钒在钢中的物理冶金学基础数据.pdf

翦 1 0卷第 5 1 9 9 8年 1 0 J 1 钢 铁 研究 学 撤 J URNAI F I R N ANI S TEEL RES EAR H 一 Vo1 1 0 No 5 c t 1 99 8 钒在钢 雍岐 龙 理冶金学基础数据 裴和 中 田建国 扬文勇 Phy s i c a l M e t a l l u r g i c a l Da t a o f Va na di u m i n S t e e l T r j Yo n g Qi l o n g Ya h Sh e n g g o n g Pe i H e z h o n g Ti a n l i a n gu o Y a n g P Ve n 2 o n g T 摘要楸据近年米的试验及理沦研究结果 同时参 剌了大量国外文献资料 伞面 地搜 集总结 r 钒 在钢 r 的物婵 冶金学 基础 数据 可 供 有关研究 作者 及生产 拄术 凡 参考选 J 关 键 词 竺 堂 皇 数 据 一 圆 AB S TR ACT Fr o m t h e e x p e r i me n t a l a n d t h e o r e t i c a l r e s e a r c h r e s u l t s a n d t h e a u l h o r i t a t i v e wo r k s t h e f u n d a me nt a l p h y s i c a l me t a l l u r g i c a l d a t a o f v a n a d i u m i n s t e e l h a v e b e e n c o l l e c t e d a n d c o l a t e d c o mp r e h e n s i v e l y Th e i n f o r ma t i o n a n d d a t a a r e f u l t o t h e c o n c e r n e d r e s e l r c h e r s a n d t e c h n i c i a n s o r r e e r e Y L c e KEY W ORDS va na di um phy s i c al me t al l ur gy dat a s t e e l 钒在钢 中具有阻止 粒 长大 提 r哥粹透性 阻止 形变 氏体再结 晶及0 C 淀 强化等作用 它是低合金 l 强度钢中十分重要的微合会元素 在上具钢 不锈 钢7 巫 结构钢 中也广泛用钒合金化 目前 全世界每年 生产的含钒钢钢材接近 5 0 0 0万 t 约 占钢材总产量 的 7 L I 为 r充分发挥钒在钢 r 的有 益作用 必须进行 深入的理 仑羽 试骑研 究 J 二 作 而这些研 究均需要确 切掌握 羽 用钒 i 钢 中有关的物理冶金学 基础数 措 但很多研究 作常 由于缺乏这些基础数据 不能 深入进行 或 l I 干所选用的基础数据不准确而 导致 得到小 叮靠的结论 近年来 作者在有关的研究工作 1 搜集整理 r大 鞋资料 由此遴 选出较 为 呵靠的基 础数据 同时 采用各种试验研究和理 色 推 导方法获 褂 r 很多重 要的基础数据 作者总结归纳 r这些 L 作 旨任较 而地提供完整 准确 町靠的有关钒在 钢 t 的物理冶金学基础数据 以促进含饥钢 的研究 研制开发和生产应 周家 自然 科学 基金资助 门 怍者单f 遣 南 业上学 Yu n n a n P o l y t e c h n i c a l Un i v e r s i t y 联系人 罐崆尼 敦授 昆ff 6 5 0 0 3 1 南 k 学机械上程学院 钒 在钢中的存在形 态丰要为 微量固溶 f 铁 基 体 中或形成碳氮化钒第 相 为便 于讨论 将分别论 述 同溶钒及碳氮化钒的有关物理冶会学基础数据 1 固溶 钒 的 基础 数 据 钒是傅 