Nb在钢中应用的物理冶金基础

Nb在钢中应用的物理冶金基础

TheFoundationofPhysicalMetallurgyforApplicationofNbinSteels北京科技大学杨善武贺信莱以下内容反映个人观点，不代表Nb钢联合实验室的立场内容热力学基础Nb在钢中的基本作用Nb在钢中的溶解析出规律Nb对变形奥氏体回复、再结晶的阻碍作用Nb(C,N)在钢中应变诱导析出的动力学模型热力学基础1.

对于除压强外不受其他外力作用的体系

dU≤TdS-PdV式中U为内能，T为绝对温度，S为熵，P为压强，V为体积定义自由焓G=U+PV-TS，则有

dG≤VdP-SdT体系一般处于恒温恒压（dT=0，dP=0）条件下，则有

dG≤0，即平衡态为G取最小值的状态定义自由能F=U-TS，对于常压下的固、液体系，PV远小于G中的其他相，可略去，故可用F代替G，即认为恒温恒压下的平衡态为F取最小值的状态热力学基础2.

由F=U-TS可知，为使F取最小值，高温时体系倾向于取S大的状态，而低温时体系倾向处于U低的状态。对于含铌微合金钢而言，这将使得铌在高温时倾向于溶解以增熵，低温时倾向于析出以降能。对于已发生析出的体系，其自由能可视为体自由能F体，界面能F界，应变能F应之和，即F=F体+F界+F应。一般有F体<0，为析出的驱动力，而F界>0，F应>0为析出阻力。由于小粒子的比界面积大，所以析出的形核往往需要借助于热激活并以非均匀形核为主，析出相开始时与基体共格，在长大过程中逐渐失去共格关系，而在析出后期常发生Oswald熟化过程。Nb在钢中的基本作用通过固溶Nb原子对晶界运动的拖曳作用抑制变形奥氏体在高温的再结晶行为Nb与钢中的C、N原子化合形成纳米尺度的析出相钉扎位错，抑制变形奥氏体的回复、再结晶固溶Nb对C扩散的限制作用与对相界面的拖曳效应，将起到限制铁素体形核长大的作用，从而推迟γ→

α转变利用Nb与C之间强烈的相互作用，在不锈钢中加Nb可防止CrC析出，减弱不锈钢的晶间腐蚀倾向性利用Nb(C,N)对位错的钉扎作用，可以显著提高钢中非平衡组织的热稳定性Nb在夹杂物表面与晶界的富集将有利于钢的抗腐蚀性能TypicalFIMimagesofNbsteel(steelC)heldat1000°Cfor10safterfirstcompression,(a)–(c),andfor100safterfirstcompression(d).(a)–(c)showatypicalsequenceofimageswithlayer-by-layerfieldevaporation.Thebrightpointsindicatedbyarrowsdisappearbyonelayerevaporation.N.Maruyamaetal.:MaterialsScienceandEngineeringA250(1998)2–7(a)(b)(c)125nm铌模型钢在850℃变形25%后弛豫30s和60s时离散位错上的析出质点(a)30s,(b)30s,(c)60s1um(a)330nm(b)铌模型钢850℃变形25%后弛豫1000s时样品内形成的位错胞状结构弛豫时间为1000s时位错胞内的残留位错及析出相形貌(a)125nm(b)FullCCTdiagramforsteel1-3,followingaustenitizationfor10sat1250℃FullCCTdiagramforsteel3,followingaustenitizationfor10sat1250℃FullCCTdiagramforsteel3,followingaustenitizationfor3sat1250℃30μm30μm0.01%C-Si-Mn钢0.01%C-Si-Mn-0.2%Nb钢abcd无Nb钢(a,c)与含Nb钢(b,d)的表面与截面锈层形态（a）（b）含Nb钢在850℃变形25%后弛豫不同时间的样品在650℃（a）和700℃（b）重加热过程中的硬度变化Nb在钢中的以上作用源于以下三个特性Nb与钢中的C存在强烈的相互作用，同时Nb在钢中的扩散系数远低于碳Nb易于钢中的C、N化合形成弥散、细小的析出颗粒Nb有界面偏聚趋势并对界面迁移产生强烈拖曳研究钢中Nb析出的意义

控制适量Nb在适当时机析出于变形奥氏体内的适当位置是控制轧制技术的核心。它使轧制过程分为再结晶轧制与非再结晶轧制两个阶段，使得奥氏体的晶粒细化和形状优化达到最佳匹配。Nb在钢中的溶解析出规律钢中Nb析出相的化学式:Nb(C,N)

