Nb对低碳钢奥氏体晶粒长大的影响

　第 41 卷 　第 12 期 　2 0 0 6 年 12 月 钢 铁 Iron and Steel 　Vol. 41 , No. 12 December 　2006 Nb 对低碳钢奥氏体晶粒长大的影响 于庆波1 ,2 ,3 , 　张仲波1 , 　李子林1 , 　韦 　玄1 (1. 安阳钢铁集团公司技术中心 , 河南 安阳 455004 ; 　2. 齐齐哈尔大学机械工程学院 , 黑龙江 齐齐哈尔 161006 ; 　3. 哈尔滨工业大学博士后流动站 , 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 　要 : 在 Gleeble 1500 热模拟试验机上进行了不同加热温度对 Nb 的质量分数为 01015 %的钢和不含 Nb 钢奥氏 体晶粒尺寸的影响试验。结果明 ,在加热温度为1 150、1 200 和1 230 ℃时 ,含 Nb 钢的奥氏体晶粒尺寸分别小于 不含 Nb 钢的奥氏体晶粒尺寸。但是 ,当加热温度达到1 240 ℃时 ,含 Nb 钢的奥氏体晶粒却大于不含 Nb 钢的奥氏 体晶粒尺寸。通过理论分析认为 ,含 Nb 钢奥氏体晶粒尺寸由小变大的原因是由于 Nb 原子的晶界内吸附作用所 致。 关键词 : 奥氏体晶粒 ; Nb 原子 ; 偏聚 ; 拖曳机制 中图分类号 : T G142. 4 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 04492749X(2006) 1220070205 Effect of Nb on Austenite Grain Growth of Low Carbon Steel YU Qing2bo1 ,2 ,3 , 　ZHAN G Zhong2bo1 , 　L I Zi2lin1 , 　WEI Xuan1 (1. Technology Center , Anyang Iron and Steel Group Corp . , Anyang 455004 , Henan , China ; 2. College of Mechanical Engineering , Qiqihar University , Qiqihar 161006 , Heilongjiang , China ; 3. Postdoctoral Working Station , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , Heilongjiang , China) Abstract : The effect s of heating temperature on austenite grain size of 0. 015 % Nb steel and Nb f ree steel were in2 vestigated by Gleeble 1500 thermomechanical simulator. When the heating temperatures were 1 500 , 1 200 and 1 230 ℃,the austenite grains of Nb steel were finer than those of Nb f ree steel respectively. But when the heating temper2 ature was 1 240 ℃, the austenite grains of Nb steel were larger than those of Nb f ree steel. It is suggested theoreti2 cally that the austenite grain size of Nb steel is increased due to the int ra2boundary adsorption of Nb atom. Key words : austenite grain ; Nb atom ; segregation ; drag mechanism 基金项目 : 黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持项目 (1151 G062) 作者简介 : 于庆波 (19702) , 男 , 博士 , 副教授 ; 　　E2mail : yuqb1970 @sina. com ; 　　修订日期 : 2006205202 　　由于铌的碳化物和氮化物在钢中易形成沉淀 相 ,所以在高强度低合金钢中铌是最有效的微合金 元素。目前 ,世界大约年产几百万吨铌微合金钢[1 ] 。 传统的合金元素通过改变铁的结构来影响钢的性 能 ,当钢中的合金元素的质量分数达到 0. 5 %～ 20 %时 ,就可以使钢的性能发生变化 ,比如强度提 高、韧性增加、腐蚀性能得到改善。而微合金元素与 普通的合金元素不同 ,它们的添加并不改变铁的结 构 ,而是与钢中的碳、氮元素发生相互作用 ,形成第 二相并从基体中析出 ,对钢的显微组织、力学性能产 生重要影响。