r元素周期表第四周期 第 长周 l 第 v副族 的过渡族金属元素 原子 序数 为 2 3 外层 电子结构为 3 4 原子量 5 0 9 4 1 4 幽奄钒是体心立方结构的晶体 t 摩温 2 0 c 下 的点阵常数为 0 3 0 3 0 1 n m口 最近邻原子 间距为 0 2 6 2 4 1 n m 摩尔体 积为 0 8 3 7 7 1 0 m too l 榔度 为 6 0 8 1 g c m 配位数为 1 2时的 子 半径 为 0 1 3 6 n m 比铁的原子 半径人 5 7 钒在整个 态 存在温度范围内无 固态多型惟相变 钒是原子结 合力相 当强的过 渡族会属 素 其 升华热 为 5 1 0 2 1 0 J too l 2 5 C 低于钨 饿 铼 铌 碳 铱 钥 锆 饴 钉 钍 硼 铑和铂 m高于 其他所 有 0 素 其熔 点 为 1 9 0 2 C 低 下钨 铼 饿 一 维普资讯 锕铁研究学撤 第 1 0 卷 钳I 铌 铱 钉 铅 车 铑 1 町高 1 1 他 所 j 金懈 C 素 J E 沸 为 3 4 1 o c 远低 卜铼 钨 钒 饿 说 J 铪 锆 铀 铱 钍 钉 钔干 l 铑 略高 钛发 他常 金墉J 素 j 线 嘭胀系数 0 1 o o c 为 8 3 l o cn 靠过j l 望 族金 素I f 足较低的 略低 钒 远 低 j 铁 1 2 1 1 O C 乎均 比热 0 1 0 0 C 4 9 8 J k g K 小 j 钛 5 2 8 J k g K 火 J 铁 4 6 J k g K 远大 蚀 2 6 8 J k g K 钒枉窀温 2 0 C r的 t l 弹性模最 E一1 2 7 6 l 0 MP a 切变弹 模 睦G一4 6 7 l 0 MP a 体积 三 f 模 醅 K一1 5 8 x1 0 MP a 泊松比 一0 3 6 5 掸 模蚺值 钛 锆接近 低 J 铺 目i l lJ 显低 1 铬 锰和铁 著低 钏 钨 铼 其f 1 铪比值 过渡族金 J 素中足艉i 对较 高的 仪低 j 金 锐 钔 镤和锆 钒 品在窀溢 h 备弹性刚度分圳为 C 一2 3 0 1 0 M P a C 一 4 3 2 1 0 M P a Cl 2 一 1 2 0 1 0 MP a 备弹性 柔度分刖 为 S 一6 7 6 1 0 Pa S 一 2 3 2 1 0 Pa Sl 2一 一 2 32 l O Pa 饥 铁的 衡棚 j B I 型 x l 缩小 三 成 陶喇 钒的埔入使铁的 A 点 F 降 A 先略 F 降 饥龠 蛙董0 2 a t 时 达最低点 8 9 6 c 然后迅速 J 升 在饥俞 为 1 3 5 a t 壬 I 1 温度约为 1 1 1 5 c处 点 台 形成封c j 的 y相圈 钒 n铁形成连 续的问溶体 j 滥度低 J 1 2 3 4 C和饥含 为 3 5 5 山形成金属问化合物 a F e V l 川放射惟 J 素求踪法测得 V 住 y铁中的扩 散系数 为 l 1 0 2 l 3 5 6 Cl f D 0 2 5 e x 一 式 I 1 R一气体常数 丁 绝对温度 J H 薄 残留放射件方法得到钒在奥氏体中的扩散系 敬 为 0 5 3 a t V l l O 0 l 3 0 0 C时 D I 4 6 e x p 一 c m 1 0 9 a t V 1 l 0 0 l 3 0 0 C时 D 0 瑚e x p 一 c m 川放射忭 儿素示踪法删褂 V C 钬 1 的扩散 系数 D 3 9 2 e X p 一 in s 4 川薄 残 放射惟 玎 得到钒任铁素体中的扩散系 数为 枉 2 1 l a t V l l O 1 3 0 0 C时 D 0 1 0 e x p 一 c m 5 最后 钒 的自扩散系数的放射性元素乐踪法 测定结 粜 为 l 8 8 0 1 3 5 6 c时 D 0 3 6 t 0 0 2 e x P 一 s 6 2 碳 氯化钒 的基础数据 钒是牛 l j 当强烈的碳氮化物形成 素 