 1 9 6 7 2 0 5 1 6 1 2 0 Na fi t aK T r m t s I r o nS t e e l I n s t J p n 1 9 7 5 1 5 1 4 5 2 1 Ma t s u d S Ok u mu r a N Tr m a s I 蜘S t e e l I r ts t J p a 1 9 7 8 1 8 1 9 8 2 2 雍歧龙 吴宝榕 孙珍宝 王桂金 钢铁研究学报 1 9 8 9 1 4 4 7 2 3 Dac e n p o r t AT t s mr d L C Mi n e r RE J Me u d s 1 9 7 5 2 7 6 2 1 2 4 k e l RG Nu n 嘴 J 工 S I S p R e lx No 6 4 L a d o n I S I 1 9 5 9 1 2 5 雍歧龙 李永福 孙珍宝 吴宝榕金属学报 1 9 8 8 2 4 A 3 7 3 Ac t aMe t S in l e a 1 9 8 9 2 1 5 3 2 6 雍歧龙 李柬福 孙珍宝 吴宝榕科学通报 1 9 8 9 3 4 4 6 7 C h i n S d B o l 1 1 9 8 9 3 1 1 7 4 7 2 7 L i f s h i tz I M S l y 0 v I i T i j P h y s C h e m S o l id s 1 9 6 1 1 9 3 5 2 8 雍歧龙钢铁研究学报 1 9 9 1 3 4 5 1 2 9 雍歧兜 白埃民 干勇钢铁研究学报 1 9 9 2 4 1 5 9 3 0 雍歧龙科学通报 1 9 8 9 3 4 7 0 7 C h i n 叫 l 1 9 8 9 3 4 1 6 5 3 Ph y s i c al M e t a l l u r g i c