钛在钢中的物理冶金学基础数据.pdf

钛在钢中的物理冶金学基础数据 ① 雍岐龙 田建国 杨文勇 阎生贡 裴和中 机械工程学院,云南工业大学,昆明,650051 摘要 根据我们近年来的试验研究及理论研究的结果,同时参阅了国际上有关的大量文献资料, 全面地搜集总结了钛在钢中的物理冶金学基础数据,可供有关研究工作者及生产技术人员参考 选用. 关键词钛;物理冶金学;数据;钢 前 言 钛在钢中具有阻止晶粒长大、 提高钢的淬透性、 阻止形变奥氏体再结晶及产生显著的沉淀强化效果等 作用,因而在钢中获得了广泛的应用[1],它是低合金高强度钢中十分重要的合金元素,在工具钢、 不锈钢 及结构钢等大量钢种中也广泛用钛合金化. 为了充分发挥钛在钢中的有益作用,必须进行深入的理论研究工作和试验研究工作,而这些研究工作 中均需要确切掌握和应用钛在钢中的有关的物理冶金学基础数据.很多研究工作常由于这些基础数据的 缺乏而不能深入进行,或由于所选用的基础数据的不准确性而导致得到不太严谨的结论.近年来,我们在 有关的研究工作中搜集整理了大量有关的文献资料,由此遴选出较为可靠的基础数据;同时,我们采用各 种试验研究和理论推导方法获得了很多一直阙如的重要的基础数据.本文将总结归纳这些工作从而提供 基本全面完整且准确可靠的有关钛在钢中的物理冶金学基础数据,由此促进含钛钢的研究、 研制开发和生 产应用. 钛在钢中的存在形态主要为微量固溶于铁基体中或形成碳氮化钛第二相,为便于讨论,我们将分别论述 固溶钛及碳氮化钛的有关物理冶金学基础数据. 1 钛的基础数据 钛是位于元素周期表第四周期第一长周期第 Ⅳ 副族的过渡族金属元素,原子序数为22 ,其外层电 子结构为3d24s2,原子量47. 90. 钛是具有固态多型性相变的元素,相变点882. 5℃,该温度之上为体心立方结构的β钛,点阵常数为 0. 332 nm900℃ ; 而该温度之下为密排六方结构的α钛,室温 20 ℃下的点阵常数为a 0. 295 030 nm ,c 0. 458 312 nm ,c/ a 1. 587 3[2],最近邻原子间距为0. 285 53 nm ,摩尔体积为1. 040 210 - 5 m3/ mol ,密度为4. 605 g/ cm3,配位数为12时的原子半径为0. 1468 nm ,比铁的原子半径大15 . 钛是原子结合力相当强的过渡族金属元素,其升华热为4. 693105J/ mol25℃ [3] ,低于钨、 锇、 钽、 铼、 铌、 碳、 铱、 钼、 锆、 铪、 钌、 钍、 硼、 铑、 铂、 钒、 铀而高于其他所有元素;其熔点为1 66810℃,低于钨、 铼、 锇、 钽、 钼、 铌、 铱、 钌、 铪、 铑、 钒、 铬、 锆、 铂、 钍而高于其他所有金属元素;其沸点约为3 260℃,低于铼、 钨、 钽、 锇、 铌、 钼、 铪、 锆、 铀、 铱、 钍、 钌、 铂、 铑、 钒、 镥、 钇,略高于钴、 镍、 铁及其他常见金属元素;线胀系数 0 ～ 100℃ 温度范围为8. 910 - 6/ K[4] ,在过渡族金属元素中是较低的,略高于钒,远低于铁12. 110 - 6/ K ;其平均比热 0 ～100℃ 温度范围为528 J/ kgK[4],大于钒498 J/ kg K 和铁456 J/ kgK ,远大于 铌268 J/ kgK . 钛在室温 20 ℃下的正弹性模量E为1. 202105MPa ,切变弹性模量G为4. 56104MPa ,体积压 第15卷 第2期 云 南 工 业 大 学 学 报 Vol. 15 No. 2 1999年 Journal of Yunnan Polytechnic University 1999 ① 收稿日期1998 - 03 - 18 ;本文为国家自然科学基金和云南省自然科学基金资助项目研究论文 第一作者简介雍岐龙,男,1953年生,博士,教授 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 缩模量K为1. 084105MPa ,泊松比ν为0. 361[5].其弹性模量值与钒、 铌接近,低于铪、 钽,明显低于铬、 锰、 铁,显著低于钼、 钨、 铼;另一方面,其泊松比值在过渡族金属元素中是相对较高的,仅低于金、 铌、 铂、 镤、 锆、 钒.钛单晶在室温下的各弹性刚度分别为C111. 60105MPa ,C331. 81105MPa ,C444. 