含钒钢 中 钒也 碳氯化物的形态存 发挥 要作H J 碳 氮原子半径 钒原子 F 径 的此值分 剖为约 0 5 7和 0 5 2 均小 f 0 5 9 因此钒 的碳化物和氮化 物均 为简 单点辟结构柏 Jl j 隙 lf f 钢r f 1 通常存在的碳 化饥 和氮化钒 为 Na C I B1 型 心 构 的问隙 桐 其一 1 的问隙原子 特别是碳原子 常会发 生 定 程度的缺f t 使其化学组成 碳或氨的系数成 为 小 1的小数 如碳化钒的化学组成式f 从 VC 变 化到 VC 乏 期以来 I 司内很多文献均将钢 仔在帕 碳化钒写作 V C 但根据有关的实验结果 钢中存 在的碳化钒极少为 V c 而丰要为 Vs C VC 和 V C VC L 会 1 r碳原子的打序缺位 形成 有序化合物 而氮化钒则 氮原子缺他 肚少 故通常仍将其认为是完整的V N 奄温 F VC的点阵常数为 0 4 1 8 2 D i l l 摩尔 体积 为 1 1 0 1 1 0 m to o 1 密度为 5 7 1 7 g c m 出现碳缺位时 点阵常数将 减小 V C 的点耕 常数 为 0 4 1 6 7 F l m 而 VC 3 的点 阵常数为 0 4 1 6 0 nm 此 可看出其点辟 常数基奉随碳缺位 度 线性变化 VC 的摩 尔体积 为 1 0 8 9 1 0 m m o 密度为 5 6 4 1 g c m VC 的 率 尔 体积为 1 0 8 4 1 0 m too 1 密度为 5 6 2 4 g c m 碳化钒 的线膨胀系数 1 7 1 9 0 C 为 7 2 1 0 K 而 按有关数据 汁算 而得的线膨胀 系数 2 0 1 1 0 0 C 为 8 2 9 l 0 K 熔点为 2 7 3 0 8 5 c 摩 温 正弹性模 髓 E一4 3 0 0 1 0 MP a 显微硬度为 H v2 6 0 0 一 VC 8 的定n 三 比热粹 f 一3 6 3 8 1 3 3 1 l 0 T一 7 1 2 1 0 7 一 J K mo I 2 9 8 2 0 0 0 K 碳化钒在 2 9 8 K时时形成热 一 1 0 0 9 维普资讯 笫 5 缔 岐 地等 饥在钢 的物理冶食学 础数据 k J mo L 窄 I VN的点阵常数 为 0 4 1 2 6 i l n l 摩 尔 体 为 1 0 5 8 l 0 m mo 1 密度为 6 1 4 2 g c n l 线膨胀系数 2 o 1 l 0 0 C 为 8 1 l 0 K E 8 其熔 为 2 0 5 0 C 窜温让微硬度为 HV 5 2 0 定J j i 比热椿 f 一4 5 8 O 8 7 9 l 0 7 9 2 5 1 0 T J K mo 1 2 9 8 1 6 1 1 K 口 2 9 8 K 时的形成热 一 一 2 1 7 3 k J mo l 钢 I 存1 1 的碳化钒和氮化钒 褴个l 占 j 态范围内 均 r 允 f 溶 形成碟氮化饥 j t 点 I咋常数和密度 r 川线性 内插法 汁尊得到 l 多研究者测定褂剖碳化钒和氮化钒在 y铁巾 的 溶度霹 公上 弋 I gi ft 的为 l g i v c 一6 7 2 9 5 o o T 7 l g V N 3 6 3 8 7 0 0 7 8 碳化钒和 I 氯化 n 铣 巾的阿溶腰积 1 F 常小 史骗难以测定 r f j 仪存 f J 热 学数据推 导 f j 得列 的 衡 溶度秘公式 I g V Z c 一5 6 5 9 3 4 0 T 9 I g V I N 一2 4 5 7 8 3 0 7 1 0 I 述 耐溶度积公式干 碳化钒及氮化钒 的理想 化学配比值 n 算出禽钒钢中f E 温度下的溶钒 V 溶碳艟 或溶氯培I N 通过稍微复杂的汁 辩 r 得出仟 温度 r碳氮化饥的化学纰 成式 即 VC N 或 V C N l l 的 及溶钒 溶碳 髓和 溶 氨 2 H 于 由此 计算 出碳化钒 氮化钒及 碱氮化钒在 y铁或 n铁t 