超细第二相粒子强化钢铁材料的研究进展

第19卷第6期

2007年6月

钢铁研究学报 Journal of Iron and Steel Research

Vol.19,No.6

　J une 2007

作者简介:王国承(19772),男,博士生; E 2m ail :Wang_guocheng @ ; 修订日期:2006201212

超细第二相粒子强化钢铁材料的研究进展

王国承1,　王铁明2,　尚德礼3,　方克明1

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;　2.承德钢铁公司技术中心,河北承德067002;3.鞍山钢铁集团公司技术中心,辽宁鞍山114001)

摘　要:综述了钢中有关第二相粒子的研究进展情况,分析了第二相粒子对钢强韧性能的影响及第二相粒子细化钢晶粒的基本理论,概括了获得超细第二相粒子的基本方法,指出了存在的问题并提出了获得超细第二相粒子的新思路。

关键词:钢;第二相粒子;强韧化

中图分类号:T G 11311 文献标识码:A 文章编号:100120963(2007)0620005204

Progress of Strengthened Steel With Superf ine Second Phase Particle

WAN G Guo 2cheng 1,　WAN G Tie 2ming 2,　SHAN G De 2li 3,　FAN G Ke 2ming 1

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China ;2.Technical Center ,Chengde Iron and Steel Company ,Chengde 067002,Hebei ,China ;3.Technical Center ,Anshan Iron and Steel Group Company ,Anshan 114001,Liaoning ,China )

Abstract :Research progress of second phase particle in steel was summarized.The effect of second phase particle on strength and toughness of steel was discussed ,the grain refining of steel caused by second phase particle was analyzed ,and the way of forming superfine particle was generalized.The problems of forming superfine particle were given and a new idea of obtaining superfine second phase particle was suggested.K ey w ords :steel ;second phase particle ;strengthening and toughening

超细晶、高洁净以及均匀性是新一代钢铁材料

的基本特征,从而达到强度及寿命翻番的目标。实践证明,在诸多强化方法中,细晶强化是既可提高材料强度,又能提高其韧性的唯一方法。根据Hall 2

Petch 公式:R e =σ0+K d

-1/2

和T C =a -cd -1/2(式中,R e 为晶粒细化后钢的屈服强度;σ0为铁素体晶格摩擦力;K 为系数;d 为晶粒尺寸;T C 为韧脆转变温度;a 、c 为常数),当材料的原始晶粒尺寸较小时,其晶粒细化1倍,材料的强度将翻番,韧脆转变温度将显著下降。 钢中的第二相粒子(主要是夹杂物和强化相)对钢的性能影响很大,只有当非金属夹杂物尺寸小于1μm ,且数量少到夹杂物彼此之间的距离超过10μm 时,非金属夹杂物才不会对材料的宏观性能造成影响[1]。同时,当第二相粒子很细小时,还能在凝固结晶及热加工过程中对钢的组织起到一定的

细化作用,从而提高钢的综合力学性能。1949年,C.Zener [2]最早提出了用第二相粒子细化金属晶粒的理论。1978年,MASA YOSHI HASEGAWA 等[3]在浇注时向钢液中喷射氧化物细粉,开始了增强钢材强韧性的研究。赵沛等[4]根据这一理论,对钢中形成SiO 2粒子细化HSL A 钢晶粒的可行性进行了研究。多年来,人们对如何利用钢中的第二相粒子来提高钢的性能进行了大量研究:20世纪70年代,提出了钢的微合金化技术[5];90年代,提出了氧化物冶金技术[6]。这些技术均与控制钢中第二相粒子密切相关。在此,笔者对钢中有关第二相粒子的研究进行了较为系统的总结和分析。

1　第二相粒子对钢强韧性的影响

金属中存在大量的第二相粒子,由于其种类、大小、形状、分布以及体积分数各异,对金属力学性能

造成复杂的影响。第二相粒子对钢力学性能的破坏

作用主要是作为裂纹形核源而导致裂纹形成和传播。粒子对钢的强化作用机制主要有沉淀强化和细晶强化,其中,细化晶粒包括凝固结晶时的形核细化和后期加工过程中的再结晶细化。在诸多影响因素中,第二相粒子的大小是决定其是否有利的重要因素。但是,无论从那一方面来看,都要求粒子细小化。111　沉淀强化

