铈及其碳化物对钢力学性能的影响
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 3 试样 1 和 2 在不同温度时的力 学性能
3期
张 金柱等 铈及其碳化物对钢力学性能的影响
277
图 4 试样 1( a) 和试样 2( b) 在 873 K 的拉伸断口扫描像
图 4( b) ) 。显然, 固溶的铈原子和析出的铈碳化物 是拉伸断口的脆性断面率降低的 主要原因, 也是 试样 2 的 断面收缩率提高, 即塑性改善 的主要原 因。 3结 论
2 结果与讨论 通过金相详细观察, 并结合电子探针定量分析
和X 射线衍射分析, 确认试样中的铈碳化物为 CeC2[ 8, 9] 。除试样 4 只有微量稀土碳化物生成外, 其
他加铈的试样中均有大量的稀土碳化物相分布于 基体中。CeC2 在铸态试样中沿着晶界分布, 经压力 加工后沿加工方向排列[ 9] ; 铈含量较低的试样 2 和 试样 5 与试样 6 相比, 铈碳化物 量也相应 有所降 低。
1实 验 试样用工业纯铁块、石墨电极块, 在氧化镁坩
埚内, 由中频感应炉熔炼。钢 样熔清后, 加入金属 锰和硅, 温度约 1800 K 时再加入金属铈, 约 5 min 后, 浇成 5 kg 锭, 切去头部后, 锻成 15 mm # 15 mm 和 15 mm 的线材。冲击试样按 GB/ T 229 标准加 工, 1083 K, 15 min, 水淬, 773 K 回火。分别在室温 ( 295 K) 和 243 K, 用能量为 49 J 的冲击试验机测定 冲击吸收功( A KV) 。低应变静拉伸试验按 GB228 和 GB6397 标准, 材料经 1073 K, 20 min 炉冷处理。常 温拉伸试样在 1078 K, 保温 40 min, 在氩气中淬火。
试样 3 试样 4 试样 5 试样 6
1323 2
6
6
6
6
1423 1
4
4
4
4
1473 1
2
4
4
4
1523 1
<1
4
4
4
* 试样中铈含量见表 1
图 1 钢中铈含量对室温冲击吸收功的影响
图 2 试样 4( a) 和试样 5( b) 在室温的 冲击断口扫描图像
二相经扫描电镜能谱定性分析, 主要为 金属铈, 结 合断面的金相观察, 可确定为 铈碳化物[ 9] 。显然, 随着钢中 CeC2 量的增加, 冲击断口由沿晶脆性断 口逐渐转变为韧性断口, 使冲击吸收 功有所提高。 在 243 K, 试样 3 到 试样 6 的冲 击吸 收功 依 次为 18 2, 16 0, 18 6, 18 1 J; 除试样 4 降低以外, 其他 试样的冲击吸收功与试样 3 在室温的冲击吸收功 基本一致。试样 4 的冲击吸收功降低, 可能与固溶 于钢中的微量铈在 晶界富集而弱 化晶界有关[ 11] 。 在 1173 K 保温 96 h, 炉冷到 1083 K 淬火, 试样 3 在 243 K 的冲击吸收功依然未变, 而其他加铈的试样 降低到了( 10 % 2) J。显然, 铈在晶界的过量富集使 钢材的冲击韧度显著降低。
[ 3] 余宗森, 褚幼义, 贺信莱, 等. 钢中稀土 [ M] . 北京: 冶金工 业出版社, 1982. 71.
[4] 李代 钟. 钢 中的 非金 属夹 杂 物 [M ] . 北京: 科 学出 版 社, 1983. 109- 154.
[5] 杨植玑, 刘沃垣. 混 合稀土在 钢铁中的 固溶量及 析出相 的 研究 [ J] . 钢铁, 1986, 21( 4) : 36- 41.