笔者研究了当钢中 Nb 的质量分数降 低到 0. 015 % ,在未能形成 Nb (C ,N) 沉淀相的情况 下 ,Nb 对奥氏体晶粒长大的影响。 1 　试验材料与方法 试验了 2 种不同化学成分钢 ,其中 A 钢不 含 Nb ,B 钢含微量 Nb ,两种钢的化学成分分析结果 见表 1。试验钢在 100 kg 中频感应炉中冶炼 ,冶炼 后的钢坯经热轧、机械加工 ,最后成为直径 8 mm、 长 10 mm 的圆柱体试样。热处理试验在 Gleeble2 1500 热模拟试验机上进行 ,热处理如图 1 所 示。将热处理后的试样研磨、抛光 ,然后用过饱和苦 味酸腐蚀 ,显出奥氏体晶界 ,并采用定量金相法测出 奥氏体晶粒的平均尺寸。 表 1 　试验钢的化学成分(质量分数) Table 1 　Chemical composition of experimental steels % 试验钢 C Si Mn Cr Mo Nb P S A 0. 040 0. 24 0. 53 0. 32 0. 43 - 0. 008 0. 010 2 B 0. 041 0. 21 0. 50 0. 34 0. 42 0. 015 0. 007 0. 008 5 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 12 期 于庆波等 :Nb 对低碳钢奥氏体晶粒长大的影响 图 1 　试验钢的热处理工艺 Fig. 1 　Heat treatment process of experimental steel 2 　试验结果 图 2 所示为不含 Nb 钢 (A1～A4) 和含 Nb 钢 (B1～B4) 在1 150、1 200、1 230、1 240 ℃下保温 3 min 后的奥氏体晶粒形态。图 3 所示为两种钢的晶 粒尺寸变化情况 ,可以看出 ,当加热温度在1 230 ℃ 以下时 ,含 Nb 钢的晶粒尺寸均小于不含 Nb 钢的晶 粒尺寸。但是 ,当加热温度达到1 240 ℃时 ,与不含 Nb 钢相比 ,含 Nb 钢的奥氏体晶粒尺寸反而明显粗 大。 3 　讨论 3. 1 　Nb 原子的晶界内吸附 在 Nb 的质量分数为 0. 015 %的控轧控冷钢板 上截取试样 ,通过对碳萃取复型和金属薄膜试样的 透射电镜观察及能谱分析 ,发现该钢在加热到1 200 ℃后进行的控轧控冷过程中并没有含 Nb 的沉淀颗 粒析出 ,这说明热轧钢中的 Nb 是以原子状态存在。 因此 ,当热轧钢重新被加热到奥氏体状态时 ,钢中的 Nb 仍然以原子状态存在。由于 Nb 原子半径是 01145 6 nm ,Fe 的原子半径为 0. 126 0 nm ,两者原子 半径相差 15. 56 % ,如果 Nb 原子溶解于晶粒内部 , 则由于原子尺寸的差异会引起较大的畸变能 ,如图 4 (a)所示。与晶内相比 ,晶界层的原子排列比较疏 松 ,如图 4 (b)所示。 D Mclean[2 ]根据溶质原子分布在晶界和晶内 所引起组态熵的不同 ,给出了晶界层中溶质原子浓 度 Cg 和晶粒内的浓度 C0 应满足下列关系式 : Cg = C0 exp ( ER T ) (1) 式中 , T 为绝对温度 ; R 为气体常数 ; E 为溶质原子 在晶内和晶界区引起的畸变能之差。 由公式 (1)可知 , Cg 主要受温度的影响 ,温度越 高 ,溶质原子的分布越均匀 ,晶界偏析就越不显著。 对于 Nb 原子的晶界内吸附的问题 ,由于其含量少 加之检测设备精度的限制 ,目前仍然很难直接得出 Nb 原子偏聚在晶界处的证据。为此 , Enomoto [3 ] 等 对 Nb 原子在钢中的偏聚问题进行了研究。在研究 中发现 ,不同的铌含量会对先共析铁素体在晶界处 的形核率有较大的影响 ,如图 5 所示。 由图 5 可知 , 添加少量的 Nb (质量分数为 01016 %) ,与不含 Nb 钢相比 ,其铁素体的形核率就 会显著减少 ;若添加质量分数为 01086 %的 Nb ,铁 素体形核率会减少 3～4 个数量级。Enomoto 等通 过热力学计算进一步分析了造成上述情况的原因 , 他认为由于奥氏体晶界处原子排列比较混乱 ,有很 多“台阶”,因此导致界面能增加。而 Nb 原子与 C 原子之间的亲和力强 ,因此 ,它们在晶界“台阶”位置 共偏聚而形成原子团 (析出物的前身) ,从而大大降 低了晶界能而使铁素体形核率下降。 基于 Enomoto 等关于 Nb 原子在奥氏体晶界 偏聚的研究结果 ,以及笔者通过试验发现 Nb 的质 量分数为 01015 %的钢存在奥氏体晶粒突然长大的 临界温度 (1 240 ℃) ,可以认为 :在含有微量 Nb 的 钢中 ,在某一临界温度条件下 ,Nb 在钢中的存在方 式是以原子形式优先偏聚于晶界。在本试验条件 下 ,发现该临界温度为1 240 ℃。这是因为在一定的 温度条件下 ,由于在存在点阵畸变的晶体中 ,可供 Nb 原子占据间隙的大小不是处处相同 ,所以 Nb 原 子浓度在某些地方必然比其它地方高。