（钢铁冶金专业论文）稀土对bnbre钢组织及性能的影响.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文就稀土残留在钢轨钢中对其组织的影响展开了系统的研究。首先测定稀土 对相变点影响，从而预测稀土对组织影响。本文研究的稀土对组织影响包括稀土对 奥氏体晶粒尺寸的影响、稀土对热轧态及淬火态析出物碳化铌的大小、形状、分布 的影响、稀土对硫化物的形态、分布的影响、在热轧态中稀土对位错塞积以及位错 与碳化铌交互作用的影响，稀土对珠光体片间距、渗碳体厚度的影响，以及稀土对 热轧态带状组织的影响。 对相变点测定发现随着稀土残留量增加，奥实体向珠光体转变点a r la t 3 降 低，马氏体转变m s 点升高。 对微观组织的研究主要比较了稀土残留量为o 和稀土残留量为o 0 2 7 1 两种化学 成分的试验钢的微观组织，从而确定稀土与铌的交互作用。由光学显微照片发现稀土细 化奥氏体晶粒，用截线法测量其晶粒平均直径由3 4 4 8 p m 减小到2 6 3 2 1 j r n 。扫描电镜背 散射像发现稀土使热轧态析出物碳化铌尺寸减小，长由2 8 6 7 p m 减小到1 o 面。4 5 岬， 宽由1 1 1 - 7 舯减小到0 3 p m 0 8 p m 。形状由矩形或长条形转变为圆形。由分布在晶 界或晶界附近变为分布在晶内或晶界上，带状分布形式减弱，部分碳化铌弥散分布在基 体上。透射电镜观察发现稀土残留量为o 及稀土残留量为0 0 0 2 1 碳化铌析出在铁素体 与渗碳体交界处，稀土残留量为0 0 2 7 1 碳化铌析出在两片渗碳体间的铁素体中部。稀 土也使淬火念碳化铌尺寸减小，长由4 8 6 0 9 m 减小到1 6 也0 p m ，宽由o 4 - o 9 p m 减 小到o 5 o 6 岫。稀土残留量为o 0 2 7 1 时，碳化铌和稀土硫化物相间沿轧制方向分 布。在稀土硫化物附近析出的碳化铌为不规则形状，而在其它部位析出的碳化铌为规则 的圆形、矩形或长条形。稀土改变了硫化物形状，由长条形变为圆形或椭圆形。稀土残 留量为o 的试验钢中，透射电镜像发现在碳化铌的周围存在位错圈。珠光体片间距由 0 2 5 p m 减小到0 2 0 岬，渗碳体厚度由0 0 5 p m 增加到0 1 l 岬。 关键词：b n b r e 钢微观组织交互作用相变点 内蒙古科技大学硕士学位论文 t h ee f f e c to fr eo nm i c r o s t r u c t u r eo fr a i ls t e e l t h ea r t i c l es y s t e ms t u d yt h a tt h ee f f e c to fr eo nm i c r o s t r u c t u r eo fr a i ls t e e l t h ec o n t e n t i n c l u d et h ee f f e c to fr eo na 咖s i z e 、t h ee f f e c to fr e0 nn b co fs i z e 、s h a p e 、 d i s t r i b u t i o n t h ee f f e c to f r eo nsc o m p o u n d o f s h a p e t h ee f f e c to f r e o nd i s l o c a t i o n sb l o c k t h ee f f e c to f r eo nd i s t a n c eo f pb e t w e e nt w ops l i c et h ee f f e c to f r eo nf e 3 ct 1 1 i c k n e s sa n d t h ee f f e c to f r eo nh e a tr o l lb e l ts h a p em i c m s t r u c t u r e d e t e r m i n ep h r a s et r a n s f o r ms p o tf i n dt h a tw i t hr er e m a i nq u a n t i t yi n c r e a s i n ga r la r 3 s p o t t h a ta c h a n g e i n t opd e c r e a s e ，m ss p o tt h a tm c h a n g e i n c r e a s e t h ea r t i c l em a i n l yc o n t r a s tt w or er e m a i nq u a n t i t ye x p e r i m e n ts t e e lo fm i c m s t r u c t u r e 。 