第五篇 氧化物冶金新技术

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1、第五篇氧化物冶金新技术InstituteofFerrousMetallurgy5.1氧化物冶金概念•为了提高钢洁净度，一直以来，研究者采取各种措施去除夹杂物，但尺寸较小的夹杂物并未引起太多关注，因为这类夹杂物对钢性能的影响并不明显；•研究发现，1μm左右的夹杂物在焊接冷却过程中可以诱发钢中晶内铁素体形核，细化了钢组织，显著改善了焊缝和热影响区的强度和韧性，由此诞生了一门新兴的领域“氧化物冶金”。•晶内铁素体—Intra-GranularFerrite,IGF•热影响区—HeatAffectedZone,HAZInstituteofFerrousMetallurgy奥氏体→铁素体转变

2、的凝固组织a：不规则铁素体晶界/GBFb：Widmanstatten铁素体c:晶内多边形铁素体/IPFd：晶内针状铁素体/IAF针状铁素体的特性通常认为，针状铁素体形成于650-440℃的贝氏体温度范围内；针状铁素体更容易在夹杂物周边成核；针状铁素体一般表现为长度是宽度方向的5倍，且宽度一般为1μm。图钢的不同凝固组织外观形貌InstituteofFerrousMetallurgy5.2氧化物冶金技术需求控轧控冷及超细晶粒钢提高了母材的性能，对应的提高焊缝和焊接热影响区强度也是必须的；大线能量焊接技术的应用，提高了输入的能量，HAZ所达到的最高温度大幅提高，组织粗大化，性

3、能恶化；氧化物冶金不需要压力加工就能实现细化组织的功效，对无法实施控轧控冷的钢种，如厚板、型钢、非调质钢具有更大的吸引力。InstituteofFerrousMetallurgy5.3氧化物冶金技术思路控制钢中氧化物的分布和属性，StepⅠ如成分、熔点、尺寸、分布等利用氧化物作为钢中硫化物、氮化物StepⅡ和碳化物的非均质形核核心，对析出物的析出和分布进行控制利用形成的析出物控制高温下晶界的移StepⅢ动和长大，促进晶内铁素体形核细化钢的组织，改善性能InstituteofFerrousMetallurgy上贝氏体针状铁素体奥氏体晶粒图裂纹在上贝氏体和针状铁素体组织中的扩展示意图

4、焊接或凝固过程中，夹杂物在奥氏体向铁素体转变过程中诱导晶内铁素体IGF形核，形成一种交互封锁，具有大角晶界和高位错密度的针状组织；这种组织细化了铁素体晶粒，同时因晶粒交互封锁而抑制了裂纹的扩展和延伸，可同时提高钢的强度和韧性。InstituteofFerrousMetallurgy5.4析出相对晶粒长大的钉扎作用rR43/析出相R-奥氏体晶粒尺寸；r-析出相半径；Φ-析出相体积分数。•夹杂物或析出相对晶粒长大的钉扎/抑制作用已广泛应用于焊接和热处理过程。•TiN钉扎的作用最为有效；•析出物越细小，越弥散，体积分数越高，钉扎作用越好。图不同析出物相对高温奥氏体

5、晶粒的钉扎作用InstituteofFerrousMetallurgy5.5针状铁素体形成的影响因素I.固溶合金含量II.冷却速率III.奥氏体晶粒尺寸IV.夹杂物颗粒特征图夹杂物诱导晶内铁素体成核的TEM照片InstituteofFerrousMetallurgyⅠ合金元素含量Ⅱ冷却速率•影响晶内铁素体形核最有效的固溶元素为C、Mn和Si；•合适的Al、Nb、Mo和Ni元素含量可以增加晶内铁素体形核，并显著增加钢图50冷却速率对含钛0.025%的中碳钢微观结构的影响（900℃，奥氏体化10min后）组织中针状铁素体的比•当冷速在0.5-2.5℃/s时，对应的组织为晶内率；铁素体，

6、包括晶内针状和多角状铁素体；•优化冷却速度促进晶内铁素体形成还因钢种成分改变而改变。InstituteofFerrousMetallurgyⅢ奥氏体晶粒尺寸•一般而言，晶内铁素体分数随奥氏体晶粒增大而增加。Ⅳ夹杂物颗粒尺寸•分布在钢基体中的夹杂物，其尺寸、数量和成分对焊接金属或焊接热影响区的针状铁素体形核均匀性影响显著。a：夹杂物尺寸几乎所有的夹杂物均可以促进铁素体形核，但关键在于其尺寸大小。目前的研究认为，1μm左右的夹杂物是铁素体均相成核的临界尺寸。这些夹杂物可以是氧化物、硫化物、碳化物、氮化物或者复合夹杂物。图夹杂物尺寸对铁素体成核的影响InstituteofFerro

7、usMetallurgy夹杂物诱导晶内铁素体形核未形核形核图夹杂物诱导晶内铁素体形核与否的对比分析/TEMInstituteofFerrousMetallurgy夹杂物诱导晶内铁素体形核夹杂物形核机率定义：b：夹杂物数量LEE等人研究发现，在低碳钢所有夹杂物中，促进铁素体成核的夹杂物分布在0.5-0.8μm之间。图低碳钢焊缝中作为铁素体成核的夹杂物以及所有夹杂物的分布规律这些夹杂物占夹杂物总数的36%，但却可以促进焊接金属中80%以上的针状铁素体形成。Instit