鈦在鋼中的物理冶金學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù).pdf

第 l 5卷第 2期 1 9 9 9妊 云 南 工 生 太 學(xué) 學(xué) 報 J r ml Yu mm n P o l y t e c h n i c Un l v e t y Vd 1 5 No 2 1 9 9 9 鈦 在 鋼 中 的物 理 冶 金 學(xué) 基 礎(chǔ) 數(shù) 據(jù) 雍 岐龍 田建 國 文勇 閻生貢裴和 中 機械工程學(xué)院 云南工業(yè)太學(xué) 昆明 6 5 0 0 5 1 矸 7 9 摘 要 根據(jù) 我們 近 年 來 的 試 驗 研究 及 理 論 研究 的結(jié) 果 同 時 參閱 了 國 際 上有 關(guān) 的大 量文 獻資 料 7 全面地搜集總鮚了鈦在鋼中的物理冶金學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 可供有關(guān)研 究工作者及生產(chǎn)技術(shù)人員參考 選 用 關(guān)鍵詞 苧墨魚 壘芏 數(shù)據(jù) 珂 前言 弱庋 薔 劫 鈦 在鋼 中具有阻止晶粒長大 提高錒的淬透性 阻止形 交奧 氏體再結(jié) 晶及產(chǎn)生顯著 的沉淀 強化效果等 作 用 因而在 錒 中獲得 了廣泛 的應(yīng)用 1 它是 低臺 金高 強度 錒 中十分 重要 的臺 金 元素 在 工 具鋼 不 銹鋼 及結(jié) 構(gòu)鋼 等大量錒種 中也廣泛用鈦合金化 為了充分 發(fā)揮鈦在鋼 中的有益作 用 必須進行深人的理論研 究工作和試驗 研究工作 而這些研究 工作 中均需 要確切掌握和應(yīng)用鈦在錒 中的有關(guān) 的物 理冶金學(xué) 基礎(chǔ)數(shù) 據(jù) 很 多研 究工作 常 由于 這些 基礎(chǔ) 數(shù)據(jù) 的 缺乏而不能深入進行 或由于所選用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性而導(dǎo)致得到不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論 近年來 我們在 有關(guān) 的研究工作 中搜 集整理 了大量有關(guān)的文獻 資料 由此 遴選 出較為 可靠 的基 礎(chǔ) 數(shù)據(jù) 同時 我們采用 各 種試 驗研究和 理論 推導(dǎo)方法獲得 了很多一直 閱如 的重要 的基礎(chǔ)數(shù) 據(jù) 本 文將 總結(jié)歸 納這些 工作 從而提 供 基本 全面完整且準(zhǔn)確可靠的有關(guān)鈦在錒 中的物理 冶金學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 由此促 進含鈦鋼 的研 究 研 制開發(fā)和生 產(chǎn)應(yīng)用 鈦在鋼中的存在形態(tài)主要 為 微量固溶于鐵基體 中或形 成碳 氨化鈦第 二相 為便于討 論 我 們將分 別論 述 固溶 鈦及碳氮化鈦的有關(guān)物理冶金學(xué)基 礎(chǔ)數(shù) 據(jù) 1 鈦的基礎(chǔ)數(shù) 據(jù) 鈦是位于元素周期表第 四周期 第一長周 期 第 副族 的過 渡族 金屬 元素 原 子序數(shù) 為 2 2 其 外層 電 子結(jié)構(gòu)為 3 d a 4 s 原子量 4 7 9 0 鈦是 具有 固態(tài)多型性相變的元素 相變點 8 8 2 5 該溫度 之上 為體 心 立方結(jié) 構(gòu) 的 8鈦 點 陣常 數(shù) 為 0 3 3 2 n 9 0 0 而該溫度之下為密排六方結(jié)構(gòu)的 a 鈦 室 溫 2 O 下的點陣常數(shù)為 口 0 2 9 5 0 3 0 m c 0 4 5 