与晶内点阵 相比 ,晶界附近原子排列得更混乱 ,原子之间的空隙 更大 ,因此 Nb 原子必然向晶界发生偏聚。存在较 大晶格畸变的晶界不仅给 Nb 原子的偏聚提供很大 的驱动力 ,而且 Nb 原子的偏聚又使晶界处的应变 能得以减小和消除 ,从热力学角度分析 ,Nb 原子向 晶界偏聚的过程是使系统的自由能减少到最小的过 程 ,是一个自发的过程。这一结论的提出是以理论 分析和间接试验作为基础 ,有待于更高精度的检测 设备或更为先进的检验方法加以直接证实。 3. 2 　Nb 原子内吸附对含 Nb 钢奥氏体晶粒长大的 影响 Nb 原子偏聚于晶界从而对奥氏体晶粒长大产 生影响的主要原因有以下两个方面。 一方面 ,当奥氏体晶界由于热激活的作用发生 移动时 ,它必须对偏聚的Nb原子施加力的作用 ,才 ·17· © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 钢 　铁 第 41 卷 (a) A1 ,1 150 ℃; 　(b) B1 ,1 150 ℃; 　(c) A2 ,1 200 ℃; 　(d) B2 ,1 200 ℃; (e) A3 ,1 230 ℃; 　(f) B3 ,1 230 ℃; 　(g) A4 ,1 240 ℃; 　(h) B4 ,1 240 ℃ 图 2 　含 Nb钢、不含 Nb钢在不同加热温度下的奥氏体晶粒 Fig. 2 　Microstructures of Nb steel and Nb free steel heated at different temperature ·27· © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 12 期 于庆波等 :Nb 对低碳钢奥氏体晶粒长大的影响 图 3 　加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响 Fig. 3 　Effect of heating temperature on austenite grain size of Nb steel and Nb free steel 能拖曳着 Nb 原子一起运动。而 Nb 原子的运动速 度是受它在基体金属中的扩散速度所控制的 ,由于 Nb 原子在基体金属中的扩散系数远远低于基体金 属本身的晶界扩散系数 ,由此将导致晶界迁移率 f (单位 :m/ ( s ·N) )的降低。根据溶质原子拖曳理论 可知 ,在晶界运动的驱动力远大于偏聚原子对晶界 的拖曳力的情况下 ,晶界可迅速挣脱偏聚原子而独 自运动 ,此时晶界的迁移率 f 也基本不会明显地受 偏聚原子的影响。晶界迁移率 f 就是原子跳跃晶 界的迁移率 ,它与晶界扩散系数有关 : f ≈ DG/ k T (2) 式中 , DG 为晶界扩散系数 ,单位为 m2 / s ,且 DG = D0 exp ( - QG / k T ) , D0 为扩散常数 , QG为晶界扩 (a) 铌原子位于晶内 ; 　(b) 铌原子位于晶界 图 4 　铌原子的分布对晶格畸变能的影响 Fig. 4 　Effect of distribution of niobium atoms on distortion energy of lattice 图 5 　Nb原子对先共析铁素体在奥氏体晶界处形核率 的影响 Fig. 5 　Effect of Nb atom on nucleation rate of proeutec2 tic ferrite at grain boundaries of austenite 散激活能 ,单位为 J / mol。故晶界迁移率将随温度 的升高而迅速增大。固态相变时相界运动的驱动力 很大 ,因而相界的运动基本不受偏聚原子的影响 ;由 于再结晶时晶界运动的驱动力也较大 ,故含量较少 的偏聚原子对再结晶时晶界运动的影响也不显著 ; 而奥氏体晶粒长大的驱动力则较小 ,晶界的运动将 完全受偏聚原子扩散速率的控制 ,这时晶粒长大速 度与驱动力也成直线比例关系 ,但晶界迁移率 f 中 的扩散系数 D G 将变为偏聚原子在基体中的扩散系 数 ,其值将大大降低。因此 ,当加热温度分别为 1 150、1 200 和1 230 ℃时 ,由于含 Nb 钢中的 Nb 原 子偏聚在晶界处 ,其晶界迁移率要小于无铌钢的晶 界迁移率 ,根据晶界运动速度公式 [ 4 ] : v = f F (3) 可知含 Nb 钢奥氏体晶粒的长大速度要小于不含 ·37· © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 钢 　铁 第 41 卷 Nb 钢 ,所以含 Nb 钢的奥氏体晶粒要小于不含 Nb 钢。式中 , F为净驱动力。 另一方面 ,由公式 (3) 可知 ,晶粒长大速度是由 晶界原子的迁移率 f 和晶界驱动力 F 共同决定。 由于奥氏体晶界位置有 Nb 原子的偏聚 ,所以对晶 界向前移动起了抑制作用。