铌在钢中的物理冶金学基础数据58553.pdf

第 1 0 卷第 2期 1 9 9 8年 4月 钢 铁 研究 学 报 J OURNAI OF I RON AND S TEEL RE SE ARCH Vol 10 No 2 Apr 19 9 8 Y o n g Qi l o n g Pe i He z h o n g Ti a n dl a n g u o Zh o u Xi a o l i n g Pa n Li r a n g We n y o n g 摘要根据近年来的试验及理论研究结果 同时参阅 大量国外文献资料 面 地 搜集 了铌 在钢 中的物理 请垒学 基础数据 可供 有关研 究工作者 及生 产技术 人 醴 参 考选 用 若 蕈 坷 篓 堂 兰 塑 fl 赃 磊 t ABS TRACT Ac c o r d i n g t o 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 a u t h o r i t a t i v e wo r k s i n t h i s f i e l d a b r o a d t h e f u n d a me n t a l p h y s i c o me t a l l u r g i c a l d a t a 0 f n i o b i u m a n d n i o bi u m c a r b on i t r i d e i n s t e e l h a v e b e e n c o l l e c t e d c o mp r e h e n s i v e l y Th e i nf o r m a t i o n a n d d a t a a r e p r o v i d e d t o t h e c o n c e r n e d r e s e a r c h e r s a n d t e c h n i c i a n s f o r r e f e r e n e e KEY WORDS n i o b i u m p h y s i c o me t a l l u r g y s t e e l 铌在钢中具有阻止晶粒长大 抑制形变奥 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 铌是低合金高强度钢 中十 分重要的微台金元 素 在工具钢 不锈 钢 耐热钢及 高级弹簧钢等大量钢种中广泛采用铌合金化 目前 全世界每年 生产的含铌钢钢材接近 3 1 0 t 约占钢 材总产量的 4 为了充分发挥铌在钢中的有益作用 必须进行 深入的理论和试验研究 而在这些研究中均 需要准 确掌握和应用铌在钢中的物理冶金学基础数据 近 年来 作者不仅搜集整理了大量有关的资料 从中筛 选 出较为可靠的基础数据 而且采用各种 试验研究 和理论推导方法填补了很多重要的基础数据 本文 对这些工作进行 了归纳总结 旨在较全面地提供完 整且准确可靠的数据 以促进古铌钢的研究 研制开 发和 生 产应 用 铌在钢 中的存在形态主要有 微量 固溶 铁基 体中或形成碳氮化铌 第二相 在此分别论述固溶锟 国家 自然科学基金资助项 日 作者单位 云南工业 大学 Y u n n a n P o y t e e h n J e a Un i v e r s i t y 联系 雍 岐龙 教授 昆明 6 5 0 0 5 1 云南工业 大学 机械 I 程学院 及碳氮化铌的有关物理抬金学基础数据 1 固溶 铌 的 基础 数 据 铌是位十元素周期袁第五周期 第 长周期 第 V副族的过 渡族金 属元素 原子 序数为 4 1 外层 电子结构为 4 d 5 s 原子量 9 2 9 0 6 4 固溶铌是体心立方结构的晶体 室温 2 0 c V 的点阵常数为 0 3 3 0 0 7 i l m 最 近 邻 原 子 间 距 为 0 2 8 5 8 5 a m 摩尔体积为 1 0 8 3 l 0 m mo l 密度为 8 5 7 8 g c m 配位数为 l 2时的原子 径 为 0 1 4 7 a m 比铁 的原子半径人 1 5 2 铌在整个吲 态存在温度范围内尢固态多型性相变 铌足原子结合力相当强 的过 渡旗金属元素 其 升 华 热 为 7 2 2 2 1 0 J m o l 略 低 r 钨 饿 鲁 l 铼 但高于其他所有金属元素 其熔点为 2 4 6 7 1 0 低 lf钨 铼 锇 钼l 高于 其他所彳 金属元素 其 沸点为 4 7 4 0 低于铼 钨 钽 锇 高 于其他所打 金属 元素E 2 3 线膨胀系数 O 1 O 0 c 为 7 2 l 0 f 岁 维普资讯 第 2 期 雍 岐龙 等 锯在锕 巾的物理 冶金学基础数据 K口 一 在过渡族金届元素 