氮在Fe_Cr_Mn合金体系中的溶解度计算模型

[ w ( M o) ] 2 - 0 048w ( Cr) + 3 5 10- 4
[ w ( Cr) ] 2 + PNlg
pN 2
p
( 1)
当p N2 ! 1 0, p
pN=
0;
p 当
N2
>
p
1
0,
pN= 0 06
2 氮在 , 相中的溶解度模型
考虑到固态与液态钢液的不同, 一般在固态
百度文库
F e Cr Mn N 合金系中, x N , x i 摩尔分数可以转化 为位置分数y N , y i [ 8] :
Thermodynamic Model to Calculate Nitrogen Solubility in Fe Cr Mn Alloys
L I H ua bing , JIA N G Zhou hua, ZH A NG Zu r ui , X U Bao yu
( School of M aterials & M etallurgy, Nor theastern University, Sheny ang 110004, China. Correspondent: LI Hua bing, E mail: huabing- li @ 163. com)
第29 卷第4期 2008 年 4 月
东北大学学报( 自然科学版) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)
Vol 29, No. 4 Apr. 2 0 0 8
氮在 Fe Cr Mn 合金体系中 的溶解度计算模型
李花兵, 姜周华, 张祖瑞, 许宝玉
2y
N
y
2 Mn
L
M n,
Fe: N,
Va
( 4)
对于 Fe Cr M n N 四元合金, 其过剩 吉布斯
自由能可表示为
G!
E N
=
G! EN( Cr) +
G!
E N
(
M n)
+
G!
E N
(
C
r
,
M
n
)
,
式中,
G!
E N
(
C
r
,
M
n
)
=
y Cr y Mn(
L Cr, Mn -
( 5) L Cr, Fe -
L Mn, F e - ( 1 - 2y N ) L Cr, Fe: N, Va) +
y Fe y Cry M n
L Fe, Cr, Mn
( 6)
在面心奥氏体中, 气相氮和氮在奥氏体中的 溶解平衡可以用式( 7) 表示:
1 2
(
G
N2
+
R
T
ln
p
N
)
2
=
G
H N
+
RT
ln
y 1-
N
y
N
+
G! EN,
国内学者李光强等人[ 12] 对氮在固相合金体
系中的溶解度进行了实验研究, 直接用高纯氮气 在 1 473 K, 0. 1 M Pa 氮气压的高温电阻炉内进行 渗氮实验, 炉管的两端封闭 实验研究的钢种成分 和固相渗氮后的氮质量分数如表 1 所示 利用上
第4期
李花兵等: 氮在 F e Cr M n 合金体系中的溶解度计算模型
高氮钢是近年来随着冶金科技的进步而出现 的一种新型工程材料 对 于一般的 Fe Cr Mn 系 高氮钢, 其凝固过程一般要经历液相 L 到 铁素 体相到 奥氏体相, 氮在 铁素体相的溶解度远 远低于在液相中的溶解度, 氮很容易在 铁素体 相析出, 滞留在钢中成为气孔 钢中氮的析出会增 加钢的变形阻力, 降低钢的塑性和韧性, 同时还会 增加钢的时效倾向[ 1] 因此对于氮在高氮不锈钢
合金体系液相 L, 铁素体相和 奥氏体相中的溶 解度计算显得至关重要
氮的溶 解 度计 算 已经 进 行过 大 量 的研 究[ 2- 4] , 其中 F risk[ 4] 通过 Calphad 方法对氮的溶 解度进行了计算[ 5] 但其模型的计算结果存在一 定的偏差, 尤 其是氮在液相中 的溶解度[ 6] 本文 在前人研究的基础上建立了氮在 F e Cr M n 合金 体系各相中的溶解度计算模型
3 氮溶解度模型的验证及讨论
3. 1 模型的验证 根据 钢 液液 相 线 温度[ 10] 和 奥氏 体 线性 方
程[ 11] 可以确定两个转折点处的温度 并根据氮在 液相不锈钢体系中氮溶解度计算模型, 可以得出 氮在 Fe Cr M n 合金体系凝固过程中氮的溶解度 计算模型
依据 上 述 模 型, 针 对 17. 26Cr 6. 42Mn 和 20 53Cr 11. 63Mn 两个钢种, 分别计算了在氮分 压为 0. 04, 0. 09 MP a 的氮在 液相 L , , 相中的 溶解度曲线, 并与 K unze[ 9] 的实验数据进行比较, 结果如图 1 所示 从图 1 可以看出, Kunze 的实验 点大部分较好地落在计算曲线上
yN =
c
(
1
x -
N
x
N)
,
( 2)
yi =
xi (1- xN)
式中, c 为位置比, 对面心立方, c= 1, 对于体心立
方, c= 3; i 为晶格位置原子, 这里表示 Cr, Mn, Fe
依据 H iller 规则溶体模型, 对于面心立方晶
体, 间隙溶体的过剩自由能在 Fe Cr N 合金系中 可表示为[ 9]
度, 但氮在 铁素体相中, 铁的晶格中每添入间 隙位置的氮原子会阻碍该间隙位置的最邻近的 3 个间隙位置被其他氮原子占据 所以其方程变为
1 2
(
G N2
+
RT lnp
N
)
2
=
G
H N
+
3 RT
ln
yN 1- yN
+
G! EN
( 8) 代入相关的热力学参数[ 8- 9] , 即可计算氮在体心 立方 铁素体相中的溶解度
2y
N
y
2 Cr
L
Cr, Fe:
N,
Va,
( 3)
式中, L 为相互作用系数, 如 L Cr, Fe: N, Va表示 Cr, F e 晶格与 N 和间隙位置的作用系数; L 为相互
作用系数之差, 如 L Cr, Fe = L Cr, Fe: N - L Cr, Fe: Va
同理, 对于 F e M n N 合金系,
G!