对上述冲击试样, 经奥氏体化处理, 在不同温 度下得到的奥氏体晶粒度级别 ( 按 GB6394 比较法
评定级别) 列于表 2。显然, 钢中含有铈, 至少可使 钢的奥氏体晶粒粗化温度提高 50 K; 而铈碳化物 的含量与奥氏体晶粒度级别无关。可以认为, 固溶 于钢中的铈有抑制奥氏体晶粒粗化的作用[ 12] 。
[ 2] WILSON W G, KAY A D R, VAHED A . The use of thermody namics and phase equilibria to predict the behavior of the rare eart h elements in steel [ J] . J. Metals, 1974, 26( 5) : 14- 23.
试样 1 和 2 的室 温低应变静拉伸性能基本接 近, 屈服点 s &700 MPa, 抗拉强度 b &1050 MPa, 断口伸长率 &14% ; 断面收缩率 !则因稀土的加 入而略有提高, 分别为 40% 和 44% 。扫描电镜观察 断口, 均为解理、准解理和韧性混 合断口。未经淬 火处理的拉伸试样, 在不同的温度范围内, 各性能 之间的差异如图 3 所示。在 673 K 以下的低温范围 内, 试样 2 的 s 值均大于试样 1; 温度进一步增高, 这种差异全部消失, s 值均随温度的升高而一致 降低。试样 1 和 2 的断口伸长率 值在整个试验温 度范围内都基本一致。含有铈碳化物的试样 2, 其 断面收缩率均不同程度地有 所提高。从断口形貌 来看, 试样 1 主要呈沿晶和部分韧窝的混合断口, 存在有连通的横向发纹, 脆性断面率较高 ( 见图 4 ( a) ) ; 而添加稀土的试样 2 则因微孔积聚而形成韧 窝, 韧性断面率显著提高, 主要呈韧窝断裂( 见
Shenyang 110015 , China)
Abstract: The inf luences of cerium and its carbide on least . If there was too much cerium segregated on the
铈碳化物的生成自由能较高, 稀土元素对碳的 作用有别于铬、锰、钨等元素而与硅的行为相似, 故 认为稀土元素在钢中是非碳化物形成元素[ 1~ 4] 。近
期的研究认为, U71Mn 等高碳钢中稀土元素的固溶 量高达 0 02% 时, 就会有稀土碳化物析出[ 5] ; 文献 [ 6, 7] 也有类似的报道; 25MnT iB 等钢中铈含量大 于氧、硫总量的 4 倍时, 就可生成碳化物[ 8] ; 当[ Ce] [ C] 2 !( 2210/ T + 1 43) exp( 5 591- 17095/ T ) 时, 可在 钢 液 中 生 成 铈 碳 化 物[ 9] ; 在 1015 K < T < 1523 K 温 度 范 围 内, 碳 活 度 0 126 ∀ ac ∀ exp( 6400/ T - 6 28) 时, 钢中的碳化物 CeC2 可转变 为 Fe4Ce4C7 相[ 10] 。本文是在钢中能够生成稀土碳 化物的基础上, 通过金相分析、扫描电镜能谱分析、 冲击、拉伸等实验手段, 探讨钢中的铈及其碳化物 对钢材力学性能的影响。
[ 6] 肖 强, 韩其勇, 张国柱, 等. 高碳钢中的稀土碳化 物 [ J ] . 中国稀土学报, 1994, 12( 4) : 373- 374.
[ 7] 林 勤, 付廷灵, 佘宗森, 等. 高碳钢中稀土 元素与碳相 互 作用的研究 [ J] . 中国稀土学报, 1994, 12( 2) : 145- 149.
[ 8] 李代钟, 高淑勤, 张烈夫. 钢 中的铈碳化物 [ J] . 中 国稀土 学报, 1988, 6( 1) : 53- 58.
[ 9] 张金柱, 李代钟, 高淑勤, 等. 钢中 CeC2 特性及生成规律研 究 [ J] . 贵州工学院学报, 1995, 24( 1) : 72- 77.
[ 10] ZHANG J ZH, LI D ZH. Thermodynamics of cerium carbide Fe4Ce4C7 in st eel [ J] . ACTA Metallurgica Sinica ( English letters ) , 1998, 11( 2) : 150- 156.