t h e ya r er er e m a i nq u a n t i t y0 a n dr er e m a i nq u a n t i t yo 0 2 7 1 a c c o r d i n gt oo p t i c m i c r o s c o p ep i c t u r e , w i t hr e r e r t l a i l lq u a n t i t yi n c r e a s i n gr em a k ea g r a i ns i z et i n y ag r i n e q u a l l yd i a m e t e r d e c r e a s ef r o m3 4 4 8 i m at o2 6 3 2 p a n a c c o r d i n g t os c a ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e p i c t u r eo f b a c k s c a t t e r e de l e c t r o n i cm i c r o s t r u c t u r ed i f f e r e n tr er e m a i nq u a n t i t yi nh e a tr o l l s t a t ea n dq u e n c hs t a t em a k en b c s h a p e 、s i z e 、d i s t r i b u t i o nc h a n g e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t i n d i c a t et h a th e a tm l ls t a t en b cs i z ed e c r e a s el o n gf r o m2 8 - - 6 7 岫t o1 0 , - 4 5 p m ，w i d ef r o m 1 1 1 7 p r nt oo - 3 0 8 p m i t ss h a p ef r o mr e c t a n g l et os t r i po rc i r c u l a r i t sd i s t r i b u t i o na l s o c h a n g e f r o mo nt h eg r a m e d g e t og r a mi n n e ra n df r o m s t r i pd i s t r i b u t i o nt od i s p e r s ed i s t r i b u t i o n t oq u e n c hs t a t en b cl o n gd e c r e a s ef r o m4 8 “0 岫t o 1 之0 p m w i d ed e c r e a s e f r o m o 4 - o 9 b mt o0 5 o 6 1 s m n b ca n d s c o m p o u n d a l t e r n a t ew i t ha l o n gr o l ld i r e c t i o nd i s t r i b u t i o n n e a rsc o m p o u n dn b c s h a p eb e c o m ei r r e g u l a rb u ta to t h e rp o s i t i o nn b c i sc i r c u l a rr e c t a n g l e o rs t r i p r ec h a n g esc o m p o u n d s h a p e ，i t ss h a p ef r o ms t r i pt oc i r c u l a ro re l l i p s e pd i s t a n c e b e t w e e nt w os l i c ed e c r e a s ef r o m 0 2 5 1 m a t o0 2 0 ”m a tt h es a m e t i m e , f e 3 ct h i c k n e s si n c r e a s e f r o m 0 0 5 p m t o0 1l p m k e yw o r d s ：b n b r e s t e e lm i c r o s t r u e t u r ei n t e r a c t i o ne f f e c t p h r a s ec h a n g es p o t 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：兰竺! 尘 内蒙古科技人学硕士学位论文 引言 随着我国现代化步伐的加快，对铁路运输提速、重载和大量运输的要求同趋迫切， 铁路运输已成为制约国民经济发展的瓶颈产业。钢轨作为铁路运输的主要部件对改善 铁路运输状况起着举足轻重的作用。为缓解铁路运输的紧张状况和适应国民经济发展的 战略需要，研制高强耐磨钢轨的任务以严峻的摆在冶金工作者面前。 我国铁路待车速度普遍提高，旅客列车晟高运行速度提高到1 4 0 k m h 1 6 0 k m h 。其 中广深准高速公路最高运行速度由1 6 0 k m h 增加到2 0 0 k m h 。同时时速2 0 0 k i n 的秦沈客 运专线已开工建设，货物列车将达到8 0 k m h 8 5 k m h ，京沪高速铁路的前期工作全面展 开，重载运输也得到迅速发展。