E N
=
y Mn[
G Mn +
L Mn, Fe +
L
( M n) N, V a
+
L Mn, Fe: N, Va] -
y
2 Mn
[
L M n, Fe +
L M n, Fe: N, V a] - 2y N L Fe, N, Va -
2y N y Mn[
L
(Mn) N: Va
+
L Mn, Fe: N, Va ] +
Abstract: A t hermodynamic model to calculat e nit rog en solubilit y in diff erent phases of Fe Cr Mn alloy system w as developed on t he basis of earlier w orks and reg ular melt model. T he calculat ion results of 18Cr 18Mn alloy show ed t hat t he nitrogen solubilit y in different phases increases w ith increasing nit rogen part ial pressure, and t he f errite zone becomes smaller even disappears. So increasing nitrogen part ial pressure can prevent t he porosity f orm ing during solidif icat ion. Increasing properly the cont ents of component elements of austenit e in t he melt s, t he ferrite zone where t he nit rogen solubilit y is low becomes smaller even disappears during the solidif icat ion of t he melt , thus decreasing t he pot ent ial nit rog en precipitates during solidif icat ion. T he calculation results are in g ood ag reement w ith w hat w ere done in earlier w orks. Key words: nit rogen solubilit y; F e Cr Mn; high nit rog en st ainless steel; t hermodynamic calculation model
( 东北大学 材料与冶金学院, 辽宁 沈阳 110004)
摘
要: 基于前期的研究成果和规则熔体模型, 建立了氮 在 Fe Cr M n 合金体系 各相中氮溶 解度计算 模
型 对 18Cr 18M n 合金体系的计算结果表明, 随着氮分压的 增加, 氮在 各相中的 溶解度增加, 而且 铁素 体相
区逐 渐减小甚至消失, 因此提高氮分压可避免合金体系在 凝固过程 中形成气孔 适 当提高合金 体系中奥 氏体
nitrogen partial pressure
( a) ∀ 17. 26Cr 6. 42M n, 0. 04 M Pa; ( b) ∀ 17. 26Cr 6. 42M n, 0. 09 M Pa; ( c) ∀ 20. 53Cr 11. 63M n, 0. 09 M Pa
G!
E N
=
y Cr [
GCr +
L Cr, Fe +
L
( Cr) N, Va
+
L Cr, Fe: N, Va] -
y2Cr[ L Cr, Fe + L Cr, Fe: N, Va] - 2y N L Fe, N, Va -
2y N y Cr[
L
( Cr ) N, Va
+
L Cr, Fe: N, Va ] +
5 50
东北大学学报( 自然科学版)
第 29 卷
压和合金成 分的热力学计算 模型[ 7] , 见式 ( 1) 在该模型中引入了氮分压对氮活度系数的作用系 数 该模型的计算结果与前人的计算结果吻合得 较好, 该模型的建立为高氮不锈钢的制备提供了 一定的理论基础
lg[ w ( N ) ] =
1 2
lg
5 51
述氮 溶 解 度 模 型 进 行 计 算, 其 w 计算值 ( N ) 与 w 测量值 ( N ) 比较如图 2 所示 从图 2 中可以看出
模型计算值与测量值吻合得很好
图 1 17. 26Cr 6. 42Mn 和 20. 53Cr 11. 63Mn 合金体系在不同氮分压下的溶解度 Fig. 1 Solubili ties of 20. 53Cr 11. 63Mn and 17. 26Cr 6. 42Mn alloys under di fferent
pN 2
p
-
1 88 T
-
1
17 -
3
280 T
-
0. 75
0 13w ( N) + 0 118w ( C) +
0 043w ( Si) - 0 011w ( N i) + 3 5 10- 5
[ w ( N i) ] 2 - 0 024 w ( Mn) + 3 2 10- 5
[ w ( M n) ] 2 - 0 01 w ( Mo) + 7 9 10- 5
形成元素的含量, 在合金体系凝固过程中氮溶解 度较小的 相区减小甚 至消失, 因此可减 小氮在其 凝固过 程
中的析出趋势 该模型的计算结果与前人的研究 结果吻合得较好
关 键 词: 氮溶解度; Fe Cr M n; 高氮不锈钢; 热力学计算模型
中图分类号: T F 02
文献标识码: A
文章编号: 1005 3026( 2008) 04 0549 04
1 氮在液相合金体系中溶解度模型
基于前人和笔者前期的研究成果, 建立了一 个新的不锈钢熔体中氮溶解度与体系温度、氮分
收稿日期: 2007 05 10 基金项目: 国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助重点项目( 50534010) 作者简介: 李花兵( 1978- ) , 男, 山西壶关人, 东北大学讲师, 博士; 姜周华( 1963- ) , 男, 浙江萧山人, 东北大学教授, 博士生导师
( 7)
式中,
GN =
G HN -
1 2
GN
2=
-
44 567+
27 0
72 T
- 25 001T lnT , 将 相关 的热力 学数 据[ 7- 8] 代入
式( 6) , 式( 7) 中, 并将温度和氮分压代入式( 7) 中,
即可求得氮在面心立方 奥氏体相中的溶解度
同理也可计算氮在体心立方铁素体中的溶解