钢铁中析出相简介

1、上海大学上海大学 学年学年 季学期研究生课程考试季学期研究生课程考试 小论文格式小论文格式 课程名称： 材料微结构与性质 课程编号： 101101705 论文题目: 钢铁中析出相简介 研究生姓名: 周昌兵 学 号: 10721448 论文评语: 成 绩: 任课教师: 评阅日期: 注：后接研究生小论文，格式参照公开发表论文的样式。 钢铁中析出相简介钢铁中析出相简介 摘摘 要：要：本文综合分析评述了钢中析出相的各种有利作用及有害作用，深入分析 了其作用机制及规律，给出作用效果随析出相体积分数、尺寸，形状和分布的变 化规律的关系式，由此可对钢中析出相提出明确的控制要求，从而充分发挥析出 相的有利作用

2、而避免和减轻其有害作用。 关键词：关键词：析出相，钢，作用机制，作用效果 Introduction of precipitations in steel Abstract This paper reviews the various harmful effects and beneficial effects of precipitations in steel，deeply analysis its mechanism of action and gives out the relationship of size，shape and distribution of volume fract

3、ion，by This can be precipitated phases in steel with clear control requirements, to maximize the beneficial effects of precipitates and avoid and alleviate its harmful effects. Key words precipitation steel mechanism effect 一、一、钢铁材料中析出相的定义及分类钢铁材料中析出相的定义及分类 第二相在钢中具有十分重要的作用，其对钢的强度、韧性、塑性、深冲性、 疲劳、磨损、断裂、

4、腐蚀以及许多重要的物理和化学性能均具有重要的影响。析 出相的定义： 材料中以非连续状态分布于机体相中的且在其中不可能包围有其他 相的相，统称为析出相。 析出相的分类： 1、按与基体晶体之间的配合关系，分为共格、半共格和非共格析出相 2、按运动位错越过析出相颗粒的机制，分为可变形和不可变形析出相 3、按受到外力时与基体之间的结合被破坏的方式,分为解聚型和断裂型析出相 4、 按化学组成特征， 可将析出相分为正常价化合物、 单质、 金金属间化合物、 间隙相和间隙化合物。 二、钢铁材料中析出相的作用及意义二、钢铁材料中析出相的作用及意义 析出相对于钢铁性能的影响尤为重要。所谓水能载舟，亦能覆舟。合理控

5、制 钢铁析出相能强化钢铁性能， 如处理不当， 亦会引起金属性能急剧下降， 如脆化、 易腐蚀等等。 析出相在钢铁中的主要作用是产生第二相强化。 根据析出相颗粒与滑移位错 的交互作用机制，可得到两种不同的强化机制：1、位错绕过析出相颗粒并留下 位错环的 Orowan 机制 2、位错切过析出相的切过机制。前者析出相颗粒就是前 文提到的不可变形颗粒，后者中的析出相颗粒就是可变形颗粒。 可变形颗粒的切过机制强化又来源于： 1、共格应变强化作用：共格应力场与位错应力场之间的相互作用 2、有序强化作用：反向畴界能量 3、层错强化作用：位错切过第二相后使位错宽度变化 4、模量强化作用：模量不同导致位错位错能量

6、变化 5、化学强化或者表面强化作用：位错切过后增加的第二相与基体的滑移台阶的 界面能量 析出相在钢铁材料中除了起到强烈的第二相强化作用外， 还能控制基体晶粒 尺寸，从而间接的起到的细晶强化的作用。析出相在基体中均匀分布，对晶粒起 到了钉扎作用。 Gladman 详尽分析了钉扎时的能量变化从而得到当析出相为均 匀分布的球形颗粒的时晶界钉扎的判据为: 式中 Z=DM/D0 是晶粒尺寸不均匀性因子，即最大晶粒的直径（DM）和平均晶 粒直径（D0）的比值。 为保证一定晶粒尺寸的奥氏体晶粒在高温下被有效钉扎而不发生粗化， 就必 须存在足够体积分数的平均尺寸足够小的析出相。增大析出相的体积分数、降低 第二

