郭宏鋼，王　巖，曾　莉

（太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西　太原　０３０００３）

摘  要：采用規(guī)則溶液亞點(diǎn)陣模型建立了Ｆｅ－Ｎｂ－Ｔｉ－Ａｌ－Ｃ－Ｎ系統(tǒng)，分析了不同溫度條件下，Ｘ８０管線鋼中碳氮化物析出熱力學(xué)行為。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，用此模型來(lái)預(yù)測(cè)管線鋼中析出物的熱力學(xué)析出行為具有良好的精度。

關(guān)鍵詞：管線鋼；碳氮化物；析出；模型

１前言

在板坯加熱過(guò)程中，板坯中合金元素的回溶和析出行為將直接影響產(chǎn)品的最終性能。如

Ｎｂ、Ｔｉ等元素的碳氮化物第二相對(duì)阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大起著非常重要的作用［１－３］。在不同的加熱溫度下，微合金元素形成的碳氮化物的分子式、析出物析出的體積以及各種微合金元素在板坯中的固溶量均不相同，深刻認(rèn)識(shí)析出物的固溶析出規(guī)律，對(duì)制定加熱和軋制工藝，以及了解析出物析出的動(dòng)力學(xué)有著非常重要的作用。

２實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用Ｘ８０管線鋼的實(shí)際化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）為：ｗ（Ｃ）＝ ０．０５４％、

ｗ（Ｍｎ）＝１．９％、ｗ（Ｓｉ）＝０．２％、ｗ（Ｐ）＝ ０．００９５％、ｗ（Ｓ）＝０．００３％、ｗ（Ｎｂ）＝ ０．０９５％、ｗ（Ｖ）＝ ０．０３％、ｗ（Ｔｉ）＝ ０．０１４％、ｗ（Ｎ）＝ ０．００４％、ｗ（Ａｌ）＝０．０２２％，并添加Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ等合金元素。將鑄坯放入１２００℃的加熱爐內(nèi)，待爐溫回升至１２００℃時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，保溫１ｈ后取出迅速放入冰鹽水中淬火，以保持元素的固溶態(tài)。在鑄坯上取樣進(jìn)行化學(xué)相分析研究，分析各種元素的析出量以及析出物的化學(xué)組成。化學(xué)相分析委托國(guó)家鋼鐵材料測(cè)

試中心完成。

經(jīng)測(cè)定，鑄坯在１２００℃保溫后，其化學(xué)式為（Ｎｂ０．４４６Ｔｉ０．４７９Ｍｏ０．０７５）（Ｃ０．３９９Ｎ０．６０１）。由表１及化學(xué)式測(cè)定結(jié)果來(lái)看，對(duì)于高溫保溫過(guò)程，元素中Ｎｂ析出量較少，Ｔｉ析出量相對(duì)較多，Ｃ析出量較少，Ｎ析出量較多。由于實(shí)驗(yàn)管線鋼中Ｎｂ含量較高，所以在１２００℃保溫以增加固溶Ｎｂ含量，使其在隨后的精軋過(guò)程中應(yīng)變誘導(dǎo)析出細(xì)小的ＮｂＣ粒子，對(duì)提高管線鋼的綜合性能起到非常有益的作用。

采用規(guī)則溶液亞點(diǎn)陣模型建立（Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）—ＡｌＮ析出物體系，用于計(jì)算分析析出物的析出過(guò)程。

３分析與討論

３．１模型建立

由規(guī)則溶液亞點(diǎn)陣模型，建立體系為Ｆｅ－Ｎｂ－Ｔｉ－Ａｌ－Ｃ－Ｎ系統(tǒng)。根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，Ａｌ元素不會(huì)與Ｃ元素反應(yīng)生成碳化物，而只會(huì)與Ｎ元素反應(yīng)生成ＡｌＮ。由 于

ＡｌＮ具 有 密 排 六 方 結(jié) 構(gòu)，與ＮａＣｌ結(jié)構(gòu)的（Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）不會(huì)發(fā)生互溶，所以在此析出物系統(tǒng)中，（Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）與ＡｌＮ可以看成兩個(gè)析出過(guò)程，兩者之間唯一的交互作用就是Ｎ元素。由于置換元素（Ｎｂ，Ｔｉ）和間隙元素（Ｃ，Ｎ）在合金中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常少，所以它們?cè)趭W氏體中形成稀溶液，并且滿足亨利定律。假設(shè)（Ｎ

ｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）符合理想化學(xué)配比，即碳氮化物中金屬原子的數(shù)量等于間隙原子的數(shù)量，忽略間隙和金屬空位。復(fù)合碳氮化物的化學(xué)式可以寫成（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ），其中，ｘ、ｙ和ａ、ｂ分別為Ｎｂ、Ｔｉ和Ｃ、Ｎ在各自亞點(diǎn)陣中的摩爾分?jǐn)?shù)，且ｘ＋ｙ＝１，ａ＋ｂ＝１。１ｍｏｌ碳氮化物（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）可以看作是二元碳化物和氮 化物的混合，即１ｍｏｌ（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）中含有ｘａ　ｍｏｌ的ＮｂＣ、ｘｂｍｏｌ的ＮｂＮ、ｙａ ｍｏｌ的ＴｉＣ、ｙｂ　ｍｏｌ的ＴｉＮ。這樣，碳 氮 化 物（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）的 形 成 自 由 能為［４－６］：

方程（１５）～（２３）構(gòu)成的非線性方程組中含有９個(gè)方程和９個(gè)未知數(shù)。表２為奧氏體中二元化合物的固溶度積［１１］。

３．２計(jì)算結(jié)果

通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算的復(fù)合（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）析出物的熱力學(xué)析出變化規(guī)律如圖１所示。

從圖１可以看出，單純從熱力學(xué)方面考慮，Ｎｂ元素在１４５０～１２００℃溫度區(qū)間內(nèi)析出速度很小（圖１ａ），Ｎｂ元素幾乎全部處于固溶狀態(tài)。在１２００℃時(shí)析出Ｎｂ的質(zhì)量約占總Ｎｂ含量的百分?jǐn)?shù)為２５％。Ｔｉ元素在１４５０～１２００℃溫度區(qū)間內(nèi)析出速度很快（圖１ｂ），從１４５０℃時(shí)析出Ｔｉ的質(zhì)量約 占 總Ｔｉ含 量 的９％變 化 到１２００℃時(shí) 的５３％。在１２００℃時(shí)，有一半以上的Ｔｉ呈析出狀態(tài)。Ｃ元素在１４５０～１２００℃溫度區(qū)間內(nèi)析出速度極其緩慢（圖１ｃ），在此溫度區(qū)間內(nèi)Ｃ元素幾乎全部處于固溶狀態(tài)。Ｎ元素在１４５０～１２００℃溫度區(qū)間內(nèi)析出速度非常快（圖１ｄ），在１２００℃時(shí)，析出的Ｎ量達(dá)到了８４％。析出物中Ｎｂ元素和Ｃ元素所 占 原 子 分 數(shù) 隨 溫 度 的 降 低 而 增 加。在１２００℃平衡 析 出 碳 氮 化 物 的 化 學(xué) 式 為 （

Ｎｂ０．５９１Ｔｉ０．４０９）（Ｃ０．３８９Ｎ０．６１１）。由于ＭｏＣ析出物的晶格常數(shù)與ＮｂＣ更為接近，所以，如將實(shí)驗(yàn)測(cè)定化學(xué)式中Ｍｏ當(dāng)做Ｎｂ來(lái)看待，則計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值吻合良好，用本文所建立模型來(lái)預(yù)測(cè)管線鋼中析出物的熱力學(xué)析出行為具有較好精度。

當(dāng)溫度低于１２００℃時(shí)，隨著溫度的降低，Ｎｂ元素的析出速度呈先升高而后再降低的勢(shì)。Ｎｂ元素約在１１００～１１５０℃溫度區(qū)間內(nèi)具有最大的析出速度。Ｔｉ和Ｎ元素隨著溫度的降低，析出速度逐漸下降。析出的Ｃ元素、Ｎｂ／（Ｎｂ＋Ｔｉ）和Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）的原子隨著溫度的降低，其變化速度均呈先升高而后再降低的趨勢(shì)。在溫度為８００℃

平衡狀態(tài)下，鋼中的Ｎｂ、Ｔｉ和Ｎ元素均已全部析出。此 時(shí) 析 出 物 的 化 學(xué) 式 為 （

Ｎｂ０．８１７Ｔｉ０．１８３）（Ｃ０．８５７Ｎ０．１４３）。由此可見(jiàn)，析 出物主要 為ＮｂＣ。此類析出物一般都是在板材精軋過(guò)程中的位錯(cuò)線上應(yīng)變誘導(dǎo)析出，析出物細(xì)小彌散，對(duì)提高板材的性能起到很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

４結(jié)論

采用規(guī)則溶液亞點(diǎn)陣模型建立了Ｆｅ－Ｎｂ－Ｔｉ－Ａｌ－Ｃ－Ｎ系統(tǒng)，分析了不同溫度條件下，管線鋼中碳氮化物析出熱力學(xué)行為。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，用本文所建模型來(lái)預(yù)測(cè)管線鋼中析出物的熱力學(xué)析出行為具有較好精度。

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