目前我国铁路已形成了高密度，大轴重以及高速度并举 的局面。速度和轴重同时提高，无疑对钢轨的使用性能提出了更高的要求。就一般情况 而言，在相同的条件下，钢轨越重，钢轨的磨损数量越小。但钢轨接触疲劳损伤总数的 比例提高，特别是轨头伤损占主要比重。因此。钢轨重型化后，必须增加抗磨损和抗接 触疲劳能力，必须对其材质，尤其是轨头部分进行强韧化处理【l 】。 我国的稀土资源丰富，发展稀土处理钢对弥补我国钢铁企业技术与装备差距，参与 国际市场竞争，具有重要意义。目前，许多院校所对稀土在钢中的作用机理的深入研 究，已相继取得进展，对其改善钢坯质量，提高钢材性能等多方面取得成果，尤其对稀 土微合金化作用机理的进一步研究，必会极大的拓宽稀土在钢中应用的范围，扩大稀土 应用。 本文将u 7 1 m n 钢中加入r e 和n b 两种微合金元素，通过对其微观组织的研究， 确定r e 和n b 两种微合金元素对u 7 1 m n 钢性能的影响。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 钢轨钢的发展及展望 1 1 1 钢轨钢的研究现状 自从轨道交通问世以来，已开发出了各种钢轨断面适应客运和工业的需求。如今， 平底轨、导向轨、电车轨、吊车轨和特殊轨己广泛使用。这些钢轨都采用适合其用途的 钢种生产。图1 1 展示出了过去1 5 0 年来钢轨钢的发展历程 2 1 。表l ，l 给出了主要钢轨 钢的特性。9 0 0 级以上的高强度钢轨钢全部为珠光体 3 1 。 i m t 宴t 趔 睡 垡 蜒 图1 1 钢轨钢发展历程 f i 9 1 1d e v e l o p m e n t p r o c e s s o f r a i l s t e e l 表1 1 主要钢轨钢的性能 t a b l e l 1f u n c t i o no f m a i nr a i ls t e e l 钢轨钢种化学成份膈抗拉强度显微组织 cb a n c r m p a 吊车轨 0 3 50 86 0 05 0 铁素体+ 5 蝴珠光体 平底轨 钢级7 0 00 5 0 1 o l 7 0 0 3 0 铁素体+ 7 0 粗珠光体 钢级9 0 00 7 50 0 9 0 0 1 0 0 粗珠光体 钢级1 1 0 00 ，7 51 1o 9 1 1 0 0 1 0 0 细珠光体 h h l l 0 0 0 7 51 o 1 1 0 0 1 0 0 细珠光体 ( 轨头淬火) 2 内蒙古科技人学硕士学位论文 目前，国内高强度耐磨钢轨有鞍钢研制的7 4 s i m n v ( 1 0 7 8 m p a ) ，攀钢研制的p d 3 ( 9 8 0 m p a ) 。国外有美国的c r m n 和c r m o 轨( 1 0 7 8 m p a ) ，西德c r m o 轨 ( 1 0 7 8 m p a ) 和c r v 轨( 9 8 0 m p a ) ，法国的c r s i 轨( 1 0 7 8 m p a ) 以及加拿大的c r - s i n b 轨，英国的m n - c r 轨，澳大利亚的c r - m o v 轨，日本的c r o v 轨等，也有些国家生 产热处理或合金热处理轨可使钢强度达到1 7 8 5 m p a 以上【4 】。 1 1 2 引起钢轨失效的原因 影响行车安全和钢轨使用寿命的主要损伤形式有：磨损，主要是上股侧磨和下股压 溃。另外由于屈服强度不足，还会引起波浪磨耗以及塑韧性低导致的脆断、剥落、掉块 和轨头劈裂、焊接裂纹等。 根据钢轨的服役条件，改进钢轨质量的关键是提高下述性能：1 ) 耐磨性：钢轨的耐 磨性与钢的硬度有密切的关系。在同一显微组织范围内硬度是抗磨损的决定因素。实验 表明，耐磨性与钢轨钢的珠光体体层间距有很大的关系。珠光体组织细，体层间距小， 则耐磨性能高。钢轨和车轮是一对摩擦付，轮轨之间有滚动摩擦，也有滑动摩擦。提高 钢轨的硬度和屈服强度可以改进其耐磨性。磨损抗力随着钢的强度的增加而增加，目 前，有的钢轨强度可达到1 1 0 0 1 2 0 0 n m m 2 。然而，是以韧性、焊接性、断裂阻力为代 价的”1 。对于研究硬度为3 8 h r c 的轮轨在干燥磨损情况下得出，在淬火马氏体中，总 的裂纹长度比在珠光体中的大。进一步的研究表明，控制干燥磨损性能的不是最初的硬 度，而是由于钢轨的加工硬化能力。呈现出高的加工硬度的原因是在这种钢的微观结构 中，珠光体层存在不同的碳化物形态。在低于大约6 0 0 。c 的转换温度，珠光体的微观结 构特性改变，f e 3 c 层逐渐成为不规则的。在更低的5 7 5 转换温度下这些渗碳体层的本 质特征仍然存在。他们具有高的纵横比或表面体积比。这样随着铁素体生成非常细小的 片层结构，铁素体很容易切换成f e 3 c 。l a n g f o r d 研究了在拉拔中细化珠光体指出了珠光 体片层帕j 距和强度之间的关系【3 1 j 。 2 ) 抗剥离性：车轮和车轨之间的接触应力最高可达1 9 6 0 m p a 。而最高剪应力是发生 轮轨接触点下3 一- 6 m m 的位置。在高应力区的钢轨内部如果显微组织粗大或存在非金属 夹杂物，则很容易发生接触疲劳裂纹，并且很快发展成为剥离。