铌在中高碳钢中的物理冶金学原理研究

论文摘要

中高碳钢在制造业中用途广泛,机械、汽车、铁路、船舶、航空航天、化工、电子等行业大量使用的齿轮、弹簧、轴承、轴类、工具等均主要采用中高碳钢制作,随着我国国民经济发展从基础设施建设向装备制造业特别是高端制造业的转变,中高碳钢的需求量和质量性能要求将显著提高,钢铁工业发展的重点将由工程结构用钢逐渐转移到机械制造用钢,铌在中高碳钢中的作用机理乃至铌在中高碳钢中的应用技术急待进行深入研究。当碳含量增大后由于体系中溶质元素间相互作用增大,使得固溶的溶质元素的活度发生了变化,本文考虑了溶质元素间的Wagner相互作用后采用热力学计算研究了高碳钢中NbC在奥氏体中的固溶度积,并给出了有C含量影响相的固溶度积公式,发现随C含量的增大,NbC在奥氏体中的固溶度积增大。同时也用物理化学相分析法给出了0.75%C含铌钢中NbC在奥氏体中的固溶度积公式,对比发现同样的C含量下,计算值和实验值吻合较好。微量铌的加入使得共析钢中的先共析铁素体量明显增加,这很可能是Nb使共析碳含量明显升高的结果,同时用EBSD技术表征退火态钢发现加0.04%Nb后15度以上的大角度铁素体界面增加,而未加Nb的钢中5-15度的小角度铁素体界面所占比例较大。而且固溶Nb使珠光体微观组织形态发生离异,渗碳体的展弦比显著减小且出现大量颗粒状的渗碳体。相变动力学研究表明,0.04%Nb的加入可使珠光体相变的鼻子点温度升高约50℃,且最快开始相变时间比不含铌钢推迟一个数量级以上,即Nb的加入推迟了鼻子点和较低温度下的珠光体相变,提高了钢的淬透性。通过热模拟低温轧制,分别通过在A1点附近的形变工艺,确定了含铌高碳钢现线球化的的最佳温度,制定在线连续球化工艺,从而相当于直接得到球化退火组织,进而获得渗碳体展弦比较低或球状珠光体组织,这对于调质钢,相当于直接得到淬火后的回火索氏体组织,实现真正意义的非调质。根据考虑C含量影响后的NbC在奥氏体中的固溶度积公式,在均匀形核、晶界形核、位错形核三种不同的形核机制下,对不同碳含量的含铌钢中NbC的沉淀析出动力学进行了相关的理论计算。分析比较了C含量对NbC析出的临界形核功、临界形核尺寸、形核率及PTT鼻子点温度的影响,此外还考虑了加形变时形变储能对PTT鼻子点温度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 铌在低碳钢中的作用及应用
• 1.2.1 铌微合金化的发展
• 1.2.2 铌在钢中的存在形式
• 1.2.3 铌在低碳钢中的作用
• 1.2.4 微合金化在中高碳钢中的应用
• 1.3 合金元素对珠光体相变的作用
• 1.4 珠光体中渗碳体球化的机理及方法
• 1.5 本课题研究内容和技术路线
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 第二章 试验材料与研究方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 试验方法及工艺
• 2.2.1 试样加工与预处理
• 2.2.2 物理化学相分析及XRD实验
• 2.2.3 金相、扫描和透射电镜观察显微组织实验
• 2.2.4 维氏硬度显微硬度的测定
• 2.2.5 热模拟试验
• 2.2.6 相变临界点和热膨胀试验
• 2.2.7 背散射电子衍射观察
• 2.2.8 力学性能测试
• 第三章 碳对NbC固溶度及公式的影响
• 3.1 实验测定NbC在奥氏体中的固溶度积
• 3.2 热力学计算高碳钢中NbC在奥氏体中的固溶度积
• 3.2.1 Wagner相互作用参数及C含量对固溶度积的影响
• 3.2.2 Thermo-calc热力学软件计算固溶度积
• 3.2.3 溶质元素含量很低时NbC在奥氏体中的固溶度积
• 3.3 热力学推导考虑溶质元素含量时的固溶度积
• 3.4 各种方法得到的固溶度积公式比较分析
• 3.6 典型温度下铌的固溶量计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 Nb对基体珠光体相变特征的影响
• 4.1 Nb对基体相变温度的影响
• 4.2 Nb对基体珠光体相变动力学的影响
• 4.3 低温轧制状态及完全退火状态的非共析组织及Nb对共析成分的影响
• 4.4 Nb对珠光体组织特征的影响
• 4.4.1 Nb对奥氏体晶粒尺寸的影响
• 4.4.2 Nb对先共析铁素体尺寸及分布的影响
• 4.4.3 Nb对珠光体形态、尺寸及分布的影响
• 4.5 低温轧制态力学性能实验结果
• 4.6 高碳钢在线球化工艺研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 不同碳含量钢中NbC的沉淀析出行为研究
• 5.1 NbC在奥氏体中沉淀析出驱动力的计算
• 5.2 NbC的形核机制
• 5.2.1 均匀形核
• 5.2.2 晶界形核
• 5.2.3 位错线上形核
• 5.2.4 计算结果及分析
• 5.3 不同C含量的NbC的形核率
• 5.3.1 均匀形核形核率
• 5.3.2 晶界形核形核率
• 5.3.3 位错线形核形核率
• 5.3.4 计算结果及分析
• 5.5 不同C含量的NbC沉淀析出的析出量-时间-温度（PTT）曲线
• 5.5.1 均匀形核时
• 5.5.2 晶界形核时
• 5.5.3 位错线上形核时
• 5.5.4 计算结果及分析
• 5.5.5 考虑形变储能后C含量对NbC的PTT曲线的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文