外加颗粒强化钢铁材料的研究.ppt
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1、外加颗粒强化钢铁材料的研究,秦 森2012年5月,研究背景,3,5,1949年,C.Zener最早提出了用第二相粒子细化金属晶粒的理论。多年来,人们对如何利用钢中的第二相粒子来提高钢的性能进行了大量研究:20世纪70年代,提出了钢的微合金化技术。为了控制单位体积内的形核速率,通过相变或形变产生高密度位错,使第二相沉淀在位错或位错胞周围。,0.09%C-0.07%Nb钢在奥氏体中应变诱导 NbCN析出(奥氏体晶界析出),0.09%C-0.07%Nb钢在铁素体中应变诱导 NbCN析出(针状铁素体内部析出),马氏体时效钢OONi14Cr3Mo3Ti回火时在马氏体板条上析出Ni3Mo、Ni3Ti等第二
2、相粒子,研究背景,3,20世纪90年代,日本新日铁的高村等人提出了氧化物冶金技术,原理是通过加入合适的复合脱氧剂和采用合理的脱氧制度来控制氧化物的性质,使钢中形成某种成分可控且细小弥散的氧化物颗粒,利用它们作为凝固时或固-固相变时的结晶核心,以改变钢的组织和晶粒度,使钢材具有良好的韧性、较高的强度及优良的可焊性,使钢中的夹杂物变害为利。Ti2O3已被证实是促进晶内铁素体形核最有效的非均质形核的氧化物质点。新日铁采用氧化物冶金技术生产的铁素体珠光体型非调质钢,将形核于氧化物上的MnS和VN作为晶内铁素体形核核心,从而细化组织,简化了热处理工艺。具有比淬火回火钢还高的低温韧性。以上获得第二相粒子的
3、方法都属于内部析出法,它们对钢铁成分、凝固、轧制及热处理的要求较高。,研究背景,3,5,外部加入法是从外部往钢液中加入微细粒子,与内生析出第二相粒子相比,外加方法更具有可控性,对钢液的纯净度无过高要求,而且对细化夹杂物、细化原奥氏体晶粒以及后期的加工过程都有作用。而越来越受到人们的关注。,首先摆在人们面前的问题就是:应该加入什么样的粒子?这要从第二相粒子所起的作用中寻找答案。,一 外加入粒子的作用,作为再结晶核心和相变核心,第二相粒子强化,引发钢中微裂纹,4,1,2,3,细晶强化,5,导致钢材塑韧性的下降,1.结晶细化,钢液中外加的大量细小、弥散分布的第二相粒子,在凝固过程中可作为凝固初生相的
4、形核核心,促进非均质形核,从而实现凝固组织的晶粒细化。非均质形核的效用取决于基底与形核相之间的界面能。界面能越小,越有利于非均质形核。影响界面能的因素包括基底与形核相的化学性质、表面形态、静电势以及点阵错配度。,目前,评价异质核心触媒效用的理论主要有:界面能(或接触角)理论,界面共格对应理论,Tillen静电作用理论,偏析系数理论以及热电理论等。研究和应用较多的是界面共格对应理论和静电作用理论。,1.结晶细化,界面共格对应理论研究表明:基底与形核相的错配度越小,越有利于非均质形核。潘宁等人对钢液凝固温度下各种化合物基底与钢液凝固形核相(-Fe和-Fe)的二维错配度进行了计算,对-Fe非均质形核
5、有显著效用的基底为VN、CaS、VC、TiO、La2O3、TiN、MgO、Ce2O3、TiC、CeO2、Ti2O3、NbN和TiO2,对-Fe非均质形核有显著效用的基底为ZrO2、Ti2O3、MgS、SiO2、MnS、CaO、CeO2和Al2O3。实验发现,Au液滴非均质形核时,即使错配度相同,碳化物和氮化物的形核触媒作用也要比氧化物有效得多,而且未观察到错配起主要作用,表明界面共格对应可能不是有效触媒的本质要求。,1.结晶细化,静电作用理论认为:基底与形核相之间自由电子的分布不均导致自由电子迁移在基底与形核相之间的界面发生,自由电子的重新分布引起的界面能的变化恒为负值,自由电子的迁移率越大,
6、界面能越小,越有利于非均质形核。计算时使用电荷的体密度来表征静电势,基底与形核相的静电势的差别决定了电荷的迁移率。上海交通大学的梁高飞等人据此考察了一些颗粒对-Fe形核的触媒效用,触媒效用优劣依次为TiCZrCCaSTaCNbCVC.与界面共格理论所得的结果相比,利用触媒效用价电子判据所得的结果更切合实际。,2.作为再结晶核心和相变核心,当分布在晶界处的第二相粒子足够细小时,在加工变形时能够起到阻止基体晶粒长大、细化晶粒的作用。粒子对晶粒长大的阻碍作用取决于其对晶界的钉扎力。单位晶粒边界面积受所有粒子的总的最大钉扎力为:,总钉扎力主要取决于所有类型粒子的体积分数和它们的尺寸。加大粒子的体积分数
7、或减小粒子尺寸均可增大总钉扎力。能够起钉扎作用的球形第二相粒子的临界半径rc,b为,2.作为再结晶核心和相变核心,达到平衡时的稳定晶粒尺寸d与第二相粒子半径r和体积分数之间有下述关系:,第二相粒子的尺寸越细小、体积分数越大,则达到平衡时钢的晶粒越细小 在轧制形变过程中,由于大形变量轧制,在颗粒周围形成高密度位错和高晶格畸变区,从而使奥氏体获得再结晶所需的畸变能和位相差,这一过程将显著提高奥氏体再结晶形核率,起到细化晶粒的作用。在随后的奥氏体向铁素体转变过程中,增加了奥氏体晶界面积,也就是增加了铁素体择优形核点,因而促进了铁素体的细化;同时奥氏体晶粒内部的颗粒也会成为奥氏体晶内铁素体形核点,可明
8、显增大铁素体的非均匀形核率,使得形变诱导铁素体的晶粒尺寸明显细化且分布均匀,这样也会促进铁素体晶粒的细化。,3.第二相粒子强化,第二相粒子强化是通过钢中细小的、弥散的第二相与位错发生交互作用,造成对位错运动的阻碍,使钢的强度得以提高的一种强化机制。当运动的位错越过第二相颗粒阻碍时,表现出两种不同的交互作用。,第二相强化机制临界转变尺寸 dc大致反比于第二相与基体的界面能,界面能越高,临界转变尺寸越小;界面能越低,临界转变尺寸越大。碳氮化铌与铁素体的界面能较高,临界转换尺寸较小,约为 1.6 nm,3.第二相粒子强化,采用Ashby-Orowan修正模型,可计算第二相粒子强化效果,式中:Rp为第
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