第二相控制

钢铁材料显微组织控制的发展方向： 第二相的控制
第二相（包括传统意义的夹杂物） 的微细化及其形状和分布状态的有 效控制是未来钢铁材料科学与技术 的最重要发展方向
第二相控制的意义
控制和消除钢中大颗粒的第二相和夹杂物 从而控制或减小钢中可能产生的最大尺寸 的微裂纹源对提高钢的使用强度具有非常 重要的作用 均匀细小的第二相颗粒提高屈服强度与提 高抗拉强度的作用效果大致相当，由此， 均匀细小的第二相颗粒在产生强化作用的 同时并不损害钢材的均匀塑性 合理控制条件下的第二相强化是相当有效 的强化方式
钢中微米尺寸的渗碳体阻止晶粒 长大
第二相的作用2：阻止晶粒长大的 合金系选择
固溶度积小，高温保持一定体积分数未溶或能 够沉淀析出；固溶量小，粗化速率小，可保持 细小尺寸。 低碳钢中TiN具有独特的优势， 1250 ℃ 以上 加热必须采用（轧制前均热），NbN 次之， 1000-1200 ℃有较好效果（焊接热影响区、高 温轧制阶段）， TiC、NbC 、VN有一定用处， 850-950 ℃（低温轧制阶段） ， VC基本无用。 含钛钢中TiN液析的限制，故仅能采用微钛 工具钢中采用各种合金碳化物在热处理加热时 阻止基体晶粒长大，VC具有重要作用
Size of Secondary Phases d，nm
第二相的作用2： 阻止基体晶粒长大
d DC A f DC为临界晶粒尺寸，A为比例系数。Hillert 缺陷理论指出，晶界的钉扎（pinning）和 解钉（unpinning）将在两个水平上发生， 相应的比例系数分别为2/3和4/9。
800
Strength Increment YSP，MPa
600 f=16% 400
Microalloy Carbonitrudes
f=0.25%
f=9% f=4%
200
f=0.16% f=0.09% f=0.04% f=0.01% 2
f=1%
Cementite
0
10
100
Inclusions 1000
第二相的作用4： 对形变基体相变行为的影响 形变诱导铁素体相变DIFT
形变诱导铁素体相变（Deformation Induced Ferrite Transformation, DIFT）是指在钢的Ae3温 度附近施加变形，变形中奥氏体能量升高，稳定 性降低，从而导致相变。由于相变是在变形 过程中，而不是在变形之后的冷却过程中发生的， 因而又被称为动态相变（Dynamic Transformation） 目前可获得的铁素体晶粒尺寸为1m
第二相的作用3：对奥氏体再结晶行为
的调节
驱动力 F=Gb² /2 （ 为再结晶前后基 体中的位错密度差） 计算结果约为20MN/m² ，比晶粒粗化的驱 动力大100-200倍 钉扎力 FP=6f I/(d ² )（ 为奥氏体晶界能， f 、d分别为第二相体积分数和直径， I为亚 晶尺寸）
第二相的作用4： 对形变基体相变行为的影响
形变储能加速相变，提高相变温度， 抑制奥氏体再结晶作用的延伸 在原奥氏体晶界或形变带形核，较高的形 核率保证初始晶粒尺寸细小且不能横向长 大
第二相的作用4： 对形变基体相变行为的影响
微合金碳氮化物在相界靠侧沉淀析出（在 中的固溶度积较在中小因而沉淀析出相变自 由能较大）阻止晶粒的径向长大 新的相界一旦稳定后将成为相另一轮形核地 点，未释放的及新的形变产生的形变储能促 进相变 相变的推进式 形变储能稍小时原奥氏体晶粒中心的等轴粗 大晶粒
第二相的作用1：沉淀强化 第二相强化的经济有效性
6Gb f 1.2d P ln( ) 3/ 2 1.18 K d 2b
1/ 2
P 8.9952 10
3
f
1/ 2
d
ln(2.4170d )
第二相的作用1：微合金碳氮化物析 出强化作用
第二相的作用1：沉淀强化强度增量 与第二相体积分数和尺寸的关系
钢铁材料显微组织控制的发展方向
