nb在钢中应用的物理冶金基础

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1、Nb在钢中应用的物理冶金基础TheFoundationofPhysicalMetallurgyforApplicationofNbinSteels北京科技大学杨善武贺信莱以下内容反映个人观点，不代表Nb钢联合实验室的立场内容热力学基础Nb在钢中的基本作用Nb在钢中的溶解析出规律Nb对变形奥氏体回复、再结晶的阻碍作用Nb(C,N)在钢中应变诱导析出的动力学模型热力学基础1.对于除压强外不受其他外力作用的体系dU≤TdS-PdV式中U为内能，T为绝对温度，S为熵，P为压强，V为体积定义自由焓G=U+PV-TS，则有dG≤VdP-SdT体系一般处于恒温恒压（d

2、T=0，dP=0）条件下，则有dG≤0，即平衡态为G取最小值的状态定义自由能F=U-TS，对于常压下的固、液体系，PV远小于G中的其他相，可略去，故可用F代替G，即认为恒温恒压下的平衡态为F取最小值的状态热力学基础2.由F=U-TS可知，为使F取最小值，高温时体系倾向于取S大的状态，而低温时体系倾向处于U低的状态。对于含铌微合金钢而言，这将使得铌在高温时倾向于溶解以增熵，低温时倾向于析出以降能。对于已发生析出的体系，其自由能可视为体自由能F体，界面能F界，应变能F应之和，即F=F体+F界+F应。一般有F体<0，为析出的驱动力，而F界>0，F应>0为析出

3、阻力。由于小粒子的比界面积大，所以析出的形核往往需要借助于热激活并以非均匀形核为主，析出相开始时与基体共格，在长大过程中逐渐失去共格关系，而在析出后期常发生Oswald熟化过程。Nb在钢中的基本作用通过固溶Nb原子对晶界运动的拖曳作用抑制变形奥氏体在高温的再结晶行为Nb与钢中的C、N原子化合形成纳米尺度的析出相钉扎位错，抑制变形奥氏体的回复、再结晶固溶Nb对C扩散的限制作用与对相界面的拖曳效应，将起到限制铁素体形核长大的作用，从而推迟γ→α转变利用Nb与C之间强烈的相互作用，在不锈钢中加Nb可防止CrC析出，减弱不锈钢的晶间腐蚀倾向性利用Nb(C,N)对

4、位错的钉扎作用，可以显著提高钢中非平衡组织的热稳定性Nb在夹杂物表面与晶界的富集将有利于钢的抗腐蚀性能TypicalFIMimagesofNbsteel(steelC)heldat1000°Cfor10safterfirstcompression,(a)–(c),andfor100safterfirstcompression(d).(a)–(c)showatypicalsequenceofimageswithlayer-by-layerfieldevaporation.Thebrightpointsindicatedbyarrowsdisappearby

5、onelayerevaporation.N.Maruyamaetal.:MaterialsScienceandEngineeringA250(1998)2–7(a)(b)(c)125nm铌模型钢在850℃变形25%后弛豫30s和60s时离散位错上的析出质点(a)30s,(b)30s,(c)60s1um(a)330nm(b)铌模型钢850℃变形25%后弛豫1000s时样品内形成的位错胞状结构弛豫时间为1000s时位错胞内的残留位错及析出相形貌(a)125nm(b)FullCCTdiagramforsteel1-3,followingaustenitizat

6、ionfor10sat1250℃FullCCTdiagramforsteel3,followingaustenitizationfor10sat1250℃FullCCTdiagramforsteel3,followingaustenitizationfor3sat1250℃30μm30μm0.01%C-Si-Mn钢0.01%C-Si-Mn-0.2%Nb钢abcd无Nb钢(a,c)与含Nb钢(b,d)的表面与截面锈层形态（a）（b）含Nb钢在850℃变形25%后弛豫不同时间的样品在650℃（a）和700℃（b）重加热过程中的硬度变化Nb在钢中的以上作用源于

7、以下三个特性Nb与钢中的C存在强烈的相互作用，同时Nb在钢中的扩散系数远低于碳Nb易于钢中的C、N化合形成弥散、细小的析出颗粒Nb有界面偏聚趋势并对界面迁移产生强烈拖曳研究钢中Nb析出的意义控制适量Nb在适当时机析出于变形奥氏体内的适当位置是控制轧制技术的核心。它使轧制过程分为再结晶轧制与非再结晶轧制两个阶段，使得奥氏体的晶粒细化和形状优化达到最佳匹配。Nb在钢中的溶解析出规律钢中Nb析出相的化学式:Nb(C,N)结构:NaCl结构与奥氏体的取向关系:{111}ppt//{111}γ-Fe<110>ppt//<110>γ-Fe含铌析出相的结构与形态NbC

8、或NNbC或NNb(C,N)析出相的晶体结构示意图Nb-Ti钢中球形析出物(Nb