1 濉淀析出时的化学 F t h 能 一 微刘 MC或 MN卡 阱 在俐 中洗淀析出H 与铁蛙 体之 4 f 确定的纯向父系 碳化钒 氮化钒及碳氮 化饥也 有 的忧 I 埘荧系 删 J 1 0 0 u i 0 0 o l 0 M r o l 0 1 o m 1 o o 0 1 1 N 0 i o 此 根据竹 眦幢错 理 沱 r 以 汁算 出碳化饥 氮化饥 噢氏体之M的 T d L 卡 扦 界 比界 能 y 0 8 4 6 9 0 37 8 3 1 0 7 J m i i v 0 8 09 0 0 3 6 4 l 0 Y J m 1 2 一 0 83 7 2 0 3 7 3 9 10 a 7 J m 1 3 r碳化钒 氯化钒 f Jj 铁 素体之 J H J 的半 格界 能 也 J 1 I 类似们 沦 计算方法进行 l 1 莽 1 f l j 符方 向 的铺配度不 样 I 上 1 比界而能也不 样 此导致在铁素体 中沉淀析出的碳化钒 氯化 钒 圆H状 萁底而为 I O 0 M 1 0 0 面 1 g径 厚比以及侧面比界面能与底面比界l面能之比值基本 阿定不变 对碳化钒而 占为 1 8 4 对氮化钒而 占为 2 3 5 各温度下 比界面能的 具体 计算结果 详见参考 文献 3 o 碳氯化钒 与奥氏体和铁素体之间的比界 面能则可用线性 内插法计算得到 碳化钒 氮化钒及碳氮化钒均 是 f 常 稳定的第 相 在很高的温度 长时间保 温仍 叮保持细小的 在铁基体巾均匀分布时其甲均尺 寸的粗化规 律 呵用 I 式 计算 一 r a T 8 D a 面 V Mc 4 C v f r f 1 4 式 巾m 初始H 剿秆 l t 秒后第 丰 的 均半 径 D 控制元素 这 里为钒 在基体垌 f 中的扩 散系数 一 第二相的摩尔体积 c 控捌元素 这 为钒 在基体相巾溶解 的平衡溶质浓度 摩尔体积 一 粗化速率 t 一一 粗化时间 根据 丰 I 1 应的计算 当钢材成分满足婵想化学 配 比时 碳 化钒 的 卡 H化速 率 在 9 0 0 c时 为 0 5 0 5 n m s 1 2 0 0 C时为 4 9 6 n m s 而对氮化钒来 随则分别为 0 1 9 3和 1 7 6 n m s 比F e c的粗化 速率小 3 4个数 量级 通常钢材成分并 满足理想 化学配比 这时其粗化速率还将进 步减小 r b 此 钢 1 l ad 忐析 出的碳氮化钒 通常 u T 保 持几 纳米 1 0 T i m 的 寸数 级 从 而充分发挥 其强韧化作用 碳氮化钒 在钢 中沉淀强化 时 j t 强化机制呵能 雎切过机制 也 叮能是 O r o wa n机制 冉关的理论计 算表 岍 强化机 制发生转换时 的临界R 对璇 化钒 而苦为 4 8 8 i l m 对氮化钒为 7 8 9 n m 此 钢 碳 氯 化饥 的沉 淀强 化机 制 要为 r o w a n机 制 1 l 3 结 语 根据近年来的试验 研究及理 论研究的结果 同 时参阐 r大量旧外文献资料 面地搜集总结 r钒 在钢 中的物理冶金学 基础数据 可供有关研 究 I 作 维普资讯 铺镘研究学报 第 1 0卷 者发生产技术人员参考选j 参考文献 l 雍岐坨 r 呜圈 甓宝 f强台 钢物 和力 冶金 北京 机械 1 出版扎 1 9 8 9 2 7 2 Gu r e v k h M A Or mo n t B F F i z ic a M e t a l 1 9 5 7 4 1 J 2 3 Br a n de s E A Se mt h e l l s M e t a l s Re f e y e c e B o o k L on d o n P ur t e r wo h C0 l t d 1 9 8 3 8 3 4 Br a n d e s E A Sml t h e l I s M e t a l s Re f e r e n c e B o o k I o n d o n B ul 一 1 e