（材料学专业论文）铌的动态析出对变形诱导铁素体相变的影响.pdf

摘要 晶粒超细化处理在改善钢铁材料性能的途径中占有独特的重要作用，这是因 为其在大幅度提高钢铁强度的同时，并不降低甚至能适当提高钢材的韧性。近年 来，在超细化晶粒的工艺中，通过变形诱导铁素体相变( d e f o r m a t i o ni n d u c e d f e r r i t e t r a n s f o r m a t i o n ) 来获得超细晶粒( 4 um ) 的方法引人关注。这一方法利 用在相变温度以上的奥氏体非再结晶区对钢材进行变形，使材料在高于a r 3 、甚 至高于a e 3 的温度就开始发生相变，并最终获得超细晶粒组织。关于微合金钢 中n b 的析出对变形诱导铁素体相变的影响有两种不同观点：一是认为在变形过 程n b 通过动态析出消耗形变储能而抑制变形诱导铁素体相变：一是认为n b 的 析出抑制奥氏体再结晶，增加变形储能，有利于变形诱导铁素体相变。本文试图 通过实验，了解n b 在变形过程中析出的变化规律和变形诱导铁素体相变形核的 变化规律，初步探索两者的相互作用关系。利用热模拟机g l e e b l e 2 0 0 0 ，将 o 0 9 4 c 1 4 5 m n 0 0 4 5 n b 微合金钢加热到1 2 0 0 均热5 分钟后，以l o 。c s 冷速冷却到不同温度，恒应变速率条件下变形至不同应变量后，立即淬火。研究 了变形过程中，奥氏体状态、铁素体组织数量和n b ( c n ) 析出物的变化规律。实 验结果表明： ( 1 ) 8 5 0 8 8 0 。c 变形可使x 6 5 钢在a e 3 温度以上发生变形诱导铁素体相变， 变形过程中动态形成铁素体：随变形量增加，铁素体数量先缓慢增加，随 后迅速增加。 ( 2 ) 在7 9 0 。c 8 2 0 。c 大变形条件下、变形诱导铁素体大量形成时，也诱发产 生n b c 形变析出。铁索体数量增长迅速，析出数量增长缓慢。 ( 3 ) 8 5 0 8 8 0 。c 变形，变形量4 0 条件下，少量析出细小n b c 和变形诱导 铁素体。大变形量( 7 0 ) 条件下，析出量的略微增加，变形诱导铁素体 大量形成。 经过理论分析研究，分析结果表明，在a e 3 温度以上施加大变形，奥氏体中 形变储能大幅度增加，同时有效形核位置增加，诱发大量细小铁素体形成。在变 形过程中，n b ( c n ) 的析出，降低了奥氏体中c 浓度，促进了变形诱导铁素体相变。 在a e 3 温度以下施加大变形，形变储能大大加快了铁素体相变的进程，缩短了相 变完成所需要的时间。大量铁素体形成的同时，未转变奥氏体中富c ，降低了n b 的固溶度，增加了析出驱动力，诱发了n b ( c n ) 的动态析出。 燕键词；变形诱导铁索律相交硒 辑爨大变形 e f f e c t so f n bd y n a m i c p r e c i p i t a t i o no nd e f o r mi n d u c e df e r r i t e t r a n s f o r a m t i o n a b s t r a c t u l t r af i n e - g r a i n e dp r o c e s si so n eo fi m p o r t a n tm e t h o d st oi m p r o v es t e e lm a t e r i a l sp r o p e r t i e s i t i m p r o v e st h es t r e n g t ho fs t e e lw i t h o u ts a c r i f i c i n gt h et o u g h n e s s r e c e n t l y , r e s e a r c h e r sh a v e d e v e l o p e dd i f f e r e n tt h e r m o - m e e h a n i e a lp r o c e s s e st op r o d u c eu l t r a f i n ef e r r l t ec u f f ) 。