ZHANG Jin zhu1, LI Dai zhong2 ( 1 . Department of Metallurgical Engineering , Guizhou University of
T echnology , Guiyang 550003 , China; 2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences,
固溶于钢中的微量铈有 抑制奥氏体晶粒粗化 的作用, 至少可使奥氏体晶粒粗化温度提高 50 K 以上; 如果铈在晶界上过量富集, 可显著降低钢的 冲击韧度。钢中的铈碳化物是拉伸和冲 击断口由 沿晶脆性断口转变为韧性断口的主要原因, 使钢的
韧性和塑性改善, 但对钢的屈服强度 没有显著影 响。
参考文献:
[ 1] WAUDBY P E. Rare earth addit ions to st eel [ J ] . Inter. Met . Rev. , 1978, 23( 2) : 74- 98.
3
0. 69 0. 72 0. 44 0. 010 0. 0076 0. 03 -
-
4
0. 68 0. 69 0. 46 0. 008 0. 0076 0. 04 0. 072 -
5
0. 69 0. 74 0. 46 0. 007 0. 0060 0. 04 0. 190 -
6
0. 70 0. 72 0. 42 0. 008 0. 0061 0. 03 0. 400 -
[ 11] 邱巨峰. 稀土在晶界存在形式及对晶界状态的影响 [ J] . 稀 土, 1983, 32( 4) : 58- 68.
[12] 王福明, 黄正琨, 郭笑傲, 等. 铈对 重轨钢中珠 光体相变 及 组织的影响 [ J] . 中国稀土学报, 1994, 12( 3) : 239- 242.
Influences of Cerium and Its Carbide on Mechanical Properties of Steels
第 1JOURNAL OF THE CHINESE RARE EARTH SOCIETY
2000 年 9 月 Sep. 2000
铈及其碳化物对钢力学性能的影响
张金柱1, 李代钟2
( 1. 贵州工业大学冶金工程系, 贵州 贵阳 550003; 2. 中国科学院金属研究所, 辽宁 沈阳 110015)
收稿日期: 1999- 02- 13; 修订日期: 1999- 09- 22 基金项目: 贵州省自然科学基金 ( 19973087) 作者简介: 张金柱 ( 1956- ) , 男, 山西原平人, 硕士, 副教授
2 76
中国稀土学报
18 卷
表 2 钢中铈含量对奥氏体晶粒度级别的影响*
T/ K t/ h
各试样的化学成分列于表 1。
表 1 试样的化学成分( %, 质量分数)
试样 C Mn Si S
O
Al Ce P
1
1. 02 0. 79 0. 56 0. 005 0. 0080 0. 03 -
0. 018
2
0. 99 0. 76 0. 52 0. 007 0. 0080 0. 03 0. 24 0. 016
摘要: 通过金相、扫描电镜能谱分析和冲击、拉伸等实验方法, 研究了钢中铈及其碳化物对强度、塑 性、冲击韧度等 力学性能的影响。固溶于 钢 中的微量铈有抑制奥氏体晶粒粗化的作用, 至少可使奥氏体晶粒粗化温度提高 50 K 以上; 如果铈在晶界上过量富集, 可显著降低钢的冲击 韧 度。钢中的铈碳化物对钢的韧性和塑性都有改善作用, 对钢的屈服点没有发现显著的影响。 关键词: 稀土; 铈碳化物; 晶粒度; 力学性能 中图分类号: TG146 4; TG142 1 文献标识码: A 文章编号: 1000- 4343( 2000) 03- 0275- 03
