铌在钢中的物理冶金学基础数据.pdf

第10卷第2期1998年4月钢 铁 研 究 学 报JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCHVol . 10,No. 2Apr. 1998铌在钢中的物理冶金学基础数据3 雍岐龙 裴和中 田建国 周晓玲 潘 俐 杨文勇 Physico-M etallurgical Data of Niobium in SteelYong Q ilong Pei H ezhong T ian J ianguo Zhou X iaoling Pan L i Yang W enyong3 国家自然科学基金资助项目作者单位:云南工业大学(Yunnan PolytechnicalU niversity)联系人:雍岐龙,教授,昆明(650051),云南工业大学机械工程学院摘 要 根据近年来的试验及理论研究结果,同时参阅了大量国外文献资料,全面地搜集了铌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 铌,物理冶金学,钢ABSTRACT A ccording to the experi mental and theoretical research results andauthoritativeworks in this field abroad, the fundamentalphysico2metallurgical dataof niobium and niobium carbonitride in steel have been collected comprehensively.The information and data are provided to the concerned researchers and techniciansfor reference.KEY WORDS niobium ,physico2metallurgy, steel铌在钢中具有阻止晶粒长大、 抑制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。

铌是低合金高强度钢中十分重要的微合金元素,在工具钢、 不锈钢、 耐热钢及高级弹簧钢等大量钢种中广泛采用铌合金化 目前,全世界每年生产的含铌钢钢材接近3×107t,约占钢材总产量的4 %[1]为了充分发挥铌在钢中的有益作用,必须进行深入的理论和试验研究,而在这些研究中均需要准确掌握和应用铌在钢中的物理冶金学基础数据近年来,作者不仅搜集整理了大量有关的资料,从中筛选出较为可靠的基础数据,而且采用各种试验研究和理论推导方法填补了很多重要的基础数据本文对这些工作进行了归纳总结,旨在较全面地提供完整且准确可靠的数据,以促进含铌钢的研究、 研制开发和生产应用铌在钢中的存在形态主要有:微量固溶于铁基体中或形成碳氮化铌第二相在此分别论述固溶铌及碳氮化铌的有关物理冶金学基础数据1 固溶铌的基础数据铌是位于元素周期表第五周期(第二长周期)第 ˝ 副族的过渡族金属元素,原子序数为41,其外层 电子结构为4d45s1,原子量92. 906 4固溶铌是体心立方结构的晶体,室温(20℃)下 的点阵常数为0. 330 07 nm ,最 近 邻 原 子 间 距 为0. 285 85 nm ,摩尔体积为1. 083×10- 5m3?mol, 密度为8. 578 g?cm3,配位数为12时的原子半径为0. 147 nm ,比铁的原子半径大15. 2 %。

铌在整个固 态存在温度范围内无固态多型性相变铌是原子结合力相当强的过渡族金属元素,其升华热为7. 222×105J?mol,略低于钨、 锇、 钽、 铼, 但高于其他所有金属元素;其熔点为2 467±10℃, 低于钨、 铼、 锇、 钽、 钼而高于其他所有金属元素;其 沸点为4 740℃,低于铼、 钨、 钽、 锇而高于其他所有 金属元素[2]:线膨胀系数(0～100℃)为7. 2×10- 6?K[3],在过渡族金属元素中是较低的,略低于钒、 钛而远低于铁(12. 1×10- 6?K);其平均比热(0～100℃) 为268 J?(kg·K)[3],远小于钒[498 J?(kg·K) ]、 钛[528 J?(kg·K) ]和铁[456 J?(kg·K) ]铌在室温(20℃)下的正弹性模量E= 1. 049×105M Pa,切变弹性模量G= 3. 75×104M Pa,体积压缩模量K= 1. 703×105M Pa,泊松比 Τ= 0. 397[4] 其弹性模量值与钛、 锆接近,低于钒、 铪、 钽,明显低于 铬、 锰、 铁,显著低于钼、 钨、 铼;另一方面,其泊松比 在过渡族金属元素中相对是最高的。

铌单晶在室温 下的各弹性刚度 分 别 为:C112. 45×105M Pa ,C442. 84×104M Pa,C121. 32×105M Pa;其各弹性柔度分别为:S116. 56×10- 12Pa- 1,S4435. 2×10- 12Pa- 1,S12- 2. 29×10- 12Pa- 1[5, 6]铌与铁的平衡相图属于B˚ 型,即由于中间相 的存在而破坏了包围 Χ区的 Α+Χ相带完整性的 Χ区缩小型铌的加入使铁的A4点下降,A3点上升, 但由于拉氏相N bFe2(由于缺位或其他原因而使之 化学成分接近于Fe3N b2,文献中常写为Fe3N b2)的出现和限制,在铁铌平衡相图中没有形成封闭的 Χ 相圈 由铁铌平衡相图可知,铌在 Χ铁中的最大溶解 度约为2 % (质量分数,下同),铌在 Α铁中的最大溶 解度约为1. 8 %[7]用放射性元素示踪法测得N b95在 Χ铁中的扩散系数为[8]:1 160～1 290℃D= 530 exp- 82 300 R T(cm2?s)(1)而L eak[9]得到的铌在软钢奥氏体中的扩散系数则为:D= 400 exp- 80 000 R T(cm2?s)(2)式中 R——气体常数;T——绝对温度。