r wo r t h Co l t d l 9 8 3 1 4 2 5 B r a n d e s E A Smi t h e l l s Me t al Re f e r e nc e B o ok Lo n d o n i Bu l t o r 1 h Co 1 lt d 1 9 8 3 1 5 3 9 La n d o l t B or n s t e I n Nu me r ic a l Dat a a n d Fu n c t io i ml Re l a t i o n s h i p si n S c i e n c e a n dTe c h n o l o g y Ne w S e r i e s Gr o u p 2 B e r l i n S p r i n ge r Ve r l a g l 9 7 9 5 3 7 7 孙珍宅 朱谱藩 林慧罔 耵铁珊 音盘钢 册 册 北京 啸金 出版 1 9 8 4 8 9 8 B o we n A W l e a kG M Me t T a i i M 1 9 7 0 1 l 96 5 9 Z e l i n s k i M S M o s k ov P V S h i t ov E V P hy s i c s M e t a l s M e t a l l o g r 1 9 5 9t 8 5 7 9 1 0 P e a r t R F J Ph y s h e m S o l i d s l 9 6 5 2 6 1 8 5 3 11 Hol k xG E E di n gt o n W Se a r l i n R B J I r o n S r l l ns t 1 9 7 l 2 0 9 8 3 9 1 2 Bd l i ng h a m j一 l l P S Le wi s M H Ac t a Cr y s t l 9 7 2 A8 8 6 0 2 l 3 Dun l o pG I Po r t e r r A Se a n d J Me r a l 1 l 9 7 7 1 6 1 9 J 4 董 证 低 台食 耐热 钢曲 台 金化 盟衄 化 机婵 研 究 硕十论 丈 晌盘闭 钢铁研究总院 1 9 8 1 1 5 S e h o n t mr g N Ac t a Ch e m S c a n d 1 95 4 8 62 4 1 6 Fr o t d e v au x D Ro s s l e r J Ph y s Che m So l i d s 1 9 6 7t 2 8 l 9 l 7 Ve n a b l e s J D Ka h n D Ly e R G Ph i l Ma g 1 96 8 1 8 1 77 l 8 B a r i n l Kn a c h e O The r r n h e mi c a l P r o pe r t i e s of I n o r ga nic Su b s t a n c e s Be r l i n S p r i n ge r Ve r l a g j 9 7 3 5 66 l 9 I ka n JA La n g eHa n db oo k o fCh e t n i s t r y 1 1 Mc Gr a w Hi l l Ba o k Co mpa ny 1 9 73 2 0 Am c r i c a n Ce r a m ic S o c i e t y En g i n e e r i n g Pr o p e r t i e s o f Se l e c t e d Ce r a mi c Ma t e r i a l s Co l u m b us Ohio J 9 6 6 2 1 Ba a n de s E A Smi t h e l l s M e t a l s Re f e r e n c e Bo o k L on d o n Bu t e r wo r t h Co