细化晶粒是钢铁材料发展的重要方向，因 为细晶强化的脆化矢量为负值，即在强化 的同时还可使钢铁材料的韧性提高 。 间隙固溶强化是最为经济有效的强化方式， 但对材料韧性和塑性、焊接性损害较大。 而置换固溶强化的经济有效性较差 位错强化是相当经济有效的强化方式，但 不可动位错密度的升高是以占用均匀塑性 为代价的
第二相的作用10： 特殊作用
石墨具有很大的比容，可有效减轻分散缩 孔 石墨的减震吸能作用 含铜析出相的抗菌作用 稀土金属间化合物对耐候性的作用：容易 分解进入表面腐蚀介质中产生明显缓蚀作 用 BH钢中第二相固定的间隙固溶原子的回溶 释放ppm级的C原子导致烘烤硬化
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第二相的不利作用： 第二相引发钢中微裂纹
第二相的作用7： 提高耐磨性
钢铁材料中特别是工具钢中通常采用合金 碳化物、合金渗碳体、氮化物等硬质第二 相作为耐磨第二相 具有减摩润滑的第二相对提高材料的耐磨 性也是非常重要的，如石墨、单质硫及大 多数硫化物均具有良好的减摩润滑作用， 故合金钢工模具加工制造过程最后进行渗 硫处理在工模具表面形成硫化层可明显提 高耐磨性
第二相的作用2：反常晶粒长大
钉扎系数从0.17变化到0.67，晶粒至 少长大到4倍才会重新被钉扎。 没有钉扎就没有解钉：筑坝与溃坝 电工钢中晶粒抑制剂的作用：初始 钉扎晶粒，退火时发生二次再结晶 即反常晶粒长大从而得到适当粗大 的晶粒
第二相的作用3： 对奥氏体再结晶行为的调节
形变奥氏体再结晶行为的不同导致了 不同的控制轧制工艺思路 CCR与RCR的不同控制要求
第二相的作用2： 阻止基体晶粒长大
Gladman得到晶界解钉的判据为：
πd 3 2 DC ( ) 6f 2 Z
晶粒尺寸不均匀性因子Z值约为1.7，可得A约 为0.17。Z值为3或9时，A约为4/9和2/3，对应 于Hillert缺陷理论的两个水平。 第二相控制晶粒尺寸具有“方向性”，即晶 粒在一开始是否被钉扎将决定所选取的钉扎 水平系数A的差异。
第二相的作用5： 促进晶内铁素体形成
晶内铁素体的形成可在一定程度上增加铁素体的 形核率从而细化铁素体晶粒并使铁素体晶粒的形 状和分布有利 晶内铁素体的最大好处在于：晶内铁素体是在较 高温度下形成的，碳含量及合金元素含量很少， 因而具有非常高的韧塑性；晶内铁素体分割了原 奥氏体晶粒，晶内铁素体的位向与晶界形核连续 推进的铁素体晶粒的位向完全不一样，由此可明 显抑制了非等轴铁素体晶粒的形成及定向长大； 韧性较高的晶内铁素体完全包围了第二相颗粒从 而使其对钢材韧塑性和疲劳性能的损害显著降低 甚至消除
钢中第二相及夹杂物的 作用与控制技术
2013年 5月
钢铁材料性能的发展方向
以超级钢为代表的研究工作使钢铁材料屈 服强度普遍成倍提高，各种强化方式提高 钢铁材料的屈服强度已研究得十分充分。 进一步工作的重点应考虑抗拉强度的提高 和屈服比的降低 材料的位错理论在过去半个世纪内对结构 材料的屈服强度的发展起到了革命性的推 动作用，而材料的第二相理论将很可能在 今后成为推动结构材料抗拉强度发展的重 要理论基础。
0.1
VC
0.01
AlN
1E-3
[M][X]
TiC
1E-4
VN
NbC MnS
1E-5
NbN
1E-6 1000 1100 1200 1300 1400
TiN
1500 1600 1700 1800
Temperatue/K
常见微合金碳氮化物的固溶度积公式 的比较
TiN固溶度积最小，约小3个数量级 AlN 、 NbN 、VN 、NbC 、TiC 相差不大 VC固溶度积最大，约大2个数量级 间隙原子缺位使固溶度积一定程度地增大 （如NbC0.87 、VC0.8） 其他溶质元素对固溶度积有影响，如Mn、 Mo使固溶度积一定程度地增大
第二相的不利作用： 第二相引发钢中微裂纹