这种作用与溶质原子吸 附在刃型位错下方组成柯氏气团而对位错运动起阻 碍作用是相似的。随着温度的升高 ,偏聚的 Nb 原 子气团逐渐消散 ,当超过了一定的临界温度 ,晶界移 动的驱动力将不再和气团的拉应力相平衡 ,使晶界 和气团脱开 ,晶界的迁移率 f 将突然增大。此时晶 界移动的驱动力为 : F = Δμλ (4) 式中 ,Δμ为晶界两侧化学位之差 ,单位为 J / mol ;λ 为晶界厚度 ,单位为 m。对于球形晶界 ,由 Gibbs2 Thomp son 公式可知 : Δμ = 2 vσ R (5) 式中 ,σ为表面应力 ; R 为弯曲界面的曲率半径 ; v 为 比容。 从图 2 可以看出 ,由于 Nb 原子的偏聚使含 Nb 钢的奥氏体晶粒尺寸在1 150、1 200 和1 230 ℃下分 别小于不含 Nb 钢 ,所以含 Nb 钢的弯曲界面曲率半 径 R 分别小于不含 Nb 钢。而当加热温度达到 1 240 ℃这一临界温度时 ,由于溶质原子在晶内点阵 中溶解度增大 ,这时扩散过程又容易进行 ,于是在晶 界处偏聚的 Nb 原子发生溶解 ,即晶界挣脱气团 ,此 时含 Nb 钢的晶界迁移率不再受偏聚原子扩散速率 的控制 ,而与不含 Nb 钢的晶界迁移率相一致。然 而 ,由于此时含 Nb 钢的弯曲界面曲率半径 R 小于 不含 Nb 钢 ,导致含 Nb 钢晶界两侧化学位之差Δμ 要大于不含 Nb 钢。所以当加热温度为1 240 ℃时 , 含 Nb 钢的奥氏体晶粒的长大驱动力要大于不含 Nb 钢 ,并且其晶界迁移率已经与不含 Nb 钢相一 致。正是在该温度下晶界迁移率变大的同时 ,含 Nb 钢中被 Nb 原子所束缚的驱动力得到释放 ,导致含 Nb 钢的奥氏体晶粒突然长大。而不含 Nb 钢在 1 150 ℃时奥氏体就已经快速长大 ,晶界已经变得平 直 ,界面的曲率半径 R 很大 ,晶界两侧原子的化学 位差Δμ变小 ,由公式 (3) 和 (4) 可知 ,其晶粒长大的 驱动力已经很小。因此 ,尽管加热温度高达1 240 ℃,不含 Nb 钢的奥氏体晶粒长大速度缓慢 ,从而最 终导致在1 240 ℃下 ,含 Nb 钢的奥氏体晶粒反而比 不含 Nb 钢粗大。 以上是用 Nb 原子晶界内吸附理论对 Nb 的质 量分数为 01015 %的钢在1 150～1 230 ℃奥氏体晶 粒较细小而在1 240 ℃突然长大的试验现象的分析 说明。若认为钢中的 Nb 不存在晶界偏聚而是均匀 分布于奥氏体晶粒内部 (未能观察到含 Nb 的沉淀 相颗粒析出) ,则无法对该试验现象做出合理的解 释。 4 　结论 (1) 试验结果表明 ,Nb 的质量分数为 0. 015 % 的钢和不含 Nb 钢在加热温度为1 150～1 230 ℃范 围内 ,含 Nb 的奥氏体晶粒小于不含 Nb 的奥氏体晶 粒。当加热温度达到临界温度1 240 ℃时 ,含 Nb 钢 的奥氏体晶粒突然长大 ,而不含 Nb 钢的奥氏体晶 粒却没有明显变化 ,最终结果是含 Nb 钢的奥氏体 晶粒明显大于不含 Nb 钢的奥氏体晶粒。 (2) 基于 M Enomoto 等关于 Nb 原子在奥氏 体晶界偏聚的研究结果 ,以及作者通过试验发现 Nb 的质量分数为 01015 %的钢存在奥氏体晶粒突然长 大的临界温度 (1 240 ℃) ,并结合 Nb、Fe 原子之间 存在较大半径差等因素认为 ,在含有微量 Nb 的钢 中 ,在某一临界温度以下 ,Nb 是以原子形式优先偏 聚于晶界。 参考文献 : [ 1 ] 　傅俊岩. 铌·科学与技术[ M] . 北京 : 冶金工业出版社 , 2003. ( FU J un2yan. Niobium ·Science and Technology [ M ] . Bei2 jing : Metallurgy Indust ry Press , 2003. ) [ 2 ] 　Mclean D. Segregation Effect s in Metals [J ] . Canadian Metal2 lurgical Quarterly , 1974 ,13 (2) : 1452146. [ 3 ] 　Enomoto M , Sato Y. Effect s of Vanadium and Niobium on t he Nucleation Kinetics of Proeutectoid Ferrite at Austenite Grain Boundaries in Fe2C and Fe2C2Mn Alloys [ J ] . Mater Trans , 1994 , 35 (12) : 8622864. [ 4 ] 　Rat h B B , Hu H. Recrystallization and Grain Growt h in Met2 als [J ] . Trans AIME , 1969 , 245 (16) : 157721578. ·47· © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net