65104 MPa ,C129. 00104MPa ,C136. 60104MPa ;其各弹性柔度分别为S119. 6910 - 12Pa- 1 ,S336. 86 10 - 12Pa- 1 ,S4421. 510 - 12Pa- 1 ,S12- 4. 7110 - 12Pa- 1 ,S13- 1. 8210 - 12Pa- 1[6]. 钛与铁的平衡相图属于BⅠ 型,γ区缩小形成γ相圈型.钛的加入使铁的A4点下降,A3点先略下降 至0. 24 At 含量时达最低点然后迅速上升,在钛含量为0. 75 At 和温度约为1100℃ 处与A4点汇合 而形成封闭的γ相圈;钛在α铁中的最大溶解度约为在1 289℃ 时的9. 8 At ,随温度降低其溶解度也降 低,至700℃ 以下基本保持约为2. 5 At .在温度约为1 289℃ 时,α铁与金属间化合物拉氏相TiFe2形成 共晶体,其钛含量约为16At [7]. 用扩散偶试验和Matano - Boltzmann分析方法得到的Ti在γ铁中的扩散系数为[8] D 0.15exp - 60 000 R T cm2/ s 含0～0. 7At. Ti ,1 075～1 225℃1 用同一方法获得的Ti在α铁中的扩散系数为[8] 3.15exp - 59 200 R T cm2/ s 含0. 7 - 3. 0At. Ti , 1 075～1 225℃2 用薄层残留放射性方法得到的Ti在γ铁中的扩散系数则为[9] 2.8exp - 57 800 R T cm2/ s 含2At. Ti , 900～1 200℃3 最后,α- Ti的自扩散系数的放射性元素示踪法测定结果为[10] 8.610- 6exp - 35 900 R T cm2/ s 690 ～880℃4 β- Ti的自扩散系数的放射性元素示踪法测定结果则为[11] 1.910- 3exp - 36 500490 R T cm2/ s 900 ～1 580℃5 以上各式中扩散激活能的单位均为cal/ mol. 2 碳氮化钛的基础数据 钛是相当强烈的碳氮化物形成元素,在含钛钢中钛将主要以碳氮化物的形态存在而发挥重要作用. 碳、 氮原子半径与钛原子半径的比值分别为约0. 53和0. 50 ,均小于0. 59 ,因此,钛的碳化物和氮化物 均为简单点阵结构的间隙相.钢中通常存在的碳化钛和氮化钛为NaClB1型面心立方结构的间隙相,其 中的间隙原子会发生一定程度的缺位,但因缺位甚少故通常情况下均认为是完整的. 室温下,TiC的点阵常数为0. 432 85 nm[12],摩尔体积为1. 22110 - 5 m3/ mol ,密度为4. 907 g/ cm3, 线胀系数为7. 7410 - 6/ K12～270 ℃ [13] ,熔点为3 06515℃ [14] ,室温正弹性模量E为4. 600105 MPa[13],显微硬度为HV3 200[14].定压比热Cp 49. 53 3. 3510 - 3 T - 14. 99105T - 2 298 ～1 800 KJ/ Kmol[15],298 K时的形成热ΔH为- 183. 8 kJ/ mol[16]. 室温下TiN的点阵常数为0. 424 0 nm[17],摩尔体积为1. 14810 - 5m3/ mol ,密度为 5. 394 g/ cm3,线 胀系数为9. 3510 - 6/ K25～1 100 ℃ [13] ,其熔点为2930℃ [14] ,室温显微硬度为HV2100[14],定压比热 Cp 49. 86 3. 9410 - 3 T - 12. 39105T - 2 J/ Kmol 298～1 800 K [15] ,298K时的形成热ΔH为- 336. 6 kJ/ mol[16]. 钢中存在的碳化钛和氮化钛在整个固态范围内均可完全互溶而形成碳氮化钛,其点阵常数和密度可 用线性内插法计算而得. 很多研究者测定得到碳化钛和氮化钛在γ铁中的固溶度积公式,其中常用的为 lg[ Ti ] [ C] γ5.33-10 475/ T [18] 6 8云 南 工 业 大 学 学 报 第15卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. lg[ Ti ] [ C] γ2.75-7 500/ T [19] 7 lg[ Ti ][ N ]γ3.94-15 190/ T [20] 8 lg[ Ti] [N] γ 0. 