Kurokawa等[10]在几乎完全不含间隙固溶原子 的高纯Fe、Fe20. 6Si、Fe21. 5 M n、Fe20. 6Si21. 5M n合金中测定了铌在奥氏体中的扩散系数,其结果与式(1)和式(2)基本吻合 从他们的工作可看出,锰稍 微降低铌在奥氏体中的扩散系数,而硅则使之略有 提高目前,式(1)是常用的铌在 Χ铁中的扩散系数 计算式至于铌在 Α铁中的扩散系数,现在尚未见到较为准确的测定数据, Gray等[11]曾用式(3)估算铌在 铁素体中的扩散系数:D= 400 exp- 70 000 R T(cm2?s)(3)最后,用放射性元素示踪法测定的铌的自扩散系数为[12]:1 080～2 420℃D= 8×10- 3exp- 83 500 R T+3. 7exp- 104 700 R T(cm2?s)(4)2 碳氮化铌的基础数据铌是相当强烈的碳氮化物形成元素,在大部分 含铌钢中,铌主要以碳氮化物的形式存在而发挥作 用碳、 氮原子半径与铌原子半径的比值分别为约0. 53和0. 49(均小于0. 59),因此铌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 化铌和氮化铌为N aCl(B1)型面心立方结构的间隙 相,其中的间隙原子(特别是碳原子)常会发生一定 程度的缺位,使其化学组成式中碳或氮的系数成为小于1的小数,如碳化铌的化学组成式可从N bC0. 686变化到N bC[13]。

根据大量的试验结果可知,在低合金高强度钢中存在的碳化铌的化学组成式主要为N bC0. 87至N bC0. 877[14],而氮化铌则因氮原子缺位甚少,故通常仍将其认为是完整的N bN作者的试验 结果则表明,在铁素体中沉淀析出的微细碳化铌中 的碳原子将发生有序的缺位,而由其有序化规律可推知其化学组成式应为N bC0. 875(N b8C7)[15]室温下,完整碳化铌的点阵常数为0. 447 02nm[16](也有文献报道为0. 446 9 nm[17]),摩尔体积为1. 345×10- 5m3?mol,密度为7. 801 g?cm3出现碳缺位并当其化学式由N bC0. 994变化到N bC0. 836时,其点阵常数由0. 447 0 nm变化到0. 443 3 nm[18],基本可认为是随碳缺位程度而线性变化由此可得N bC0. 875的点阵常数为0. 444 2 nm ,摩 尔 体 积 为1. 320×10- 5m3?mol,密度为7. 837 g?cm3碳化铌的线膨胀系数为6. 5×10- 6?K(20～1 100℃)[19],或为7. 02×10- 6?K(0～1 000℃)[20],其熔点为(3 500 ±75)℃,室温下的E= 3. 385×105M Pa,显微硬度为HV 2 400[20]。

碳化铌的定压比热容cP= 45. 18+7. 243×10- 3T- 9. 002×105?T2J?(K·mol) (298～1 800 K) , 298 K时 的 形 成 热 ∃H= (- 140. 7±3. 3)kJ?mol[20];N bC 0. 877的cP= 40. 6+ 8. 33×10- 3T-6. 32×105?T2J?(K·mol) (298～1 800 K), 29876第2期 雍岐龙等:铌在钢中的物理冶金学基础数据K时,∃H= - 138. 6 kJ?mol[20]室温下氮化铌的点阵常数为0. 438 8 nm[19],摩 尔 体 积 为1. 272×10- 5m3?mol,密度为8. 405 g? cm3,线膨胀系数为10. 1×10- 6?K(20～270℃)[19],其熔点为2 050℃,室温显微硬度为HV 1 396[20],cP= 36. 38+ 22. 61×10- 3TJ?(K·mol) (298～600K),cP= 44. 96+ 8. 311×10- 3TJ?(K·mol) (600～1 643 K), 298 K时,∃H= - 249. 5 kJ?mol[20]。

钢中存在的碳化铌和氮化铌在整个固态范围内 均可完全互溶而形成碳氮化铌,其点阵常数和密度可用线性内插法计算得到很多研究者得到碳化铌和氮化铌在 Χ铁中的固 溶度积公式,其中常用的为:lg([N b ]·[C ])Χ= 2. 96- 7 510?T±0. 2[14](5)lg([N b ]·[C ]0. 87)Χ= 3. 11- 7 520?T±0. 1[14](6)lg([N b ]·[C ]0. 875)Χ= 2. 97- 7 500?T±0. 06[21](850～1 200℃)(7)lg([N b ]·[N ])Χ= 2. 80- 8 500?T[22](8)碳化铌和氮化铌在 Α铁中的固溶度积非常小, 试验难于测定,目前仅有由热力学数据推导而得的 平衡固溶度积公式:lg([N b ]·[C ])Α= 5. 43- 10 960?T[14](9)lg([N b ]·[N ])Α= 4. 96- 12 230?T[14](10)lg([N b ]·[C ]0. 875)Α= 4. 87- 10 060?T[21](300～1 000 K)(11)由上述固溶度积公式和碳化铌及氮化铌的理想化学配比值可计算出含铌钢中任一温度下的溶铌量[N b ]、 溶碳量[C ]或溶氮量[N ][14],通过稍微复杂的 计算还可得出任一温度下碳氮化铌的化学组成式 (即N bCxN12x或N bC0. 875xN12x中的x)及溶铌量、 溶碳量和溶氮量[23]。

此外,由此还可计算出碳化铌、 氮化 铌及碳氮化铌在 Χ铁或 Α铁中沉淀析出时的化学自 由能[24]微细M C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,碳化铌、 氮化铌及碳氮 化铌也具有同样的位向关系,即:(100)MCN∥(100)Χ, [010]MCN∥[010]Χ[25](100)MCN∥(100)Α, [011]MCN∥[010]Α[26]由此,根据错配位错理。