8 3 1 2 r l r f l c a 1 5 8 7 3 2 最 近鄰 原子 間距 為 0 2 8 5 5 3 m 摩 爾 體積 為 1 0 4 O 2 1 0 0 m3 too l 密度 為 4 6 0 5 g n 3 配位數(shù)為 1 2時的原 子半徑為 0 1 4 6 8 mn 比鐵 的原 子半徑大 l 5 鈦是原子結(jié)合力相 當(dāng)強 的過 渡族 金屬元素 其升 華熱 為 4 6 9 3 1 o 5 J too l 2 5 l 3 低于鎢 鋨 鉭 錸 鈮 碳 銥 鉬 鋯 鉿 釕 釷 硼 銠 鉑 釩 鈾而高 于其他所有 元素 其熔 點為 l 6 6 8 1 0 低于鎢 錸 鋨 鉭 鉬 鈮 銥 釕 鉿 銠 釩 鉻 鋯 鉑 釷而高于其他所有金 屬元素 其 沸點 約為 3 2 6 0 低 于錸 鎢 鉭 鋨 鈮 鉬 鉿 锫 鈾 銥 釷 釘 鉑 銠 釩 镥 釔 略高于鈷 鎳 鐵及其他常見金屬元素 線脹系數(shù) O 1 0 0 溫度范圍 為 8 9 1 0 6 K 4 J 在過渡族金屬元素中是較低的 略高于釩 遠低于鐵 1 2 1 1 0 6 K 其平均 比熱 0 1 0 0 溫度范 圍 為 5 2 8j 4 g K J 大 于釩 4 9 8j 4 g K 和 鐵 4 5 6j 4 g K 遠大 于 鈮 2 6 8 J l g K 鈦在室溫 2 0 下的正彈性模量 E 為 1 2 0 2 1 0 5 MP a 切 變彈性模 量 G 為 4 5 6 1 0 MP a 體積 壓 0收 日期 1 9 9 8 0 3 1 8 本文為冒寡自捕科學(xué)基金和云甯省 自然科學(xué)基金赍助項目研究論文 第一作者菏介 雍歧龍 男 1 9 5 3 年生 博士 教授 l l 維普資訊 8 云 南 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 第 1 5卷 縮模量 K為 1 0 8 4 1 0 MP a 泊松比 v 為 0 3 6 1 5 其彈性模量值與釩 鈮接近 低于鉛 鉭 明顯低于鉻 錳 鐵 顯著低于鉬 鎢 錸 另一方面 其泊松 比值在過渡族金屬元 素中是相對較高的 僅低于金 鈮 鉑 鏷 鋯 釩 鈦單晶在室溫下的各彈性剛度分別為 C1 1 1 6 0 l O 5 MP a c 1 8 1 l O 5 MP a C4 4 4 6 5 1 0 MP a Cl 2 9 0 0 l o 4 MP a CJ 3 6 6 0 1 0 4 MP a 其各彈性柔度分別 為 S l 1 9 6 9 1 0 一 P a S 3 6 8 6 l 0 一 2 Pa 一 S4 4 2 1 5 1 0 一 2 Pa 一 1 S1 2 4 7 1 1 0一 2 P a 一 S1 3 1 8 2 1 0 2 P a 一 6 鈦與鐵的平衡相 圖屬于 BI型 區(qū)縮小形成 相圈型 鈦的加入使鐵的 點下降 點先略下降 至 0 2 4At 含量時達最低點 然后迅速上升 在鈦含量為 0 7 5At 和溫度約為 1 0 0 處與 點匯合 而形成封閉的 相圈 鈦在 鐵中的最大溶解度約為在 1 2 8 9 時的 9 8At 隨溫度降低其溶解度也降 低 至 7 0 0 以下基本保持約為2 5At 在溫度約為 1 2 8 9 時 n 鐵與金屬問化臺物拉氏相 TiF e 2 形成 共晶體 其鈦含量約為 1 6 A t I 7 用擴散偶試驗和 Ma t a n o B o l t z m a rm分析方法得到的n 在 鐵中的擴散系數(shù)為 8 D 0 t 5 e x p c m2 s 含 0 0 7 At 9 6 T i 1 0 7 5 1 2 2 5 1 用同一方法獲得的 n 在 n 鐵中的擴散系數(shù)為 8 3 1 5 e x p 一 c m2 s 含 o 7 3 O At Ti 1 0 7 5 1 2 2 5 2 用薄層殘留放射性方法得到的 n 在 鐵中的擴散系數(shù)則為 9 J 2 8 e x p 一 曼 c 丌 l2 s 含 