往往各种疲劳缺陷起源 于钢中的夹杂物处，特别是不变形的氧化物夹杂。因此，控制钢轨的内部质量和钢的纯 洁度是至关重要的。3 ) 断裂韧性：对于高碳钢来说，断裂韧性是一个非常重要的性能， 高的断裂韧性、高强度、高塑性结合是线路上钢轨避免脆断的必要条件。钢轨的脆断性 与珠光体中渗碳体片的厚度和晶粒大小有关。随着渗碳体片厚度增加，冲击功的上平台 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 下降。晶粒粗大导致冲击韧性下降，此外，钢种夹杂物尺寸和形态，残余应力的大小也 对钢的断裂韧性有很大影响。4 ) 可焊性：由于焊接长轨线路的比例的迅猛增长，需要钢 轨在闪光焊，气压焊和铝热焊中可焊性良好。5 ) 耐压溃性：钢轨的压溃性主要取决于钢 轨的屈服强度c 02 。随着珠光体片间距的减小，屈服强度提高，耐压溃性也改善”1 。 1 1 3 目前提高钢轨性能的方法 目前钢轨存在的问题，从钢轨材质方面分析，主要是强度低、韧性差、夹杂物多易 形成疲劳裂纹源导致钢轨早期失效。因此今后钢轨应从强韧化和纯净化方面作为主要努 力方向。根据国内外的许多相关资料及报导，用于提高钢轨性能的工艺方法大致有两 种：一种是采用微合金化的方法来提高钢轨的性能，另一种是采用热处理工艺来强化钢 轨1 1 0 】，其强度可达到1 0 0 0 1 2 0 0 m p a 。对某些条件特别苛刻的重载线路，普通碳素钢 轨的全长淬火或合金钢轨也不能满足要求。因此，已开始采用复合强化，即合金化、变 形强化和热处理强化三位一体的生产工艺。合金元素中最普通和大量采用的是m n ，通 常的主要作用是固溶强化，并降低碳在铁中的共析度。为了提高钢轨钢的强度，还加入 其它合金元素，主要是c r 、m o 、n b 、v 、c r 和m o 。它们均为固溶强化元素。加入 c r 、m o 的主要作用是推迟珠光体转变，细化珠光体，从而提高钢的强度和耐磨性，同 时提高钢的渗透性。v 和n b 的作用是细化晶粒和析出强化，因而提高钢的强度，特别 是屈服强度。加n b 对改善碳素钢轨钢的可焊性有好处，其特点是焊缝区的硬度比较均 匀1 。微合金处理钢的强韧化效果与微合金化的元素的含量、溶解温度、凝固过程和 热处理工艺等密切相关。在奥氏体化温度时，要使微合金碳氮化物部分不溶，以阻碍奥 氏体晶粒长大，相变时作为晶核，促进晶粒细化，部分固溶，以使钢在冷却和时效过程 中析出，以利沉淀强化i l “。 细化晶粒是提高钢轨性能的重要思想技术。理论计算，晶粒尺寸减少一个数量级， 将导致晶粒强化项的增量达到先前的l o 倍，脆性转变温度也将明显降低。当尺寸达到 0 1 岬时，应力集中将消失。微观变形是均匀的，可以得到接近理想强度的材料。因 此，钢轨的生产应注意控制凝固组织细化、加工组织细化及最终相变组织细化【“j 。钢轨 强度的提高与耐磨性增加相关且同向，钢轨磨耗速度涉及钢轨的使用寿命，除通过提高 强度，增加硬度外，尚可添加合金元素如n b 、r e 进一步改善其耐磨性。降低高强度条 件下的延迟断裂敏感性。延迟断裂一般为晶间断裂，因此，需强化晶界和提高韧性以及 降低容易偏析在晶界的s i 、m n 、p 、s 含量，防止晶界脆化；晶粒细化，可添加使晶粒 细化的微量元素如v 、t i 、n b 等，可添加抗回火软化性能好的微量元素m o 、v 避开引 4 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 起晶界脆化的回火温度区域。高强度钢轨钢抗拉强度超过1 2 0 0 m p a ，也会出现断裂敏感 性问题。因此，通过微合金化有效避免晶界脆断是切实可行的措旋”5 。1 们。 1 1 3 1 细化珠光体组织 细珠光体钢在接触疲劳过程中的塑性变形能力高于粗珠光体钢。t e m 观察结果表 明：部分样品珠光体中的铁素体内存在高密度的位错。从位错的分布来看，主要集中在 铁素体渗碳体界面附近。这说明铁素体内产生了塑性变形，铁素体的塑性变形要受到 相邻渗碳体的阻碍作用。铁素体发出的位错在铁素体渗碳体的界面上发生塞积。因 此，可以判断在铁素体渗碳体界面上存在应力集中，是疲劳裂纹可能发生的位置之 一，细化珠光体，可以起到使变形均匀分布，缓解应力应变集中的作用，对延缓接触疲 劳裂纹的萌生有利。 1 1 3 2 减小珠光体片层间距 珠光体进一步强化到11 0 0 1 2 0 0 m p a 的抗拉强度是在使珠光体细化程度提高的基础 上进行的。9 0 0 级钢的连续冷却相变( c c t ) 图表明，珠光体显微组织的最大强度约为 1 2 0 0 m p a ，说明实现珠光体细化有两种可能。第一、例如通过添加铬，奥氏体向珠光体 转变区可向右移动，在此轨头空冷将奥氏体转变成了窄片间距的细珠光体这种类型是轧 制后空冷的1 1 0 0 级高强度和高耐磨性合金钢。第二、是使轨头进行加速冷却，让9 0 0 级钢的奥氏体转变为珠光体趋向左移动，以实现细珠光体显微组织：在钢成分相同下得 到1 1 0 0 1 2 0 0 m p a 的抗拉强度。这种类型是轨头淬火钢轨。轨头热处理和加速冷却可在 加热后( 离线) 或轧制后仍为奥氏体显微组织时进行( 在线) 。 