沉淀强化是通过钢中细小的、弥散的沉淀相与位错发生交互作用,造成对位错运动的障碍,使钢的强度得以提高的一种强化机制。具有强化效果的粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成的。当运动的位错前方遇到沉淀相阻碍时,表现出2种不同类型的交互作用[7],即:位错绕过沉淀相留下位错环,称为Orowan 机制;位错切过第二相粒子,称为切过机制。位错与第二相粒子产生交互作用时,以哪一种机制起作用与粒子和钢的弹性模量、粒子尺寸等很多因素有关。一般认为,当沉淀相粒子的弹性模量大于或等于基体弹性模量时,Orowan 机制起作用,反之则是切过机制起作用。在粒子较小时,切过机制起作用,强化效应随质点尺寸的增大而增强,粒子较大时,Orowan 机制起作用,强化效应随粒子尺寸减小而增强。两者之间存在一个临界尺寸,此时发生强化机制的转换。

沉淀强化的前提是钢中能够产生大量析出粒子。所以,对于未采用微合金化的钢一般不存在沉淀强化问题。沉淀强化是微合金钢的重要强化手段,如近年来开发的微合金化非调质钢以及CSP (薄板坯连铸连轧)工艺生产的低碳钢。根据Gladman 等的理论,采用Ashby 2Orowan 修正模型,对沉淀强化有

[8]

:

R P =10μb 5172

π3/2r φ1/2

ln r b (1)

式中,R P 为沉淀强化产生的屈服强度;μ为剪切系数(对于铁素体,μ=80126×103M Pa );b 为柏氏矢量;

r 为粒子半径;φ为沉淀粒子的体积分数。

从式(1)可见,第二相粒子越细小、越弥散、间距越小,则沉淀强化效果越好。研究得出[9],在CSP 工艺生产的低碳钢(w C =0105%)中,直径小于36nm 的沉淀粒子的体积分数为01096%,其对该钢强度的贡献为80M Pa 。当然,沉淀析出强化可能导致钢的韧性下降,不过这可由粒子的细晶强韧化得到弥

补。112　细晶强化

当分布在晶界处的第二相粒子足够细小时,在加工变形时能够起到阻止金属粒子长大、细化晶粒的作用。第二相粒子能否在晶界处稳定存在,取决于它的溶解度。粒子对晶粒长大的阻碍作用取决于其对晶界的钉扎能力,即降低晶界能量的程度,这可用钉扎力概念来描述。第二相粒子细化金属晶粒的理论主要解决了粒子对晶界的钉扎力、粒子起钉扎作用的临界半径以及粒子粗化失效条件等问题。 单个球状第二相粒子对晶粒边界的最大钉扎力为[2]:

B =πr b γ

(2)

式中,B 为最大钉扎力;r b 为球状第二相粒子的半径;γ为晶界的比表面能。

通常认为,晶粒长大前,中心在距离晶粒边界±

r b 范围内的粒子才能对晶粒边界起钉扎作用。单位

晶粒边界面积受所有粒子的总的最大钉扎力为:

ΣB i =Σn i πr b ,i γ=Σ

3φb ,i γ2r b ,i (3)式中,i 为不同类型的第二相粒子;n i 为单位晶界面积上i 类型粒子的数目;φb ,i 为单位体积晶粒中i 类型球状第二相粒子的体积分数;r b ,i 为i 类型球状粒子的半径。

可见,单位晶粒边界面积受到的总钉扎力主要取决于所有类型粒子的体积分数和它们的尺寸。加大粒子的体积分数或减小粒子尺寸均可增大总钉扎力。

能够起钉扎作用的球形第二相粒子的临界半径

r c ,b 为

[10]

:

r c ,b =

6R 0φb

(3/2-2/Z )π

(4)

式中,R 0为原始晶粒的尺寸;φb 为球形粒子的体积分数;Z 为晶粒的不均匀程度,Z =R/R 0;R 为晶粒长大后的尺寸。

当粒子半径小于其临界半径r c ,b 时,晶粒长大将导致能量升高,因此晶粒不易长大,即粒子能够有效钉扎晶粒边界;反之,则晶粒长大,能量降低,粒子对晶界的钉扎失效。

粒子的临界半径取决于其体积分数。对于钢中析出的第二相粒子,其体积分数与粒子在钢中的溶解度相关。粒子的溶解度越大,则体积分数越小,即其能够起到钉扎作用的临界半径越小。

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