7、相的平均尺寸均可增大钉扎作用，控制晶粒在较小的尺寸。 为保证一定晶粒 尺寸的奥氏体晶粒在高温下被有效钉扎而不发生粗化， 就必须存在足够体积分数 的平均尺寸足够小的析出相。增大析出相的体积分数、降低析出相的平均尺寸均 可增大钉扎作用，控制晶粒在较小的尺寸。 （需特别注意的是：在钢铁中添加合 金，大部分时候能起到细化晶粒的作用，但是锰和磷除外） 三、钢铁材料中的常见析出相及其形成规律三、钢铁材料中的常见析出相及其形成规律 原则上，钢中所有的合金元素和杂质元素都有可能形成析出相，因而都属于 钢中析出相形成元素。然而，在钢中出现的析出相主要包括碳化物、氮化物、硼 化物和金属间化合物， 以及传统上被认为

8、是钢中的夹杂物的各种氧化物、 硫化物。 元素周期表中位于铁左边的副族元素由于金属性较铁强， 因而将优先于铁而与各 种非金属元素形成化合物，这些元素是钢铁常见析出相的主要组成元素；此外， 相应的非金属元素 C、N、S、O、B 等也是钢铁中常见析出相的主要组成元素。 如前所述，钢中的各种析出相可分为正常价化合物、单质、金属间化合物、间隙 相和间隙化合物，单质析出相的最典型例子是 Cu，氧化物、硫化物一般被分类 为正常价化合物，而碳化物、硼化物、氮化物则被认为是间隙相和间隙化合物。 不同晶体点阵结构的碳化物、氮化物、硼化物的形成规律为： 1、当金属元素与非金属元素的原子半径比值小于 0.59 时，主

9、要形成具有 简单点阵类型的间隙相，包括： 具有 NaCl 型面心立方点阵结构的 MC 或 MN 相，单位晶胞内含有 4 个金属 原子，如 TiC、NbC 等。 具有简单六方点阵结构的 MC、M2C、MN、M2N 相，如 MoC、Mo2c、WC、 Mn2N 等 2、当金属元素与非金属元素的原子半径比值大于 0.59 时，则主要形成具有较 复杂点阵结构的间隙化合物，主要有： 具有复杂立方点阵结构的 M23C6 相，其单位晶胞有 92 个金属原子和 24 个 非金属原子如 Cr23C6、Fe21W2C6 等等。 具有复杂六方点阵结构的 M7C3 相，其单位晶胞有 56 个金属原子和 24 个非 金属

10、原子，如 Cr7C3、Mn7C3。 具有复杂正交点阵结构的 M3C 相，其单位晶胞有 12 个金属原则和 4 个非金 属原子，如 Fe3C、Mn3C、Co3C 等。 具有复杂正交点阵结构的 M6C 相， ，其单位晶胞有 96 个金属原则和 16 个 非金属原子，如 Fe3Mo3C、Fe3W3C6 等。 具有 CuAl2 型正方点阵结构的硼化物相， 其单位晶胞有 8 个金属原则和 4 个 非金属原子，如 Fe2B、Ti2B 等。 具有 FeB 型正方点阵结构的硼化物相， 其单位晶胞有 4 个金属原则和 4 个非 金属原子，如 FeB、TiB、MnB 等。 3、较为特殊的不属于间隙相的氮化物，其点

11、阵类型为 ZnS 型的密排六方点阵结 构，其单位晶胞含有 6 个金属原子及六个非金属原子，如 AlB、BN 等。 钢铁材料中通常存在多种碳化物、氮化物、硼化物形成元素，从而形成含有 多种元素的复合碳氮化物或碳硼化物，即某种碳化物、氮化物、硼化物中往往可 溶解其他元素，这是钢中的相与传统化学化合物的明显区别，其主要原因是由于 钢中的相或多或少的存在一定金属键特征。 而影响钢中的析出相的相互溶解的因 素仍然是： （1）电化学因素， （2）点阵类型， （3）原子尺寸因素。由此，析出相 之间可分为完全互溶、有限溶解、不溶解三类。 钢铁材料中常见析出相的物理数据主要包括其晶体结构、点阵常数、线胀系 数、