随着中国铁路运输的发展，铁路用钢轨面对更加苛刻的服役条件。提高钢轨质量的 方法之一就是利用国内资源相当丰富的稀土元素对钢轨进行处理。 1 2 稀土在钢中的应用 稀土( r e ) 是指化学元素周期表中第1 血族包括钪( s ) 、钇( y ) 和镧( l a ) 共 1 7 个元素。5 0 年代初，美国用稀土处理不锈钢和铸钢，解决了这类钢的质量问题。引 起了各国对稀土应用的兴趣。6 0 年代后期，稀土已经成为低合金高强度钢材的控制元 素，改善了钢的冷成型性能。7 0 - - 8 0 年代稀土在世界冶金工业中的应用一直占稀土用量 的首位，主要用于控制硫化物的形态，同时脱氧、脱硫提高横向性能及低温韧性。目 前，主要研究稀土微合金化的作用。 1 2 1 稀土处理钢的发展前景 5 一 内蒙占科技大学硕士学位论文 我国的稀土资源丰富，发展稀土处理钢对弥补我国钢铁企业技术与装备差距，参与 国际市场竞争，具有重要意义。目前，许多院校所对稀土在钢中的作用机理的深入研 究，以相继取得进展，对其改善钢坯质量，提高钢材性能等多方面取得成果，尤其对稀 土微合金化作用机理的进一步研究，必会极大的拓宽稀土在钢中应用的范围，扩大稀土 钢的应用。 稀土处理钢在一些钢厂应用已达到一定规模。到9 0 年代中期，武钢以达到4 2 万 吨、4 8 个品种，预计“九五”将进一步增加。相信稀土处理钢会有广阔的发展前景。 炼钢生产中最常用的稀土产品有两种：一种是稀土硅铁合金，另一种是混合稀土丝 或棒( 其中r e 9 9 、0 4 8 ) 。随着稀土在钢中作用机理的不断深入和稀土处理钢生产 实践的发展，一般认为钢中加入的稀土主要起到三个方面的作用，即净化作用、变质作 用和微合金化的作用“”。稀土在钢中的存在形式主要有三种，他们是稀土夹杂物。稀土 固溶体和金属间化合物。其中后二种形态随着稀土的增加和钢中氧、硫的减少而增加。 固溶体中稀土的细化晶粒作用使得u 7 4 r e 的晶粒度比u 7 4 细o 5 级。而且u 7 4 r e 的珠光 体片层间距也比u 7 4 小0 0 2 4 p m 。固溶体中稀土的另一个作用就是对渗碳体机体晶格的 破坏，这导致钢的显微硬度的增加。稀土原子取代了渗碳体的铁原子，而形成所谓的合金 渗碳体“”。 1 2 2 1 稀土对钢中夹杂物的变质作用 稀土加入钢中主要起脱氧、脱硫和变质夹杂的作用。反应产物主要是稀土夹杂物。 随着稀土加入量的增加，完成脱氧、脱硫和变质夹杂作用后，富裕的稀土会固溶在钢 中，其固溶量可达到1 0 气1 0 r 4 数量极，这部分稀土将起到合金化的作用“铂。当用铝终 脱氧时，m n s 夹杂对钢的横向塑性和韧性的危害，特别是在连轧钢板中的危害十分突 出。未加稀土前，钢中夹杂物主要是长条状的m n s 和少量成串的a 1 2 0 3 和铝酸盐；加 入稀土后，随稀土加入量的增加，钢中夹杂物首先出现不变形或难变形的r e 2 0 2 s 和 r e 2 s 3 ，进而甚至出现r e s 。长条状的硫化物夹杂基本消失，形成了细小的圆形或椭圆 形的稀土硫化物、稀土硫氧化合物。横向冲击韧性逐渐增大，直到接近纵向冲击韧性的 水平。相应的钢的各种疲劳性能得到明显的改善。钢中加入r e ，可以改善铸态组织， 缩短铸状晶，减少枝晶偏析。而且，由于稀土的作用，使得夹杂物的形状由链状转变为 球状或纺锤状，这些变化减少了偏聚力和应力集中的影响。因此，由于相变应力和热应 力导致的裂纹萌生和扩展被抑制了。对于在线路上服役的钢轨来说，正是由于这种夹杂 物的变性作用在最大剪应力区减少了裂纹萌生，因而，提高了钢的疲劳陛能“1 。 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 3 稀土对钢性能的影响 1 2 3 1 稀土改善钢的疲劳性能 钢中加入r e ，可以改善铸态组织，缩短铸状晶，减少枝晶偏析。而且，由于稀土的 作用，使得夹杂物的形状由链状转变为球状或纺锤状，这些变化减少了偏聚力和应力集 中的影响。因此，由于相变应力和热应力导致的裂纹萌生和扩展被抑制了。对于在线路 上服役的钢轨来说，正是由于这种夹杂物的变性作用在最大剪应力区减少了裂纹萌生， 因而，提高了钢的疲劳性能“1 。 1 2 3 2 提高铸钢的强度和塑性、韧性 对于无相变的高合金铁素体钢或奥氏体钢，例如z g m n l 3 、z g c r 2 8 等铸造晶粒组织 粗大，通过添加稀土细化晶粒，可提高铸钢的屈服强度和韧性、塑性。可减轻枝晶偏析 提高铸钢的高温塑性，消除铸件及锻件中的热裂纹。加入稀土，钢的强度、均匀性得以 改善，这是因为稀土对钢的强度的影响是复杂的。一方面，稀土净化钢液与n 、p 交互 作用，减少珠光体数量等会导致强度的降低。另一方面，稀土在钢中固溶，减少珠光体 片层间距。稀土细化晶粒及促进碳氮沉淀相析出等作用，有利于强度的提高。随着钢中 稀土含量的增加，铁素体数量增多，珠光体数量减少，晶粒度级别略有提高。究其原因 是由于稀土降低了碳在铁素体中的活度，增大了铁素体的溶碳能力，从而对组织中珠光 体含量产生了减少的影响m 1 。 1 2 3 3 提高铸钢的耐磨性 在钢轨钢中，也有耐磨性提高的报道，但尚有一些争论。由于影响钢的耐磨性因素 很多，而钢磨损的机制也随磨损形式和种类不同而不同，因此，目前对稀土的作用尚不 能得到统一认识。