a m o n gt h e s e a p p r o a c h e s ，d e f o r m a t i o ni n d u c e df e r r i t at r a n s f o r m a t i o n i f t ) i sas i m p l ew a yt op r o d u c e u f f ( ； 丁：潞度，k ； o c n ：m ( c ，n ) 中鲍c n 的相互作用能，j m o l 。 然后根据嗣溶度积和热力学平衡条件可以近似计算碳氮化物 的平衡孝斤出、缀成等。 同时，由于近年采计算材料学的发展和热力学数据库的逐步完 善，已经采用些热力学、动力学软件来计算平衡析出和柝出长大 过程( 如瑞典整家工学院的t h e r m o 。c a l c 和d i c t r a 等) ，对实际 应用也有很好的指导作用。 1 2 ，3 2 碳氯化物析出的动力学模裂 铌在钢中随着温度的降低，固溶度积减小，以碳氮化物的形式 瓿奥氏季拳中丰厅。徽合金元豢的辑密沉淀过程可通过炎镁j o h n s o n m e h l 方程的推导得出其动力学方程。e v p e r e l o m a l 5 1 采用a v r a m i 关系帮叠蕊嚣羹| j 提密了耨盘物体积分数麓辩淄变化豹关系式： v t = l e x p 1 n ( o 9 5 ) ( 妻川( i - 5 ) 其中，v 。为析出的体积分数，t 。为当前温度下析出开始时间 5 辑獭量完藏驰对溺) ，嚣为对阉指数。攫撂扩教控划瑾论，碳 氮化物的析出也是个形核和长大的过程，b d u t t a ，和c m s e l l a r s l 4 1 提惑了含n b 锅中碳氮伲魏撰遗开娥眩瓣约摸型： t p s = a n b “s 。z “e x p ( q r t ) e x p 【b ( 1 n k 。) 2 】( 1 - 6 ) 式中毂羹。冀b 。d u t t a 掰提出瓣固溶发积，z 为z e n n e r 。瓣o l l o m o n 参 数，丁为绝对温度，q 为热激活能，数值为2 7 0 k j m o l 一，f 是温度 r 拜重靛应变。a 、b 是盎具体的实验数据靼测定方法确定的常数。 该模型考虑了热机械控制处理工艺过程( t h e r m om e c h a n i c a l c o n t r o l l e dp r o c e s s i n g ) 中如应变瀑度、废变量、应变速率以及化 学成分对析出的影响，是研究析出锻常用的一个模型。如果怒无变 形的条传，公式中就没有f 、z ，健在实际工业生产中，这神情况 是穰少的。这和j c h e r m a n 等3 1 掇出的析出动力学在形式上有相 似之处。l i u 和j o n a s 1 2 l 在威力松弛实验结果基础上，利用叠加原 昆明理工大学硬士学位论文第一章绪论 则提出了另一种热动力学模型。这些模型的提出都是基于经典形核 理论，也有学者根据析出物和基体界面处的局部平衡来计算析出的 动力学过程【1 4 _ l6 i 。 大量的研究人员做了微合金元素的析出动力学以及其对组织 结构的影响的工作。这些研究结果表明形变显著地促进析出动力。 研究内容包括钢的成分，初始晶粒尺寸，变形温度，应变量，变形 速率，以及变形方式等等。当然在对析出物的测定技术和尺寸， 体积分数的测量方法各有不同。因此很难对这些试验结果做出直接 的对比。d u t t a 和s e l l a r s 提供模型来预测含铌微合金钢中析出的 开始时间( 对应5 析出) 。该模型建立在对大量不同试验结果的 分析和经典形核理论。尽管该模型简单，而且与许多实验结果吻合 的很好。但是它没有考虑整个析出动力学，比如析出物的体积分数 和尺寸随时间的变化。含t i 钢也建立了相似的模型。l i u 建立更 为细致的含n b 钢析出模型。