是较低的 略低 j 钒 钛而 远低 于铁 1 2 1 1 0 K 其平均 比热 O l c 为 2 6 8 J k g K 远小于钒 4 9 8 J k g K 钛 E 5 z 8 J k g K 和铁E 4 5 6 J k g K 铌在窒温 2 O r 的止弹性模量 E一1 0 4 9 l 0 MP a 切变弹性模量 G一3 7 5 1 0 MP a 体积压 缩模量K 1 7 0 3 1 0 MP a 泊松 比u 0 3 9 7 其 弹性 模量值与钛 锆接近 低 于钒 铪 钽 明显低于 铬 锰 铁 娃著低 f钼 钨 铼 另 方面 其泊松 比 在过渡族金属元素 中相对是最高的 锐 单晶在室温 下的各弹性刚度 分 别 为 C 2 4 5 x1 0 MP a C 2 8 4 1 0 MP a C 2 1 3 2 x1 0 MP a 其备弹性柔度 分别 为 Sl 1 6 5 6 1 0 P a 一 S 3 5 2 1 0 Pa一 S z 一 2 29 1 0 一 Pa一 铌与铁 的平衡相阿属 于 B l型 即 由j 中间相 的存在 f li 破坏 了包 围 区的 n 相带完整性的 区缩小型 铌的加入使铁 的 A 点下降 点上升 但 由于拉 氏相 Nb F e 由于缺位或其 他原 因 f l i 使之 化学成分接近于 F e Nb 文献中常写 为 F e Nb 的 出现 和限制 在铁铌平 衡相 图 中没有形成封闭的 y 相圈 由铁铌平衡相图 町知 铌在 y铁中的最大溶解 度约为 2 质量分数 下同 铌在 铁中的最大溶 解 度 约为 1 8 口 用放射性元素示踪法测得 Nb 在 铁中的扩散 系数为口 一 1 1 6 O l 2 90 D 5 3 0 e x c m s 1 而 L e a k 得 到的铌在 软钢 奥 氏体 中的扩散 系数则 为 D 4 0 0 e x p c m 2 式中R 气体 常数 绝 对 温度 Ku r o k a w a等D o 在几乎完全 不含 间隙固溶原子 的 高 纯 F e F e 0 6 S i F e 1 5 Mn F e 一 0 6 S i 1 5 Mn 合金中测 定了铌在 奥氏体中的扩散系数 其结果与 式 1 和式 2 基本吻合 从他们的 作可看出 锰稍 微降低铌在奥氏体 中的扩散系数 而硅则使之 略有 提高 目前 式 1 是常用的铌在 y铁 中的扩散系数 汁算式 于锟在 铁 中的扩散系数 现 尚未见到较 为准确的测定数据 Gr a y等u 曾用式 3 估 算铌在 铁素体中的扩散系数 D 4 0 0 e x 二 c m 3 最后 用放射性元素示踪法测定的铌的 自扩散 系数 为 1 0 8O 2 4 20 D 8 X 1 0 e x p lI 8丽 3 5 0 0 3 7 e x p m s 4 2 碳 氮化铌 的基础数据 铌是相 当强烈的碳氮化物形成元素 在大部分 含铌钢 中 铌 主要以碳氮化物的形式存在 而发挥 作 I j 碳 氮原子半径与铌原子 半径的 比值分别为约 0 5 3 和 0 4 9 均小于 0 5 9 因此铌的碳化物和氯化 物均为简单点 阵结构的间隙相 钢 中通常存在的碳 化 铌和氮化铌为 Na C l B 1 型 心 方结构 的间隙 相 其中的间隙原子 特别是碳原子 常会发生一定 程度的缺位 使其化学组成式中碳 或氮的 系数成 为 小于 1的小数 如碳化铌的化学组成式可从 Nb C 变化到 Nb C 根据人培的试验结果 町知 在低台 金 高强 度钢中存在的碳 化铌的化学组成式 生要为 Nb C 至 Nb C 8 w D 4 而氯化铌则因氮原子 缺位 甚 少 故通常仍将其认为是完整的 Nb N 作者的试验 结果则表明 在铁 素体 中 淀析 出的微细碳化铌中 的碳原子将发生有序的缺位 而 由麒有序化规律可 推知其化学组成式应为 Nb C Nb s C 事温 下 完 整碳化 铌的 点 阵常数 为 0 4 4 7 0 2 n m E 也有文献报道 为 0 4 4 6 9 n m 摩 尔体积 为 1 3 4 5 x1 0 m mo l 密度为 7 8 0 1 g c m 出现 碳缺位并当其化学式由 Nb C 变化到 Nb C s 时 其点阵常数由 0 4 4 7 0 r i m变化到 0 4 4 3 3 D m 基 本可 以为是 随碳 缺位程度 而线性 变化 由此 町得 Nb C 的点阵常数为 0 4 4 4 2 r i m 摩 尔 体 积 为 1 3 2 0 1 0 m mo l 密度 为 7 8 3 7 g c m 碳化铌 的线膨胀系数为 6 5 l 0 K 2 O 1 l O O 2 1 9 或 为 7 0 2 1 0 6 K 0 1 0 0 0 c 其 熔 点为 3 5 0 0 7 5 C 室温下的 E 3 3 8 5 l 0 MP a 娃微硬度 为 