不过有一点可以肯定，钢中稀土使夹杂物变少、变小和球化，使晶粒 细化和使碳化物及渗碳体尺寸变细，这些作用都可以提高钢的耐磨性。 1 2 3 4 稀土抑制晶粒长大 高温金相表明，未加稀土的2 0 m n v b 钢在9 8 0 晶粒开始长大，到1 0 2 0 时则显著 长大，而稀土处理钢晶粒长大温度提高到1 0 8 0 ，而到n 2 0 时晶粒才显著长大；稀 土处理的1 6 m n 钢的奥氏体晶粒长大温度为1 1 0 0 c ，比未加稀土的钢高1 5 0 c 。 稀土除了能提高晶粒长大温度外，还可细化形变再结晶晶粒尺寸，稀土还能强烈阻 碍a f e 和r f e 的晶粒长大。稀土细化晶粒的实质，在于稀为表面活性物质。固溶稀 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 土主要分布在晶界，降低了奥氏体晶界的界面张力和晶界能，使晶粒长大驱动力减少， 把晶粒长大移动到更高的温度范围。从而达到了细化晶粒的目的。”“。 稀土细化钢的晶粒和阻止晶粒长大的作用是肯定的。其机制可能有几种：1 ) 稀土 高熔点夹杂的非平衡结晶核心论；2 ) 稀土在铸态组织晶间偏聚论；3 ) 稀土在晶界析聚 论；4 ) 稀土化合物质点阻碍晶界迁移论( 如，稀土氧化物质点阻碍f e c r a 1 合金晶粒 长大) 。不论通过何种机制，稀土细化晶粒作用对钢的性能将有重要影响，例如，对低 温韧性、屈服强度、淬透性及耐磨性都有影响。 1 2 3 5 稀土对淬火开裂及裂纹的影响 未加稀土的试样表面的裂纹形态都是沿晶断裂的，在主裂纹的两侧伴有二次裂纹产 生。并随着主裂纹的扩展沿晶界向其他方向扩展。而加入稀土的试样表面裂纹既有沿晶 扩展，也有穿晶扩展，二次裂纹数量较少。稀土元素提高抗淬裂的原因是由于未加稀土 的试样其晶界强度低于晶粒强度，故断裂形式为沿晶断裂。而加稀土后，其晶粒细化晶 界强度提高，与晶内强度相当。故断裂形式既有沿晶断裂又有穿晶断裂。当加入过量稀 土时，稀土对晶粒的细化作用变弱，晶界强度降低，使淬火开裂倾向增加o ”1 。 1 3 铌在钢中的作用 铌的化学性能非常稳定，常温下和空气中都不与氧作用，具有耐高温，耐酸眭，抗疲劳 等性能，有钢铁维生素之称。铌是强碳化物性形成元素，其形成的n b c ，n b 。c 。高温稳定性 虽不及碳化钛，但对钢的蠕变极限、持久长度、冲击韧性、脆性、临界转变温度、焊接 性能等均有良好影响“”。微合金钢中钒、铌的细化晶粒和沉淀强化作用，是通过这些元 素的碳氮化物沉淀析出起作用的翌1 。n b 作为强有利的析出元素和固溶元素，提高钢材 的淬透性，促进热影响区粗晶区( c g h a z ) 中形成针状组织，从而影响( c g h a z ) 的抗断 裂性能“”。 1 。3 。1 ，铌在钢中作用的基本规律 1 ) 碳化铌沉淀强化作用：稳定的碳化铌细化晶粒在晶体上的均匀分布，起了沉淀强 化的作用。微合金钢中钒、铌的细化晶粒和沉淀强化作用，是通过这些元素的碳氮化物 沉淀析出起作用的“1 。大多数作者都认为碳氮化物微粒在铁素体相内半共格析出时，才 能达到明显的强化效果”。2 ) 直接强化固溶体：在钢中，除了以碳化铌形式存在外，剩余 铌进入固溶体，强化固溶体，使晶格原子键显著增加，使再结晶温度显著提高。3 ) 铌间接 8 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 强化固溶体：铌与碳的结合，促使钼进入固溶体，使固溶体间接强化作用。低合金钢中铌 可以提高强度、韧性及改善焊接性能“”。 1 3 2 铌对冲击韧性的影响 裂纹形成功反应了材料抗裂纹形成的能力，裂纹扩展功反应了材料抵抗裂纹扩展的 能力。对于不同处理状态的材料来说，即使总冲击功魄相同，但裂纹形成功和扩展功不 同时，材料的韧性也不同。材料的裂纹扩展功小表示材料断裂前塑性变形小，裂纹一旦 出现材料就会立即断裂，即其韧性不好。因此，裂纹扩展功才能真正显示材料的韧性。 由实验可得，铌提高了钢的冲击韧性“、”。 1 3 3 铌对加工硬化的影响 铌氮能降低层错能，使钢形成较多的层错能。在面心立方晶体中，滑移面上的位错 要分解为一对不全位错，它们之间央着一密排六方结构的堆垛层错，由于溶质原子对不 同的晶体结构具有不同的化学势，所以溶质原子在密排六方结构的层错中和在面心立方 基体中的溶解度不同。从而造成化学交互作用。位错运动时要使层错带的位置发生变 化，原子必须进行扩散。而常温下原子扩散比较困难，因而位错运动必然遇到阻力，并 且扩散位错宽度越大，这种阻力就越大，于是材料得到强化。铌的碳氮化物弥散分布于 基体内，对位错产生钉轧作用。综合上述作用，钢的加工硬化性能大大提高“、”。 1 4 稀土和铌的交互作用 铈与铌钒等微量元素或少量元素不生成化合物，当存在微量氧硫情况下，均生成 c e 2 0 2 s 稀土硫氧化物：计算其平均常数与标准自由能，得出铈分别与铌钒的活度相互 作用系数为负值，彼此降低活度和增加溶解度，铈有利于提高这些元素的利用率。稀土 对钢的机械性能的影响主要是提高塑性和韧性。如果将稀土和这些元素分别或同时加入 钢中，不仅净化钢液、控制夹杂物形态、改善一次组织，而且有固溶强化和沉淀强化的 作用，使钢材既有高的强度又有良好的塑性嘲。