32 - 8 000/ T [21] 9 碳化钛和氮化钛在α铁中的固溶度积非常小,难于实验测定,目前尚未报导相应的平衡固溶度积公 式. 由于氮化钛在液态铁中的溶度积也很小,常会出现液析氮化钛,因而还必须了解掌握氮化钛在液态铁 中的溶度积公式 lg[ Ti ][ N ]L5.90-16586/ T [20] 10 由上述固溶度积公式和碳化钛及氮化钛的理想化学配比值可计算出含钛钢中任一温度下的溶钛量 [ Ti]、 溶碳量[C]或溶氮量[N][22].同时还可由此计算碳化钛、 氮化钛及碳氮化钛在γ铁或α铁中沉淀析 出时的化学自由能[1]. 微细MC或MN相在钢中沉淀析出时,与铁基体之间具有确定的位向关系,碳化钛、 氮化钛及碳氮化 钛也具有同样的位向关系,即 100MCN∥100γ,[010]MCN∥[010]γ[23] 100MCN∥100α,[011]MCN∥[010]α[24] 由此,根据错配位错理论,可以计算出碳化钛、 氮化钛与奥氏体之间的半共格界面比界面能[25] σTiC-γ J/ m 2 0. 9304 - 0. 4156 10- 3T K11 σTiN-γ J/ m 2 0. 8737 - 0. 3902 10- 3T K12 至于它们与铁素体之间的半共格界面能,也可用类似的理论计算方法进行计算[26],但由于各方向上 的错配度不一样,因而比界面能也不一样,由此导致在铁素体中沉淀析出的碳化钛、 氮化钛呈园片状,其底 面为100MCN∥100α面且其径厚比以及侧面比界面能与底面比界面能之比值基本固定不变,对碳化钛 而言为1. 47 ,对氮化钛而言为1. 68 ,各温度下比界面能的具体计算结果详见参考文献[26]. 碳氮化钛与奥氏体和铁素体之间的比界面能则可用线性内插法计算而得. 碳化钛、 氮化钛及碳氮化钛均是非常稳定的第二相,它们在很高的温度下长时间保温仍可保持细小的 尺寸,在铁基体中均匀分布时其平均尺寸的粗化规律可用下式计算[27～29] rt3 r03 8DσVMCNCV 9R T t r03 m3t15 式中r0和rt分别为初始时刻和t秒后第二相的平均半径,D为控制元素这里为钛在基体相中的扩散系 数,σ为比界面能,VMCN为第二相的摩尔体积,CV为控制元素这里为钛在基体相中溶解的平衡溶质浓 度摩尔体积 , T为温度 K . 根据相应的计算[1],当钢材成分满足理想化学配比时,碳化钛的粗化速率m 在900℃ 时为0. 505 nm/ s1/ 3,1 200℃ 时为4. 96 nm/ s1/ 3,而对氮化钛来说则分别为0. 193和1. 76 nm/ s1/ 3,比Fe3C的粗化速率小3～4个数量级.通常钢材成分并不满足理想化学配比,这时其粗化速率还将进 一步减小.由此,钢中固态析出的碳氮化钛通常可保持nm至十nm的尺寸数量级,从而充分发挥其强韧化 作用. 碳氮化钛在钢中沉淀强化时,其强化机制可能是切过机制,也可能是Orowan机制,有关的理论计算 表明[30],强化机制发生转换时的临界尺寸,对碳化钛而言为2. 68 nm ,对氮化钛为3. 95 nm.因此,钢中碳 氮化钛的沉淀强化机制主要为Orowan机制[30]. 4 结 论 根据我们近年来的试验研究及理论研究的结果,同时参阅了国际上有关的大量文献资料,全面地搜集 总结了钛在钢中的物理冶金学基础数据,可供有关研究工作者及生产技术人员参考选用. 9第2期 雍岐龙,田建国,杨文勇 等钛在钢中的物理冶金学基础数据 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 参 考 文 献 1 雍岐龙,马鸣图,吴宝榕.微合金钢-物理和力学冶金.北京机械工业出版社. 1989 2 American Society for Metals , Metals Handbook9th edition , Vol. 2 , Ohio ASM , 1979 , 798 3 Brandes E A. Smithells Metals Reference Book6th edition.London Butterworth physical metallurgy; data ; steel 01云 南 工 业 大 学 学 报 第15卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.