尽管这个模型考虑了析出物在位错上 的形核以及通过位错管道扩散而快速的长大，但是没有考虑析出物 的粗化。而d u t t a 等人的工作正好表明析出初期的粗化十分迅速而 且导致析出物数量密度明显下降。更有趣的是他们发现在析出早 期，析出物的长大和粗化同时发生。一个全面的反映析出物的形核， 长大和粗化的模型尚未建立。 根据热力学和动力学模型和以前的研究工作1 3 】【1 7 刖】可以知道， 微合金碳氮化物在奥氏体中的析出过程具有如下特点： 1 )析出动力学曲线为典型的a v r a m i 形式的s 曲线，从析出开 始时间到结束时间大约变化1 5 个数量级。 2 )析出p t t ( p r e c i p i t a t i o n t e m p e r a t u r e t i m e ) 曲线为典型c 曲线形式，具有一个最快的鼻子点温度和孕育时间，对n b ( c ， n ) 而言鼻子点温度大约在9 0 0 9 5 0 之间。 3 )无变形的奥氏体中微合金碳氮化物的析出是相当缓慢的，最 短的孕育时间也需要1 0 0 1 0 0 0 s 。 4 )变形将显著加速微合金碳氮化物的析出过程，几乎可以在大 变形结束后立即发生。 5 )奥氏体中固溶的合金元素一般将推迟微合金碳氮化物的析 出过程。 关于微合金碳氮化物在铁索体中的析出过程，因为不是本文的 主要研究内容，不再详述。本文以下所提到的微合金碳氮化物的析 出都是指在奥氏体中的析出，简称为析出。 暑 昆明埋工大学硕士学位论文第一章绪论 2 ，4 槎窭的影响嚣素 对微台金元素板掇的硬究是寝工艺缝合在一起鲍，医此其俸的 工艺条件将对析出产缴很大的影响。其中涉及到的主要工艺条件 是：1 ) 均热温度，即奥氏体化温发，加热温度糍奥氏体晶粒将粗 化，固溶的微含金元素量增多，使随后析出的驱动力增加；2 ) 变 形祭件，包括转制温度、应变量、转制速度、轧制道次、道次间隔 时间等：3 ) 冷却速度以及材料的化学成分。这些内容在相关的文献 中都有所论述1 2 , 2 0 l 。其中应变对析出的影响尤为屉著，主要表现在 以下几个方面： 应变能使析出在奥氏体中的析出过程显著提前：应变加遗沉淀 丰厅澄过耩的程液与拆潞在未变形奚氏体辑密的滚荔程麓有关，在耒 变形奥氐体中越难于析出，则应变的加速作用将越大；成变量趟大， 萁翱速髂甭越大。 。2 5 竣氮纯物的形恣稻分窿 镞含金碳氮键穆在葵氏体中出疆匏澎式畜三耪：1 ) 褒獒氏落 化过程中未溶解的：2 ) 在变形中动态析出的：3 ) 在变形后应变诱 导誊厅塞静。未滚释豹掇凄携由于羲粒缓穰六，对霉续鹣稿强纯没寿 显著的作用。而后两者的析出物颗粒非常细小，对再结晶有很强的 隧褥睡羯。区分擞合佥碳氮化甥奁囊氏体还是铁索俸中瓣褥爨是通 过析出与基体的位向关系确定的。幽于奥氏体转变为铁索体时二者 存在明确懿位肉关系，瑟瑟谖款k 。s 关系： ( 1 1 i ) ，| ( 1 1 0 ) 。，f l l o l ，l l 1 1 1 1 0 而微合龛碳氮化物与舆氏体为平行的位向关系，因此，在奥氏体中 沉淀橱壤的微会金碳氮化物就与樱变后黝铁索体基体具有尉样的 位向关系： ( 1l1 ) h ( ( w ) | | ( 11 0 ) 。， 11 0 j i f f ( w ，1 1 11l 】。 蔗n b ( c n ) 在铁索体或马氏体中孝斥出时，具有b a k e r n u t t i n g 取向 关系： 9 昆明理工人学硕士学位论文第一章绪论 12 4 析出的影响因素 对微合金元素析出的研究是和t 艺结合在一起的，因此具体的 工艺条件将对析出产生很大的影响。其中涉及到的主要工艺条件 是：1 ) 均热温度，即史氏体化温度，加热温度高奥氏体晶粒将粗 化，固溶的微合金元素量增多使随后析出的驱动力增加；2 ) 变 形条件，包括轧制温度、应变量、轧制速度、轧制道次、道次间隔 时间等；3 ) 冷却速度以及材料的化学成分。这些内容在相关的文献 中都有所论述 2 , 2 0 l 。