稀土和铌的交互作用可以提高钢的塑性 变形能力和冷作硬化能力。当稀土和铌含量增加时，强度和塑性提高很慢，但塑性变形 能力( 6 ) 提高很快1 2 j 。 1 4 1 稀土对沉淀相析出行为的影响 由于稀土对c 、n 、n b 、t i 的活度相互作用系数均为负值。稀土降低了钢中n b 、 c 、n 的活度，从而降低了析出物的过度饱和扩散系数，增大临界形核功。因此稀土对 沉淀相在奥氏体区析出有抑制作用。钢中铌绝大多数以沉淀相析出，并随着稀土含量的 一9 一 内蒙古科技人学硕士学位论文 增加，沉淀相析出量增加，固溶铌量减少。稀土促进了沉淀相的析出说明在铁素体区 ( 包括相间沉淀) 稀土促进沉淀相析出作用超过在奥氏体的抑制作用。当钢中固溶稀土 量较低时( 1 1 0 4 ) 促进沉淀相析出的作用不明显。稀土使( n b ，t i ) ( c 姗析出数量增 加，颗类变细，有利于发挥w o , t i 在钢中稀化晶粒和沉淀强化的作用i 2 s j 。 稀土抑制奥氏体晶粒长大和细化晶粒的作用：稀土对碳氮化钒的完全溶解温度从 1 0 0 0 降到9 0 0 ，表明在奥氏体区，稀土使碳氮化钒的稳定性降低，促进沉淀相的溶 解。根据应力松弛曲线绘制成的沉淀温度一时间( p 1 1 ) 曲线稀土的加入使p 1 t 曲线 右移，不仅推迟了碳氮化钒的析出，而且沉淀析出的时间延长了越1 0 s ，减小了沉淀速 率，表明在奥氏体区稀土对钢中的钒应变诱导析出起抑制作用。稀土在铁素体区对碳氮 化钒沉淀析出的影响：结果表明，稀土促进碳氮化钒相问沉淀析出，稀土不仅使碳氮化 钒析出量增加，而且颗粒变t 2 9 1 。有利于提高钢的强韧性。稀土的加入使钢的奥氏体 晶粒度提高一级，使铁素体晶粒度提高2 5 级。稀土在奥氏体相温度范围可以阻止铌淀 相的析出过程。 1 4 2 稀土对钢中n b 的析出数量影响 钢中铌绝大多部分以沉淀相的形式存在，且随稀土含量的增加，铌的析出量略有增 加。加入稀土后的沉淀数量普偏要高一些，这是因为，在铁素体区，铌的析出反应是形 核长大控速，加入稀土后速率常数增大，说明r e 可以促进n b c 在铁素体相的形核，因 此添加稀土将会有较多的临界形和核心，n b c 沉淀颗粒数量将增多o ”。 1 5 选题的意义及研究内容 1 51 选题意义 b n b r e 钢是1 9 9 1 年由包头钢铁公司承担，钢铁研究总院和铁科院金化所协作研制 的一种轨梁钢，该钢在原u 7 1 m n 钢的基础上加入r e 和n b 两种微合金元素。b n b r e 钢轨的耐磨性、可焊接性、强度以及抗剥离等性能均超过了原u 7 1 m n 钢轨。包头钢铁 集团公司对该钢种作了大量试验，并投入使用后均证明该钢的使用性能良好，但以上工 作均是在钢锭铸坯的基础上进行的。1 9 9 7 年包钢采用连铸坯后，工艺制度发生根本变 化，工艺变化必然引起组织性能的变化。因此很有必要对b n b r e 钢在组织及性能方面 进行系统的实验研究，确定在u 7 1 m n 钢中加入r e 和n b 两种微合金元素后，对组织及 性能的影响，达到对实际生产起到指导作用的目的。 1 5 2 研究内容 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 优良的显微组织是提高钢轨钢强韧化的关键。为此我们设计了不同稀土含量的钢轨 钢，通过比较分析不同稀土残留量的钢轨钢的奥氏体晶粒、珠光体组织、珠光体片间 距、位错、铌化物的大小、形状以及分布形式来确定稀土元素对钢轨钢的强度、塑性、 韧性及耐磨性的影响。 1 6 实验钢成分设计 实验钢原材料选用u 7 1 m n 钢坯，其成分如表卜2 。 表1 2u 7 1 m n 钢化学成分w t t a b l e l 2c o m p o u n d o f u 7 1 m n cs im n p s 0 6 7 0 7 50 1 5 0 3 51 1 0 1 5 0 o 0 4 0 o 0 4 0 c 能通过生成珠光体组织而产生磨损抗力。通常为了获得高的强韧性，钢轨钢碳含 量为0 6 0 8 5 时在奥氏体边界形成先共析铁素体。为了改善磨损抗力和防止钢轨中产 生疲劳损害。碳含量在0 8 5 以上其性能更好。随着碳的含量增加，在奥氏体边界先共 晶渗碳体增加。当含量超过1 2 时，即使细化珠光体晶粒，强度和韧性也会的破坏。 因此，碳含量范围为：0 6 1 2 。 s i 强化珠光体中的铁素体。低于0 1 起的作用很小，但超过了1 2 由于产生马氏 体组织而使钢脆化，降低了钢轨钢的强度、韧性和焊接性。因此硅的含量为0 1 1 2 m n 不仅强化珠光体组织，而且通过降低珠光体转变温度而抑制了先共晶渗碳体产 生。锰低于0 4 起不到合适的作用，超过l - 5 ，由于产生马氏体组织而使钢脆化。m n 的含量应为：0 4 1 5 。 n b 强化珠光体组织，但应根据需要选择性的增加。n b 低于0 0 0 2 不产生理想效 果。另一方面n b 超过0 0 1 在s l $ , j 过程中抑制再结晶奥氏体生成，从而形成粗制的奥 氏体晶粒，脆化珠光体钢。