12、摩尔体积、密度等，下表列出了常见析出相的相关数据。 四、钢铁中析出相的控制理论四、钢铁中析出相的控制理论 前文已经介绍了钢铁析出相的作用、意义以及一些物理数据，明白了析出相 对于钢铁性能的重要影响。那么如何控制析出相的体积分数、形状、尺寸等也自 然而然的成为了人们关心的问题。为了获得所需要的强韧化效果，必须根据需要 准确控制不同状态下析出相的各个参数： 析出相体积分数的控制理论 析出相在钢铁基体中的固溶度有较大的差别， 但一般均随温度的升高而增大 且在奥氏体中比在铁素体中具有更大的固溶度。 只有在高温固溶温度下未溶的析 出相才能起到控制该温度下基本晶粒尺寸的作用， 而能够固溶于机体中的部分才

13、有可能在较低的温度沉淀析出而起到相应的控制再结晶晶粒尺寸的作用， 为此必 须根据析出相的固溶度公式进行相应的析出相合金系选择和相应成分的优化设 计。 固溶度较小的析出相才有可能在高温下仍保持一定体积分数的未溶颗粒，而 固溶度较大的析出相才有可能在低温下沉淀析出所需体积分数的强化相颗粒。 析出相尺寸的控制理论 析出相尺寸的控制主要包括两个方面， 一是沉淀析出过程中析出相尺寸的控 制，二是高温保持一定时间 Ostwald 熟化过程中析出相尺寸的控制。沉淀析出过 程中析出相尺寸的控制比较复杂， 必须综合考虑析出相沉淀析出时相变的热力学 和动力学问题， 析出相形核析出时的临界核心尺寸反比于相变的化学驱

14、动力而正 比如析出相与基体之间的界面能。 一定温度下保温一定的时间后未溶或沉淀析出 的析出相的平均尺寸随时间和温度的变化规律可以根据析出相的Ostwald熟化规 律进行理论计算。 析出相形状的控制理论 一般而言，由于界面能及溶质偏聚的原因，析出相将优先在基体的晶界、相 界上形核沉淀析出，这种非均匀沉淀析出相的形状是非常复杂且不固定的。当析 出相的体积分数较大时， 析出相将可能完全充斥晶界或相界而形成网片状或者薄 膜状，其对材料的性能危害特别严重，必须严格加以控制和消除；当析出相的体 积分数比较小时，析出相的形状基本为近球形，但沿晶界或相界断续分布也对钢 铁性能影响比较大，因而也必须避免或消除。

15、 析出相分布状态的控制理论 非均匀沉淀析出相的分布主要取决于与其所依附沉淀析出的缺陷位置的分 布， 一般均呈网状、 带状或其他非均匀的分布， 对材料的性能将产生很大的危害， 应当尽量避免或消除。而在基体内均匀分布的析出相是我们所希望的分布状态， 是析出相在基体内均匀形核析出将有助于充分发挥析出相的有利作用而避免或 减轻其不利的作用。 五、参考文献五、参考文献 1、雍岐龙钢铁材料巾的第二相M。北京：冶金工业出版社，2006。 2、雍岐龙，李永福，孙珍宝等第二相与品粒粗化时间和粗化温度J钢铁， 1993，28（9） ：4550 3、雍岐龙微合金碳氮化物在铁素体中的沉淀强化机制的理论分析J科学通 报，1989，34（19） ：707709。 4、雍岐龙，阎生贡，杨文勇等。烟机切丝刀用微合金丁具钢的设计J。中国学 术期刊文摘，l998，30（4） ：367-370。 5、徐永宁。金属学原理M。北京：科学出版社，2004。 6、贾书君。磷和晶粒尺寸对低合金钢力学性能和耐大气腐蚀性能的影响D。北 京：钢铁研究