铈含量不同的试样 3~ 6, 在室温的冲击吸收功 如图 1 所示。随钢中铈碳化物量的增加, 冲击吸收 功略有增加。经扫描电镜观察, 不含铈的试样 3 为 部分沿晶断口, 在试样中部出现沿晶裂纹; 有微量 稀土碳化物析出的试样 4 是沿晶、解理及部分韧窝 的混合断口( 见图 2( a) ) , 有大量稀土碳化物析出 的试样 5 和 6 均呈韧性断裂( 见图 2( b) ) , 韧窝内第
3期
张 金柱等 铈及其碳化物对钢力学性能的影响
277
图 4 试样 1( a) 和试样 2( b) 在 873 K 的拉伸断口扫描像
图 4( b) ) 。显然, 固溶的铈原子和析出的铈碳化物 是拉伸断口的脆性断面率降低的 主要原因, 也是 试样 2 的 断面收缩率提高, 即塑性改善 的主要原 因。 3结 论
2 结果与讨论 通过金相详细观察, 并结合电子探针定量分析
和X 射线衍射分析, 确认试样中的铈碳化物为 CeC2[ 8, 9] 。除试样 4 只有微量稀土碳化物生成外, 其
他加铈的试样中均有大量的稀土碳化物相分布于 基体中。CeC2 在铸态试样中沿着晶界分布, 经压力 加工后沿加工方向排列[ 9] ; 铈含量较低的试样 2 和 试样 5 与试样 6 相比, 铈碳化物 量也相应 有所降 低。
1实 验 试样用工业纯铁块、石墨电极块, 在氧化镁坩
埚内, 由中频感应炉熔炼。钢 样熔清后, 加入金属 锰和硅, 温度约 1800 K 时再加入金属铈, 约 5 min 后, 浇成 5 kg 锭, 切去头部后, 锻成 15 mm # 15 mm 和 15 mm 的线材。冲击试样按 GB/ T 229 标准加 工, 1083 K, 15 min, 水淬, 773 K 回火。分别在室温 ( 295 K) 和 243 K, 用能量为 49 J 的冲击试验机测定 冲击吸收功( A KV) 。低应变静拉伸试验按 GB228 和 GB6397 标准, 材料经 1073 K, 20 min 炉冷处理。常 温拉伸试样在 1078 K, 保温 40 min, 在氩气中淬火。
试样 3 试样 4 试样 5 试样 6
1323 2
6
6
6
6
1423 1
4
4
4
4
1473 1
2
4
4
4
1523 1
<1
4
4
4
* 试样中铈含量见表 1
图 1 钢中铈含量对室温冲击吸收功的影响
图 2 试样 4( a) 和试样 5( b) 在室温的 冲击断口扫描图像
二相经扫描电镜能谱定性分析, 主要为 金属铈, 结 合断面的金相观察, 可确定为 铈碳化物[ 9] 。显然, 随着钢中 CeC2 量的增加, 冲击断口由沿晶脆性断 口逐渐转变为韧性断口, 使冲击吸收 功有所提高。 在 243 K, 试样 3 到 试样 6 的冲 击吸 收功 依 次为 18 2, 16 0, 18 6, 18 1 J; 除试样 4 降低以外, 其他 试样的冲击吸收功与试样 3 在室温的冲击吸收功 基本一致。试样 4 的冲击吸收功降低, 可能与固溶 于钢中的微量铈在 晶界富集而弱 化晶界有关[ 11] 。 在 1173 K 保温 96 h, 炉冷到 1083 K 淬火, 试样 3 在 243 K 的冲击吸收功依然未变, 而其他加铈的试样 降低到了( 10 % 2) J。显然, 铈在晶界的过量富集使 钢材的冲击韧度显著降低。
[ 3] 余宗森, 褚幼义, 贺信莱, 等. 钢中稀土 [ M] . 北京: 冶金工 业出版社, 1982. 71.
[4] 李代 钟. 钢 中的 非金 属夹 杂 物 [M ] . 北京: 科 学出 版 社, 1983. 109- 154.
[5] 杨植玑, 刘沃垣. 混 合稀土在 钢铁中的 固溶量及 析出相 的 研究 [ J] . 钢铁, 1986, 21( 4) : 36- 41.