2 A t T i 9 0 0 1 2 0 0 3 最后 r i 的自擴散系數(shù)的放射性元素示蹤法測定結(jié)果為L l o 8 6 1 0 6 e x p 一 3 5 9 0 0 c m Z s 6 9 O 8 8 0 4 B T i 的自擴散系數(shù)的放射性元素示蹤法測定結(jié)果則為 j l 9 1 0 一e x p 一 3 6 5 0 0 4 9 0 c n 2 s 9 O O 1 5 8 0 5 以上各式中擴散激活能的單位均為 c a l mI 2 碳氮化鈦的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 鈦是相當(dāng)強烈的碳氮化物形成元素 在含鈦鋼 中鈦將主要以碳氮化物的形態(tài)存在而發(fā)揮重要作用 碳 氮原子半徑與鈦原子半徑的比值分別為約 0 5 3和 0 5 0 均小于 0 5 9 因此 鈦的碳化物和氮化物 均為簡單點陣結(jié)構(gòu)的間隙相 鋼中通常存在的碳化鈦和氮化鈦為 Na C I B 1 型面心立方結(jié)構(gòu)的間隙相 其 中的間隙原子會發(fā)生一定程度的缺位 但因缺位甚少故通常情況下均認(rèn)為是完整的 室溫下 Ti C的點陣常數(shù)為 0 4 3 2 8 5 n m 1 2 J 摩爾體積為 1 2 2 1 1 0 一 m3 m o l 密度為 4 9 0 7 g c m3 線脹系數(shù)為 7 7 4 1 0 6 K 1 2 2 7 0 1 3 j 熔點為 3 0 6 5 1 5 l 4 j 室溫正彈性模 量 E 為 4 6 0 0 1 0 5 M Pa 3 顯微硬度為 HV3 2 0 0 1 4 定壓 比熱 4 9 5 3十3 3 5 1 0 3 T一1 4 9 9 l O 5 T 2 2 9 8 1 8 0 0 K J K mo 1 L j 2 9 8 K時的形成熱 M 為一1 8 3 8 k J too l L 室溫下 TiN 的點陣常數(shù)為 0 4 2 4 0 n m J 摩爾體積為 1 1 4 8 1 0 5 m3 mo l 密度為 5 3 9 4 g c r n 3 線 脹系數(shù)為 9 3 5 1 0 6 K 2 5 1 1 0 0 J 其熔點為 2 9 3 0 2 J 室溫顯微硬度為 I I V 2 1 0 0 E 1 4 定壓比熱 4 9 8 6 3 9 4 1 0 3 T 一1 2 3 9 1 0 5 TI 2 J K t oo l 2 9 8 1 8 0 0 K l J 2 9 8 K時的形成熱 H 為 一 3 3 6 6 k l I 1 6 鋼中存在的碳化鈦和氮化鈦在整個固態(tài)范圍內(nèi)均可完全互溶而形成碳氮化鈦 其點陣常數(shù)和密度可 用線性內(nèi)插法計算而得 很多研究者測定得到碳化鈦和氮化鈦在 鐵中的固溶度積公式 其中常用的為 l g 丁 c 5 3 3 一l O 4 7 5 T 6 維普資訊 第 2期 雍岐 龍 田建 國 楊文 舅 等 釷在 鋼 中的物理 冶金 學(xué)基 礎(chǔ)數(shù)據(jù) lg 7 c 2 7 5 7 5 0 0 T 1g T I N 3 9 4 1 5 1 9 0 T t g E T i N 0 3 2 8 0 0 0 T 2 1 7 8 9 碳化鈦 和氫化鈦在 a鐵 中的固溶度 積非常 小 難 于實 驗測定 目前 尚未報 導(dǎo)相應(yīng) 的平衡 固溶 度積公 式 由于氮化鈦在液態(tài)鐵 中的溶度積也很小 常會出現(xiàn)液析 氮化鈦 因而還必須 了解掌握氮化鈦在液態(tài)鐵 中的溶度積公式 ig N L 5 9 0 1 6 5 8 6 T l馴 I O 由上述 固溶度積公式 和碳化鈦及 氮化鈦 的理想 化學(xué) 配 比值 可計算 出含 鈦鋼 中任 一溫度 下 的溶鈦量 溶碳量 c 或溶氫量 N 2 2 一 同時還可由此計算碳化鈦 氮化鈦及碳氮化鈦在 鐵或 n 鐵中沉淀析 