HV2 4 0 0 2 碳化铌的定j 丘比热容 c P 一4 5 1 8 十 7 2 4 3 1 0 3 9 0 0 2 1 0 j T J K mo 1 2 9 8 1 8 0 0 K 2 9 8 K时 的 形 成 热 A H一 一1 4 0 7 3 3 k J mo l 蛐 NB C 0 的 c 一4 0 6 叶 8 3 3 l 0 qT 6 3 2 l O 了 1 J K too 1 2 9 8 1 8 0 0 K 2 9 8 维普资讯 钢铁研究学撤 第 1 0卷 K 时 H一 一1 3 8 6 k J too l E 一 室温 F 氮化铌的点阵常数为 0 4 3 8 8 n m 摩 尔 体 积 为 1 2 7 2 1 0 m mo l 密度为 8 4 0 5 g cI n 线膨胀系数为 1 0 1 1 0 K 2 O 2 7 0 其熔点为 2 0 5 0 室温显微硬度 为 HV1 3 9 6 E 3 6 3 8 2 2 6 1 1 0 T J K mo 1 2 9 8 6 0 0 K C p 一4 4 9 6 8 3 1 1 x 1 0 1 T J K mo 1 6 O O 1 6 4 3 K 2 9 8 K 时 H 一 一2 4 9 5 k J too l E 钢 中存在的碳化铌和氮化铌在整个 固态范围内 均 可完全互溶而形成碳氮化铌 其点阵常数和密度 可用线性 内插法计算得到 很多研究者得到碳化铌和氮化铌在 铁 中的固 溶度积公式 其 中常用的为 l g E Nb C3 一2 9 6 7 5 I O T O 2 E 5 l g Nb 3 C3 一3 1 1 7 5 Z O T O 1 E 6 l g Nb 3 c 0 r 一2 9 7 7 5 0 0 T 0 0 6 E 8 5 0 l 2 0 0 7 l g Nb N 7 2 8 O 一8 5 0 0 T 8 碳化铌和氮化铌 在 a铁 中的固溶度积非常小 试验难于测定 目前仅有由热力学数据推 导而得 的 平衡固溶度积公式 l g E Nb 3 c 一5 一1 0 9 6 0 Tc 9 l g E Nb 3 N 一4 9 6 1 2 Z 3 0 T 1 0 l g E Nb 3 c 一4 8 7 1 0 0 6 0 Tl 2 1 一 3 0 0 1 0 0 0 K 1 1 由上述固溶度积公式和碳化铌及氮化铌的理想 化学配 比值可计算 出含铌钢中任一温度下的溶铌量 E Nb 3 溶碳量 c 或溶氮量 N 通过稍微复杂的 计算还 可得 出任 一温 度下碳氮化铌 的化学组成 式 即 Nb C N 或 Nb c 8 7 5 N 中的 及溶铌量 溶碳 量和溶氮量口 此外 由此还可计算出碳化铌 氮化 铌及碳氮化铌在 y铁或 a铁中沉淀析出时的化学 自 由能 微细 MC或 MN相在钢中沉淀析出时 与铁基 体之间具有确定 的位向关系 碳化铌 氮化铌及碳氮 化铌也具有同样的位 向关系 即 1 0 0 M E N 1 0 0 r E 0 1 0 3 M c N E o o 3 1 O O M c N 1 O O E o l 1 M c N E o l o 3 由此 根据错配位错理论 可 以计算 出碳化铌 氮化铌与奥氏体之间的半共格界面比界面能 d N b c 一1 0 0 5 8 0 4 4 9 3 1 0 一 T J m 1 2 N n N 一0 9 7 1 7 0 4 3 4 0 1 0 T J m l 3 b c F O 9 9 1 6 0 4 4 2 9 1 0 T J m 1 4 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 法计算 但 r各方向 l 二 的 错配度币 一 样 因而 比界 面能也不 样 由此 导致在 铁素体 中沉淀析出的碳化铌 氮化铌呈圆片状 底 面为 1 0 0 c N 1 0 0 面 且其径厚 比以及侧 比 界 面能 与底面 比界面能之 比值基本固定 变 对碳 化铌 而言为 1 3 5 对氮 化铌而 为 1 4 0 备温度 F 比界面能的具体计算结果详见文献 2 8 碳氮化铌 与奥氏体和铁素体之问的比界面能则 可用线性 内插法计算得到 碳化铌 氮化铌及碳氮化铌均是非常 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 十的粗 化规律可用下式计算 一 墨 t 一 1 5 式中 一一初始时刻和 t 秒后第 相 的平均 半 径 V 第 相的摩尔体积 C v 控制元素 这里为铌 在基体相 中溶解 的平衡溶质浓度 摩尔体积 m 粗化速率 P 粗化时间 根据相应的计算 当钢材成分 满足理想化学 配 比时 碳 化铌 的粗 化速 率 在 9 0 0 c时 为 0 2 1 6 n m s 1 2 0 0 时为 3 3 