钛在钢中的物理冶金学基础数据

钛在钢中的物理冶金学基础数据 雍岐龙 田建国 杨文勇 阎生贡 裴和中(机械工程学院 ,云南工业大学 ,昆明 ,650051)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 ,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 钛 ;物理冶金学 ;数据 ;钢前言钛在钢中具有阻止晶粒长大、提高钢的淬透性、阻止形变奥氏体再结晶及产生显著的沉淀强化效果等作用 ,因而在钢中获得了广泛的应用 1 ,它是低合金高强度钢中十分重要的合金元素 ,在工具钢、不锈钢及结构钢等大量钢种中也广泛用钛合金化 必须进行深入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钢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阙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钢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 微量固溶于铁基体中或形成碳氮化钛第二相 ,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 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 22 ,其外层电子结构为 3原子量 47. 相变点 882. 5 ,该温度之上为体心立方结构的 钛 ,点阵常数为0. 332 00 ) ;而该温度之下为密排六方结构的 钛 ,室温 (20 ) 下的点阵常数为 a = 0. 295 030 c = 0. 458 312 c/ a = 1. 587 32 ,最近邻原子间距为 0. 285 53 摩尔体积为 1. 040 2 10 - 5密度为 4. 605 g/ 配位数为 12 时的原子半径为 0. 1468 比铁的原子半径大 15 % 其升华热为 4. 693 105 J / 25 ) 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 1 668 10 ,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 3 260 ,低于铼、钨、钽、锇、铌、钼、铪、锆、铀、铱、钍、钌、铂、铑、钒、镥、钇 ,略高于钴、镍、铁及其他常见金属元素 ;线胀系数 (0100 温度范围 ) 为 8. 9 10 - 6/ K4 ,在过渡族金属元素中是较低的 ,略高于钒 ,远低于铁 (12. 1 10 - 6/K) ;其平均比热 (0 100 温度范围 )为 528 J / K4 ,大于钒 (498 J / K) 和铁 (456 J / K) ,远大于铌 (268 J / K) 20 )下的正弹性模量 E 为 1. 202 105 切变弹性模量 G 为 4. 56 104 体积压第 15 卷 第 2 期 云 南 工 业 大 学 学 报 15 21999 年 1999 收稿日期 :1998 - 03 - 18 ; 本文为 国家自然科学基金 和 云南省自然科学基金 资助项目研究论文第一作者简介 : 雍岐龙 ,男 ,1953 年生 ,博士 ,教授 1995o., 为 1. 084 105泊松比 为 0. 3615 . 其弹性模量值与钒、铌接近 ,低于铪、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 : . 60 105 . 81 105 . 65 104 . 00 104 . 60 104其各弹性柔度分别为 : S 11 9. 69 10 - 12 1 , S 33 6. 86 10 - 12 1 , S 44 21. 5 10 - 12 1 , S 12 - 4. 71 10 - 12 1 , S 13 - 1. 82 10 - 12 1 6 型 , 区缩小形成 相圈型 . 钛的加入使铁的 下降 ,先略下降(至 0. 24 含量时达最低点 )然后迅速上升 ,在钛含量为 0. 75 和温度约为 1100 处与 汇合而形成封闭的 相圈 ;钛在 铁中的最大溶解度约为在 1 289 时的 9. 8 ,随温度降低其溶解度也降低 ,至 700 以下基本保持约为 2. 5 . 在温度约为 1 289 时 , 铁与金属间化合物拉氏相 成共晶体 ,其钛含量约为 167 析方法得到的 铁中的扩散系数为 8 D = 0. 15 - 60 000R T ) s (含 0 0. 7 %1 075 1 225 ) (1)用同一方法获得的 铁中的扩散系数为 8 :3. 15 - 59 200R T ) s (含 0. 7 - 3. 0 % 1 075 1 225 ) (2)用薄层残留放射性方法得到的 铁中的扩散系数则为 9 :2. 8 - 57 800R T ) s (含 2 % 900 1 200 ) (3)最后 , - 自扩散系数的放射性元素示踪法测定结果为 10 :8. 6 10 - 6 - 35 900R T ) s (690 880 ) (4) - 自扩散系数的放射性元素示踪法测定结果则为 11 :1. 9 10 - 3 - 36 500 490R T ) s (900 1 580 ) (5)以上各式中扩散激活能的单位均为 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 原子半径与钛原子半径的比值分别为约 0. 