结构:NaCl结构与奥氏体的取向关系:{111}ppt//{111}γ-Fe<110>ppt//<110>γ-Fe含铌析出相的结构与形态

NbC或NNbC或NNb(C,N)析出相的晶体结构示意图Nb-Ti钢中球形析出物(Nb,Ti)(C,N)复杂析出物形貌ab析出形核位置和析出相在基体中的分布

位错上析出

位错网上的析出

Nb在未变形奥氏体中的等温析出Nb在变形奥氏体中的应变诱导析出析出动力学曲线及PTT曲线(析出-时间-温度关系)Nb和Nb-Ti钢的析出PTT曲线Mn含量对Nb（C，N）的应变诱导析出的影响B、Cu对Nb（C，N）的应变诱导析出的影响Nb（C,N）在未变形奥氏体中析出的PTT曲线Nb（C,N）在未变形、5%应变奥氏体及动态析出条件下的PTT曲线再结晶-析出-温度-时间（RPTT）关系图析出与再结晶的相互作用

微合金元素的碳氮化物在奥氏体中的溶解性Log[Nb][C+12/14N]=2.26-16770/TNb(C,N)的浓度积公式

上式表明:绝对温度T越高,钢中Nb与C(或N)的溶解度积越大.研究析出的主要方法

薄样品电镜观察法萃取复型与电镜观察法高温流变应力法硬度法电阻法化学及电化学萃取法应力弛豫法硬度法

硬度法是被广泛使用的一种监测沉淀过程的方法。由于析出的第二相粒子对位错运动产生阻碍作用，因而当材料中发生沉淀析出过程时，材料的硬度会随这一过程而变化。一般来说，沉淀过程开始后，材料的硬度首先会上升并达到峰值，之后，材料的硬度会随着沉淀颗粒的粗化而下降。该方法特别适用于反映材料内部的时效析出过程和析出强化峰值、峰位的测定。电阻法

在固溶体内加入合金元素将导致晶格畸变，会使电阻增高，因此脱溶沉淀导致电阻下降。这一现象可用来测量过饱和固溶体的脱溶过程。用此方法研究Nb从奥氏体中析出行为则须淬火保留高温时的状态，由于产生相变等原因使实验结果误差较大。蠕变法

利用蠕变法可方便地测定析出的开始点Ps和结束点Pf两个参数。其基本原理是：蠕变速率对沉淀很敏感，沉淀的开始使得蠕变应变-对数时间曲线斜率明显下降，在沉淀完成后斜率又重新开始增大。因而可利用曲线上的平台的左端点和右端点来确定Ps和Pf值。

Nb-Cu钢520℃时的蠕变曲线应力弛豫法

奥氏体变形后若维持恒定变形量和恒定温度，则应力的下降与时间对数成线性关系。当沉淀开始时，由于沉淀颗粒对位错运动的限制，在应力--对数时间曲线上会出现突变点，使应力随保持时间延长而下降的趋势受阻，由此可测得析出的开始时间Ps；当析出结束时，应力--时间对数曲线恢复到无沉淀发生时的趋势，产生第二个转折点，对应终止时间Pf。

含Nb钢与普碳钢的应力弛豫曲线析出相的回溶

由于钢坯在轧前往往经过反复的冷热过程，如连铸和重新加热，往往有相当一部份Nb在轧前已处于析出状态，这些析出颗粒由于并非细小弥散、往往与奥氏体基体无共格关系、在变形增殖位错之前产生，对轧制过程后发生的回复、再结晶几乎没有作用，反而降低了钢中有效Nb的含量。因此，要使钢中的Nb在适当时机析出，首先要使其充分回溶。为此，需要了解Nb的溶解规律。Nb微合金钢原始态试样中的两类析出物形貌100nm100nm

Nb-Ti微合金钢原始试样中的第一类析出相形貌100nmNb-Ti微合金钢原始试样中的第二类析出相形貌Nb:Ti=5:95100nm1300℃回溶48h时Nb-Ti微合金钢析出颗粒成分的能谱检测结果Nb对变形奥氏体回复、再结晶的阻碍作用

微合金元素对Ts的影响微合金元素交互作用对Ts的影响微合金元素B、Nb、Ti对Fs和Bs的影响微合金元素Nb、V、Ti在铁素体中产生析出强化析出动力学模