第二相引发钢中微裂纹的尺寸、分布均取决于第 二相的尺寸与分布 控制大颗粒尺寸的第二相具有关键性作用 控制大颗粒第二相的分布对微裂纹的形成与扩展 具有重要的作用 大颗粒第二相的形状对微裂纹的产生具有非常重 要的影响。具有尖锐棱角的脆性第二相在尖锐棱 角处将发生显著的应力集中故很容易引发微裂纹； 显著拉长的膜状、薄片状、线状第二相颗粒非常 容易发生折断而引发微裂纹
第二相对塑性的影响
大颗粒第二相导致塑性明显降低 均匀分布的微细第二相不会降低均匀延伸 率（相同强度条件下甚至略有提高），但 降低非均匀延伸率并显著降低断面收缩率
第二相控制的内容
体积分数 最大尺寸与平均尺寸 形状 分布
第二相体积分数的控制：固溶度或固 溶度积公式
固溶度或固溶度积大，处于固溶态的量较 大，而形成第二相的量较小。固溶温度下 需要固溶度或固溶度积大，潜在的可沉淀 析出的第二相的量就较大。但必须相应元 素在钢中的含量也足够大 固溶度或固溶度积小，处于固溶态的量较 小，而形成第二相的量较大。沉淀析出温 度下希望固溶度或固溶度积小，此时已沉 淀析出或可沉淀析出的第二相的量就较大
常见微合金碳氮化物的固溶度积公式 的比较
log{[Ti] · [N]}=0.32-8000/T log{[Nb] · [N]}=2.80-7500/T log{[V] · [N]}=3.46-8330/T log{[Ti] · [C]}=2.75-7000/T log{[Nb] · [C]}=2.96-7510/T log{[V] · [C]}=6.72-9500/T log{[Al] · [N]}=1.79-7184/T
第二相的作用3： 对奥氏体再结晶行为的调节
DIFT
第二相的作用3： 对奥氏体再结晶行为的调节
第二相的作用3：对奥氏体再结晶行为的 调节
形变诱导析出的微合金碳氮化物钉扎形变 奥氏体晶界， 850-1000 ℃ Nb(CN)容易形 变诱导析出，因而能有效阻止或推迟再结 晶。 固溶的Nb、B、Mo等的溶质拖曳作用钉扎 形变奥氏体晶界， 要求相应元素与铁元素 的尺寸或化学性质相差较大（但又必须有 足够的固溶量）。
钢铁材料显微组织控制的发展方向： 晶粒细化强化的局限
晶粒细化强化是唯一的在提高屈服强度同时提高 韧性的强化方式，因而是钢中最重要的强化方式 晶粒细化至3-5m 之后,进一步细化从生产成本 方面考虑是不合适的,而其明显提高钢材屈服比的 作用更是严重的限制 晶粒细化到1 m 之后，由于屈服强度的提高明 显大于抗拉强度的提高，屈服比将迅速增大到0.9 以上，对安全性和冷加工性能明显不利
第二相的作用8： 降低钢的淬透性
第二相形成元素处于固溶状态时将提高钢 的淬透性 第二相形成元素沉淀析出为第二相时，一 般均将降低钢的淬透性 低淬透性钢：第二相促进铁素体、珠光体 形核
第二相的作用9：预沉淀时在一定程 度固定非金属元素
强碳化物形成元素对C、N具有较强的化学 亲和力，在尚未发生明显沉淀时就可能产 生适当拖曳作用，减轻脱碳倾向
第二相的作用6： 固定非金属元素
IF钢中通常超理想化学配比加入适量钛或复合加 入钛和铌，使之与碳、氮形成稳定的碳氮化物， 这就可以适当放宽碳含量的控制范围，明显节约 生产成本 不锈钢中加入适量的钛或复合加入钛和铌，使之 优先于铬与晶界偏聚的碳形成稳定的碳化物，可 以有效防止晶界周围贫铬导致的晶间腐蚀，被称 为稳定化不锈钢 中碳钢中适当加入钛、铌等元素，可形成所谓的 “氢陷阱”，有效抑制各种氢致缺陷，明显提高 钢的疲劳性能特别是抗延迟断裂性能
根据钢中第二相发生断裂时的特征，一般可将第 二相分为解聚型和断裂型 解聚型第二相与基体的结合力较弱，为非共格结 合，形状多为近球形，受到外力时容易沿相界面 与基体脱离（解聚），从而产生尺寸略大于第二 相颗粒尺寸的微裂纹 断裂型第二相一般与基体有较强的结合力，故多 为半共格结合，由于错配度的各向异性，其形状 多为片状或棒状；也有与基体非共格结合的但塑 性很高的第二相，在高温塑性变形加工过程中被 拉长而成为片状或棒状；它们受到外力时容易沿 尺寸较小的方向发生断裂，形成尺寸略大于第二 相颗粒短向尺寸的微裂纹