53 和 0. 50 ,均小于 0. 59 ,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 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 点阵常数为 0. 432 85 12 ,摩尔体积为 1. 221 10 - 5 密度为 4. 907 g/ 线胀系数为 7. 74 10 - 6/ K(12 270 ) 13 ,熔点为 3 065 15 14 ,室温正弹性模量 E 为 4. 600 10513 ,显微硬度为 0014 . 定压比热 49. 53 + 3. 35 10 - 3 T - 14. 99 105 T - 2 (298 1 800K)J / K 15 ,298 H 为 - 183. 8 16 点阵常数为 0. 424 0 17 ,摩尔体积为 1. 148 10 - 5 密度为 5. 394 g/ 线胀系数为 9. 35 10 - 6/ K(25 1 100 ) 13 ,其熔点为 2930 14 ,室温显微硬度为 14 ,定压比热 49. 86 + 3. 94 10 - 3 T - 12. 39 105 T - 2 J / K 298 1 800 K) 15 ,298 K 时的形成热 H 为 6 16 其点阵常数和密度可用线性内插法计算而得 铁中的固溶度积公式 ,其中常用的为 : C ) = 5. 33 - 10 475/ T 18 (6)8 云 南 工 业 大 学 学 报 第 15 卷 1995o., C ) = 2. 75 - 7 500/ T 19 (7) N ) = 3. 94 - 15 190/ T 20 (8) N ) = 0. 32 - 8 000/ T 21 (9)碳化钛和氮化钛在 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 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 : N ) L = 5. 90 - 16586/ T 20 (10)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或溶氮量 N 22 . 同时还可由此计算碳化钛、氮化钛及碳氮化钛在 铁或 铁中沉淀析出时的化学自由能 1 C 或 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 :(100) (100) ,010 010 23 (100) (100) ,011 010 24 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能 25 : J / = 0. 9304 - 0. 4156 10 - 3 T ( K) (11) (J / = 0. 8737 - 0. 3902 10 - 3 T ( K) (12)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 26 ,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 (100) (100) 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. 47 ,对氮化钛而言为 1. 68 ,各温度下比界面能的具体计算结果详见参考文献 26 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 27 29 : 8 M T t = m 3 t (15)式中 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 , V M 第二相的摩尔体积 , 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 1 ,当钢材成分满足理想化学配比时 ,碳化钛的粗化速率 00 时为 0. 505 3 ,1 200 时为 4. 96 3 ,而对氮化钛来说则分别为 0. 193 和 1. 76 nm/3 ,比 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 十 尺寸数量级 ,从而充分发挥其强韧化作用 其强化机制可能是切过机制 ,也可能是 制 ,有关的理论计算表明 30 ,强化机制发生转换时的临界尺寸 ,对碳化钛而言为 2. 68 对氮化钛为 3. 95 因此 ,钢中碳氮化钛的沉淀强化机制主要为 制 30 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 期 雍岐龙 ,田建国 ,杨文勇 等 : 钛在钢中的物理冶金学基础数据 1995o., 考 文 献1 雍岐龙 ,马鸣图 ,吴宝榕 . 微合金钢 - 物理和力学冶金 . 北京 :机械工业出版社 . 19892 9th 2 , 1979 , 7983 A. 6th 1983. 8 34 A. 6th 1983. 14 25 A , 6th 1983 , 15 36 ,2. 19797 , . 19588 H , R E. 1959 ,215 : 6139 Y F , . 0314 , 196710 , M. 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