4 n m s 而对 氮化铌来 说则分别 为 0 1 3 0和 2 O 8 n m s 比 F e C的粗化 速率小 3 4 个 数量级 通常钢材成分并不满足理想 化学配比 这时其粗化速率还将进一步减小 扫 此 钢中固态析出的碳氮化铌通 常可保持几至几 十纳米 的数量级 从而充分发挥其强韧化作用 碳氮化铌在钢中沉 淀强 化时 其强化机制可能 是切过机制 也 町能是 Ol O W t I l 机制 有关的碑 沦计 算表明 强化机制发 生转换时的I 描界尺 寸对碳化 铌而言为 1 8 9 n m 对氮化掘为 2 2 6 n n l 冈此 钢中 碳氮化铌 的沉淀强化机制为 Or o wa n机制 3 结语 根据近年来的试验及珲论研究结果 同时参阅 大量圉外文献资料 伞I 町地搜 集总结 了 铌在钢 中的 维普资讯 第 2期 雍 岐龙 等 铌 在钢 中的物理 冶金学基础数据 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 1 9 9 7年 7月 2日收到 参考文献 1 雍岐龙 马呜图 吴宝椿 徽台盒锕 物理和力学冶金 北京 机械工业 出版杜 1 9 8 9 8 9 8 Bm n d E A Smi t h e l l s M e t Ms Re f e r e nc e B o o k Lo n d o n B u t t e r w o r t h 8 L C o L t d 1 9 8 3 8 8 3 B r a n d e s E A S mi t h e l M Me t a l a Re f e r e n e e B o ok Lo n d o n But t e r w o r t h C o L t d 1 9 8 3 1 4 2 4 Br a ud es E A S m l t he t l s M t a l s Re f e r e n e B o o k Lo n d o n Bu t t e r w o r t h 8 L C o L t d 1 9 8 3 1 5 3 5 S e h l a d e r D M S mkh J F J A p 1 Ph y s 1 9 7 7 4 8 5 06 2 6 W 1 k e r E Pe t e r M J App 1 P hy s 一 1 9 77 4 8 2 8 2 0 7 S t o r ms E K Kr k o s n N H J Ph y s Che m 1 9 6 0 6 4 1 4 71 8 Sp a r keBt J a r r sDW Le J k G M J I r o n St e e ll a s t 1 98 5 20 3 1 5 2 9 B do r d J J I r o nS t e e l I n s t 1 9 6 8 2 0 4 I 1 1 0 De Ar d o A J Gr a y J M Me y e r L Fund a me n t a l M e t n l u r g y o f Ni o b i u m i n St e e 1 I n S t U a r t H e d Niob i u m 8 1 Ne w Yo r k AI M E 1 98 4 6 8 5 1 Gr a y J M Ye o R B G Tr a n s ASM 1 9 6 8 6l 2 5 5 1 3 E眦E R Et M n 如 JN Ho f H A P h y B R 舸 1 9 7 8t B1 7 4 4 0 1 3 Hu b e r E J He a dE L Ho l l y C E e t a 1 J P h y s C h e m 1 9 6 1 6 5 I 8 4 6 1 4 No r d her g H Ar o l l s o n J Iro n S t e e I I v s t 一 1 96 8 2 0 6 1 2 63 1 5雍蛀龙 部鲁 孙珍宝 盘属学 报 1 9 8 6 2 2 6 A5 2 9 16 Ame n d o l a A Po l y t e c n s t Br o ok l y n Ne w Yo r k 1 1 9 5 8 l 7 萨姆索诺夫 F B著 冶金部科技情报所 书刊编辑室 译难熔 化台物手册 北京 中国工业 出版社 1 9 8 5 5 1 1 8 Na ga k ur a S Ok e t a ni S Tr a m I r o n St e e l I ns t J p n 1 9 68 8 2 6 8 1 9 Br a u e r G J I s s Co mmo n Me t a l s 1 9 6 0 2 1 3 1 2 0 Ba r i n T K e he O The