对上述冲击试样, 经奥氏体化处理, 在不同温 度下得到的奥氏体晶粒度级别 ( 按 GB6394 比较法
评定级别) 列于表 2。显然, 钢中含有铈, 至少可使 钢的奥氏体晶粒粗化温度提高 50 K; 而铈碳化物 的含量与奥氏体晶粒度级别无关。可以认为, 固溶 于钢中的铈有抑制奥氏体晶粒粗化的作用[ 12] 。
[ 2] WILSON W G, KAY A D R, VAHED A . The use of thermody namics and phase equilibria to predict the behavior of the rare eart h elements in steel [ J] . J. Metals, 1974, 26( 5) : 14- 23.
试样 1 和 2 的室 温低应变静拉伸性能基本接 近, 屈服点 s &700 MPa, 抗拉强度 b &1050 MPa, 断口伸长率 &14% ; 断面收缩率 !则因稀土的加 入而略有提高, 分别为 40% 和 44% 。扫描电镜观察 断口, 均为解理、准解理和韧性混 合断口。未经淬 火处理的拉伸试样, 在不同的温度范围内, 各性能 之间的差异如图 3 所示。在 673 K 以下的低温范围 内, 试样 2 的 s 值均大于试样 1; 温度进一步增高, 这种差异全部消失, s 值均随温度的升高而一致 降低。试样 1 和 2 的断口伸长率 值在整个试验温 度范围内都基本一致。含有铈碳化物的试样 2, 其 断面收缩率均不同程度地有 所提高。从断口形貌 来看, 试样 1 主要呈沿晶和部分韧窝的混合断口, 存在有连通的横向发纹, 脆性断面率较高 ( 见图 4 ( a) ) ; 而添加稀土的试样 2 则因微孔积聚而形成韧 窝, 韧性断面率显著提高, 主要呈韧窝断裂( 见
Shenyang 110015 , China)
Abstract: The inf luences of cerium and its carbide on least . If there was too much cerium segregated on the
铈碳化物的生成自由能较高, 稀土元素对碳的 作用有别于铬、锰、钨等元素而与硅的行为相似, 故 认为稀土元素在钢中是非碳化物形成元素[ 1~ 4] 。近
期的研究认为, U71Mn 等高碳钢中稀土元素的固溶 量高达 0 02% 时, 就会有稀土碳化物析出[ 5] ; 文献 [ 6, 7] 也有类似的报道; 25MnT iB 等钢中铈含量大 于氧、硫总量的 4 倍时, 就可生成碳化物[ 8] ; 当[ Ce] [ C] 2 !( 2210/ T + 1 43) exp( 5 591- 17095/ T ) 时, 可在 钢 液 中 生 成 铈 碳 化 物[ 9] ; 在 1015 K < T < 1523 K 温 度 范 围 内, 碳 活 度 0 126 ∀ ac ∀ exp( 6400/ T - 6 28) 时, 钢中的碳化物 CeC2 可转变 为 Fe4Ce4C7 相[ 10] 。本文是在钢中能够生成稀土碳 化物的基础上, 通过金相分析、扫描电镜能谱分析、 冲击、拉伸等实验手段, 探讨钢中的铈及其碳化物 对钢材力学性能的影响。
[ 6] 肖 强, 韩其勇, 张国柱, 等. 高碳钢中的稀土碳化 物 [ J ] . 中国稀土学报, 1994, 12( 4) : 373- 374.
[ 7] 林 勤, 付廷灵, 佘宗森, 等. 高碳钢中稀土 元素与碳相 互 作用的研究 [ J] . 中国稀土学报, 1994, 12( 2) : 145- 149.
[ 8] 李代钟, 高淑勤, 张烈夫. 钢 中的铈碳化物 [ J] . 中 国稀土 学报, 1988, 6( 1) : 53- 58.
[ 9] 张金柱, 李代钟, 高淑勤, 等. 钢中 CeC2 特性及生成规律研 究 [ J] . 贵州工学院学报, 1995, 24( 1) : 72- 77.
[ 10] ZHANG J ZH, LI D ZH. Thermodynamics of cerium carbide Fe4Ce4C7 in st eel [ J] . ACTA Metallurgica Sinica ( English letters ) , 1998, 11( 2) : 150- 156.