其中应变对析m 的影响尤为显著，主要表现在 以下几个方面： 应变能使析出在奥氏体中的析出过程显著提前：应变加速沉淀 析出过程的程度与析出在未变形奥氏体析出的难易程度有关，在未 变形奥氏体中越难于析出，则应变的加速作用将越大：应变量越大， 其加速作用越大。 12 5 碳氮化物的形态和分布 微台金碳氮化物在奥氏体中出现的形式有= 种：1 ) 在奥氏体 化过程中未溶解的；2 ) 存变彤中动态析出的；3 ) 存变形后应变诱 导析出的。未溶解的析 t 物由于颗粒很粗大，对再结晶和强化没有 显著的作用。而后两者的析出物颗粒非常细小对冉结品有很强的 阻碍作用。区分微合金碳氮化物在奥氏体还是铁素体中的析出是通 过析出与基体的位向关系确定的。由于奥氏体转变为铁素体时二者 存在明确的位向关系。即所谓的k s 关系： ( 1 1 1 ) ，1 0 ) 。，【1 1 0 ，旧1 1 】。 而微合金碳氮化物与奥氏体为平行的位向关系，因此，在奥氏体中 沉淀析出的微台金碳氮化物就与相变后的铁素体基体具有同样的 位向关系： ( 1 1 1 ) w 。) l ( 1 l o ) 。，【1 i o l 。、帅1 咀 向n b ( c n ) 在铁索体或马氏体中析出时，具有b a k e r - - n u t t i n g 取向 而n b ( c n ) 在铁索体或马氏体中析出时，具有b a k e r - - n u t t i n g 取向 关系： 昆明理_ i 大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 0 0 ) m ( r w ) l i ( 1 0 0 ) 。， o l i i 材g ，i i o l o l 。 溺此，通道测定n b ( c n ) 相与相交精的铁素体的位向关系，也就间 羧可知n b ( c n ) 委u 底是程铁索体中沉淀拼出还藏奁寞氏体中沉淀析 出。并巍在奥氏体中祈獭通常为球形，丽在铁索侮中析出物为碟片 形。 动态静予出物籁应交诱导析出秘奁形貔和尺寸上很难题分，一般 谈麓动态橱瀣物在2 n ml 冀下，交形j 璧毯中貉动态撰趱黪缀难粪接 瓣察到，邋方藤静研究键鲜膏报遂。遥常楚撮攒实酥翻工艺祭佟来 邀露判鳜，逶过对热浚变趣线瓣分耨来阙接说明。变影爱的逸交诱 导橱出耪一般为球羧或立方形状，猩界覆穗舍力终翔苓丈瓣耩援 下，沉淀蝴必球状，故微会金碳氮化物在形挟过程中基本保持球状， 若嚣嚣键念力占圭导缝经，沉淀撩形状露裁转蕊立方体形状。麓滠 变形羼静态再结晶过程中出现的柝出相，其形核位置是隧枫的，既 鸯熬走影挟，瞧育鑫器彤棱 褒未秀结爨区变形诱导憨凝出糨，主 要是在晶界、变形带形核和位错线上形核。 1 + 3 变形诱导铁素体相变的研究进展 变形诱导铁索体相变( d e f o r m a t i o ni n d u c e df e r r i t e t r a n s f o r m a t i o n ，楚穆d i f t ) ，是提离传统材料性能看毋究的重黉突 破，是近年来发展起来的获得超细晶组织的主要手段之l l 一1 - 2 6 1 ， 可以将龋粒细化剐1 微米甚至驻微米尺寸1 1 1 。萁核心怒衣a r 3 濑度 附近适当潞度范阑内进行大变形，使相交温度提高，诱发y d 相变。 炎形诱簿铗素俸相变最弓| 入注目之处在于不仅能够获褥超绸繇组 织，而氨不需蘩条件苛刻的物理环境，不必借助特殊的镦产设备， 穰容易在鬻有垒产线土实瑰，其有较好酌工渣藏掰前祭。其工苞是 在传统热机械处趱技术( 控轧控冷) 的萋础上发展起来的，下面简 要介绍羧鞔控冷工艺。 ，3 1 传统热撬授憝建技术( 控转浚冷) 檄述 热壤槭处疆墨艺( t m c p ) 爨2 0 鬣纪六、七十攀钱发袋起著乏瓣锈 铁垒产技术，蹩控潮辘豢l 帮控潮冷帮技术箍舍在一起豹绞称。遴过 控铋奥氐体组织演变、甥变葶珏沉淀来改饕材料憨憋戆，楚生产寒牲 1 0 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 能钢最先进的技术之。