n b 的含量应为0 0 0 2 0 0 1 热处理c 一轨和热处理微合金轨其含量均控制在0 7 2 0 8 0 含猛量控制在 0 7 0 “1 2 0 、磷含量 1 5 时m n s 消失，形成稀土硫化 物、稀土硫氧化物。当r e s = 3 时，所有m n s 均被变性为稀土硫化物，当r e s = 4 时，稀 土硫化可以完全取代m n s 。本实验除了稀土具有变形、变性外，还要具有合金化的作 用。根据以上思路设计加入稀土量如表卜3 。 表1 试验钢种稀土加入量 t a b l e 2 - 1r ea d d q u a n t i t y t oe x p e r i e n c 2s t e e l 炉号 l234567 稀十设计加入 o0 0 0 2 50 0 0 5 00 0 1 0 00 0 2 0 00 0 4 0 00 0 6 0 0 ( w t ) 稀土设计加入长 03 6 67 3 1 31 4 6 32 9 2 55 8 6 08 7 7 5 ( r m ) 1 6 2 铌的加入量设计 铌是强碳化物性形成元素，其形成的n b c ，n b 。c 。高温稳定性虽不及碳化钛，但对钢的 蠕变极限、持久长度、冲击韧性、脆性、临界转变温度、焊接性能等均有良好影响“8 。 然而并不是钢中加入的铌越多越好，加入量有其最佳值，一般小于0 2 。具有关资料介 绍，这样的铌量对钢的持久尤其能产生良好的影响。本实验根据包钢实际生产经验，设 计铌的加入量为0 0 5 0 一0 0 5 5 。 1 7 实验技术与原理 1 7 1 非水电解液分析稀土量 吸光测定法是利用物质吸收光能的特性来测定物质含量的方法。构成物质的分子、 原子有一定的运动方式，每种运动方式属于一定能级。当分子吸收能量，具有量子化特 性，就要从原来的能级跃迁到激发态能级。此特定的跃迁能级与分子内部结构有关，因 此分子的吸收谱线的形状取决于分子的内部结构。从而可以确定物质含量。 1 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 稀土总量的百分含量按下式计算：r e ( 产1 0 0 m 一 v 式中：m 一从工作曲线上查得的稀土量，克； v l 一一曲试液体积，毫升； v 试液总体积，毫升； m 称样量，克。 固溶量的质量百分数分别按下式计算： w 目萨竺! ! 堕支1 0 0 式o e ：m l 一稀土夹杂的质量，g i n 一称取试样质量，g o 8 3 5 稀土氧化物换算成混合稀土金属的因子 1 7 2 电子探针分析 面分析：把x 射线谱仪固定在测量某一波长的地方，利用仪器中的扫描装置使电 子束在试样表面上扫描，同时，显像管的电子束受同一扫描电路的调制做同步扫描。显 像管的亮度由试样给出信息( 如x 射线强度，二次电子强度) 。用电子探针能很好地 测定出夹杂物的成分、大小、形状和分布，这对选择合理的生产工艺，减少材料中的有 害夹杂起重要作用。 1 7 3 扫描电子显微分析( s e m ) 样品在入射电子束( i 。) 的轰击下会产生图1 2 所示的各种信号：二次电子、背散 射电子、吸收电子和透射电子。 它们之间满足：专+ 丢+ 每+ 毒2 其中，二次电子是指在入射电子的作用下被轰击出来并离开样品表面的核外电子， 它们一般都是在表层5 - 1 0 h m 深度的范围内发射出来的，对样品微区的表面状态十分敏 感。凸出的夹棱、比较陡的斜面，二次电子的产额较多，图像的亮度较大，平面上二次 电子的产额较小，亮度较低。因此，能非常有效的显示样品的表面形貌。 一1 3 内蒙占科技大学硕+ 学位论文 背散射电子是固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，背散射电子来自样 品表层几百微米的深度范围。他的产额能对原子序数十分敏感，在进行定性成分分析 时，在样品原子序数较高的区域中由于收集到的背散射电子数量较多，故图像较亮；原 子序数较低的区域，背散射电子数量较少，故图像较暗。因此，可以利用原子序数衬度 定性成分分析。 对于多晶体的b n b r e 钢来说，n b 的原子序数较大，所以背散射衬度较亮，f e 的原 子序数较小，故被散射衬度较暗。 人射电子 删电彳； n l 伊骶 脚 1 1 ，l ( ； 子 图i2 电了束和固体样品作用时产生的信号 f l 窟】2s j 印出劬m 蚓i ds 啪p b z a p p e d 时e l 咖n i c c l u s t e r 图1 3 亚共析钢加热和冷却是膨胀曲线 f 冒3e x p a n s i o nc u r v e 幽b - e u t e c t o l d s e d 1 7 4 透射电子显微分( t e m ) 透射电子是由直径很小( 兀1 0 h m ) 的高能电子束照射薄膜样品时产生的，透射电子 信号是由微区的厚度、成份、和晶体结构来决定。因此可以利用它来进行薄膜样品的微 区组织形貌的观察、晶体缺陷分析和晶体结构测定。 1 7 5 膨胀法原理 当钢发生固态相变时，由于新旧两相的结构不同、比容不同，常伴随着体积的不连 续变化，从而引起热膨胀曲线在相变发生的温度出形成拐点。根据此拐点，就可以比较 容易的确定各种相变点。钢中各组织的比容