ZHANG Jin zhu1, LI Dai zhong2 ( 1 . Department of Metallurgical Engineering , Guizhou University of
T echnology , Guiyang 550003 , China; 2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences,
固溶于钢中的微量铈有 抑制奥氏体晶粒粗化 的作用, 至少可使奥氏体晶粒粗化温度提高 50 K 以上; 如果铈在晶界上过量富集, 可显著降低钢的 冲击韧度。钢中的铈碳化物是拉伸和冲 击断口由 沿晶脆性断口转变为韧性断口的主要原因, 使钢的
韧性和塑性改善, 但对钢的屈服强度 没有显著影 响。
参考文献:
[ 1] WAUDBY P E. Rare earth addit ions to st eel [ J ] . Inter. Met . Rev. , 1978, 23( 2) : 74- 98.
3
0. 69 0. 72 0. 44 0. 010 0. 0076 0. 03 -
-
4
0. 68 0. 69 0. 46 0. 008 0. 0076 0. 04 0. 072 -
5
0. 69 0. 74 0. 46 0. 007 0. 0060 0. 04 0. 190 -
6
0. 70 0. 72 0. 42 0. 008 0. 0061 0. 03 0. 400 -
[ 11] 邱巨峰. 稀土在晶界存在形式及对晶界状态的影响 [ J] . 稀 土, 1983, 32( 4) : 58- 68.
[12] 王福明, 黄正琨, 郭笑傲, 等. 铈对 重轨钢中珠 光体相变 及 组织的影响 [ J] . 中国稀土学报, 1994, 12( 3) : 239- 242.
Influences of Cerium and Its Carbide on Mechanical Properties of Steels
第 1JOURNAL OF THE CHINESE RARE EARTH SOCIETY
2000 年 9 月 Sep. 2000
铈及其碳化物对钢力学性能的影响
张金柱1, 李代钟2
( 1. 贵州工业大学冶金工程系, 贵州 贵阳 550003; 2. 中国科学院金属研究所, 辽宁 沈阳 110015)
收稿日期: 1999- 02- 13; 修订日期: 1999- 09- 22 基金项目: 贵州省自然科学基金 ( 19973087) 作者简介: 张金柱 ( 1956- ) , 男, 山西原平人, 硕士, 副教授
2 76
中国稀土学报
18 卷
表 2 钢中铈含量对奥氏体晶粒度级别的影响*
T/ K t/ h
各试样的化学成分列于表 1。
表 1 试样的化学成分( %, 质量分数)
试样 C Mn Si S
O
Al Ce P
1
1. 02 0. 79 0. 56 0. 005 0. 0080 0. 03 -
0. 018
2
0. 99 0. 76 0. 52 0. 007 0. 0080 0. 03 0. 24 0. 016
摘要: 通过金相、扫描电镜能谱分析和冲击、拉伸等实验方法, 研究了钢中铈及其碳化物对强度、塑 性、冲击韧度等 力学性能的影响。固溶于 钢 中的微量铈有抑制奥氏体晶粒粗化的作用, 至少可使奥氏体晶粒粗化温度提高 50 K 以上; 如果铈在晶界上过量富集, 可显著降低钢的冲击 韧 度。钢中的铈碳化物对钢的韧性和塑性都有改善作用, 对钢的屈服点没有发现显著的影响。 关键词: 稀土; 铈碳化物; 晶粒度; 力学性能 中图分类号: TG146 4; TG142 1 文献标识码: A 文章编号: 1000- 4343( 2000) 03- 0275- 03
铈含量不同的试样 3~ 6, 在室温的冲击吸收功 如图 1 所示。随钢中铈碳化物量的增加, 冲击吸收 功略有增加。经扫描电镜观察, 不含铈的试样 3 为 部分沿晶断口, 在试样中部出现沿晶裂纹; 有微量 稀土碳化物析出的试样 4 是沿晶、解理及部分韧窝 的混合断口( 见图 2( a) ) , 有大量稀土碳化物析出 的试样 5 和 6 均呈韧性断裂( 见图 2( b) ) , 韧窝内第