舆型的控制轧制三个阶段和每个阶段组织 变化觅图1 1 墨 器 誊 t - - - f i g u r el ：s c h e m a t i co v e r v i e wo ft h et m c r p r a c t i c e 图1 i 控制轧钢的三个输段及葵氏钵组织交纯 2 7 1 f i g ，1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h r e es t a g e so fc o n t r o l l e d r o l l i n g p r o c e s sa n dc h a n g ei nm i c r o s t r u c t u r ew i t hd e f o r m a t i o ni ne a c h s t a g e 2 7 1 i 除段：煲氏体霉结晶区变形。粗大懿奥氏薅燕粒透过多道次黪反 复再结晶使晶粒细化，但怒晶粒仍比较粗大，细化效果并不十分显 著。在晶界形核情况下，铁素体晶粒尺寸d 。与再结晶奥氏体晶粒 尺寸o 。的关系为： 瑰料班斛芦哕3 ( 1 7 ) 出上式可觅，警羹氏体晶粒尺寸缩豫t 8 ，铁索俸鑫粒仪麓缁纯 l 2 。 i l 阶段：奥氏体未再结晶区变形( 一9 5 0 a r 3 ) 。通过累积威变爨， 昆明_ 理工太学颓士学位论文 第一章绪论 形成大量被拉长的变形奥氏体，增加了奥氏体繇单位体积的晶界面 积，同时，晶内引入了高密度位错、变形带等缺陷，使铁索体形核 德置帮形核率鄱邀一步增鸯嚣，褥到的铁素俸组织将是穰细，j 、的。未 髯结鑫奥氏体相交的嶷粒细化效粜要好于褥结最舆氏 誊。殿因农予 变形舆氏体在提高有效晶界面积的同时，其晶界形核率也大幅度提 高。 l 阶敬：嶷氏体和铁素俸褥稽区变形。一方面嶷氏钵醅粒被压扁， 晶内弓l 入大量缺陷；雯一方垂，铁素钵在较小应变量下发生固复， 形成豫晶结构，而在大变形条件下发生连续动态再结晶，形成被大 角晶界所分隔的晶粒。在冷却过程中，变形奥氏体转变为铁素体， 餐由子第二稻铁素俸的存在，相交秩素体静长大受到阻碍，获得的 鑫粒尺寸较小【2 。 尽管控轧控冷工艺与营邋热轧相比，细化晶粒效果有显鬻改 善，但仍很难获得超细晶。这一点可用b e n g o c h e a 簿提出的经骏关 系式i ”j 来说明： d o = ( 1 0 5 e 。4 7 ) ( 4 5 + 3 t 。艨+ 1 3 4 ( 1 一e x p ( - 0 0 1 5 以) ) ( 1 8 ) 式中，d 。为铁索体晶粒尺寸，d ，为奥氏体鼎粒尺寸，8 为奥氏体未 再结晶区的累积应变爨，于为冷速。在实际的控制轧制中，奥氏体 未再结晶嚣豹累拣应变量一般不丈子l ，蔼再缩晶囊氏俸豹晶靛尺 寸一一般不小予3 0 9 i n ，曳欺褥到传绫挎乾获褥的最小铁素体晶粒尺 寸为4 、5 i t i n ，这与实际生产的结果相符合。另外由图还可看到，传 统控轧要获得1b t m 的超细晶，累积应变量应不小于3 5 ，说明了大 交形对予获得超缁晶豹重簧往。实际上近年来关于超缩熊狡钢生产 技术的磅究孛，许多都强诞了大变形熬 睾蠲。 微合金元素在控制轧制中的 乍用为：1 ) 加热时，抑制奥氏体 的晶粒长大；2 ) 固溶的微合龛元索溶质原子和析出的碳氮化物与 变形舆氏体晶粒的晶莽和驻晶界交互佟用，抑带9 或延迟奥氏体辫结 菇，窍助于秘交黯获缮缩翡铁索钵晶耱；3 ) 簿低耀变瀣覆，嚣魏 可细化铁索体晶越；4 ) 极出硬化效果 2 8 - 2 9 1 。在微含念元素中， n b 的细化效果最明显，t i 的圊溶度积很小，容易形成t i n ，强一 般的加热温度下仍处予未溶状态，因而，脊利予抑制再加热奥氏体 静糨纯，筠耱，高滠祈出酾t i n 有利予谣定镶中自由n ，哥改变材 料的戏变时效性能，爨是，含t i 镧对工艺豹敏感。眭较大；v 蛇固 溶度积较大。在商温变形时一般都处予周游状态，对再结晶抑制作 1 2 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 用较小，在冷却和卷取