出時 的化學(xué) 自由能 微 細 MC或 MN相在 鋼中沉淀析 出時 與鐵基體之 間具有確定 的位 向關(guān) 系 碳化 鈦 氮化鈦及碳 氮化 鈦 也具有 同樣的位 向關(guān)系 即 1 0 0 v c 1 0 0 0 1 0 M c 0 1 0 2 3 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 圳 由此 根據(jù)錯配位錯 理論 可 以計算 出碳化鈦 氮 化鈦與奧氏體 之間的半共格界面 比界面髓 O T iC 一 J m2 0 9 3 o 4 0 4 1 5 6 1 0 I 3 T K 1 1 T 一 1 m2 0 8 7 3 7 0 3 9 0 2 1 0 I 3 T K t 2 至 于它們與鐵 素體之間的半共格界面能 也可用類 似 的理論計算 方法 進行計算 l 2 6 J 但 由于 各方 向上 的錯配度不一樣 因而 比界面能也不一樣 由此導(dǎo)致在鐵素體中沉淀析出的碳化鈦 氮化鈦呈園片狀 其底 面為 1 0 0 1 0 0 面且其徑厚 比以及側(cè)面比界面能與底面比界面能之比值基本固定不變 對碳化鈦 而言為 1 4 7 對氮化鈦而言為 1 6 8 各溫度下比界面能的具體計算結(jié)果詳見參考文獻 2 6 j 碳氮化鈦 與奧 氏體和鐵 素體之間的 比界 面能則 可用線性 內(nèi)插 法計算而得 碳化鈦 氮化鈦及碳氮化鈦均是非常穩(wěn)定的第二相 它們 在很 高的溫度下長 時間保溫仍 可保持 細小 的 尺寸 在 鐵基體 中均勻分布 時其平均尺寸 的粗化規(guī)律可用下式計算 2 9 n3 r 0 3 8 Da V K M c f r g 3 v t r o 3 m3 t 1 5 式中 r n 和 分別為初始時刻和t 秒后第二相的平均半徑 D為控制元素 這里為鈦 在基體相中的擴散系 數(shù) 為比界面能 為第二相的摩爾體積 C v 為控制元素 這里為鈦 在基體相中溶解的平衡溶質(zhì)濃 度 摩爾體積 T為溫度 K 根據(jù)相應(yīng) 的計 算 l 1 當(dāng)鋼材成分滿 足理 想化學(xué)配 比時 碳化 鈦的粗化速率 m 在 9 0 0 時為 0 5 0 5 n m s 1 2 0 0 時為 4 9 6 n m s 而對氮化鈦來說則分別為 0 t 9 3和 1 7 6 ri m s l 比 F 日C的粗化速率小 3 4 個數(shù)量級 通常鋼材成分并不滿足理想化學(xué)配比 這時其粗化速率還將進 一 步 減小 由此 鋼中固態(tài)析出 的碳氮化鈦通常 可保 持 n m 至十 ti m 的尺寸數(shù)量級 從而 充分 發(fā)揮 其強韌化 作用 碳氮化鈦在鋼中沉淀強化時 其強化機制可能是切過機制 也可能是 O o w a n機制 有關(guān)的理論計算 表明 3 0 強化機制發(fā)生轉(zhuǎn)換時的臨界尺寸 對碳化鈦而言為 2 6 8 m 對氮化鈦為 3 9 5 a m 因此 鋼中碳 氮化鈦的沉淀強化機制主要 為 Q l o w a l l 機制L m 4結(jié)論 根據(jù)我們近年來的試驗研究及理論研究的結(jié)果 同時參閱了國際上有關(guān)的大量文獻資料 全面地搜集 總結(jié) 了鈦在鋼 中的物理冶金學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 可供有關(guān)研 究工作者及生產(chǎn)技術(shù) 人員 參考選用 維普資訊 1 0 云 南 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 第 1 5 卷 參 考 文 獻 1 雍歧龍 馬鳴圖 吳 寶榕 散合金錒 一物理和力學(xué)冶金 北京 機械工業(yè)出版杜1 9 8 9 2 A 1 衄 S oc i e t y f o r Me t a l s Me ta L s Ha n d b o o k 9t h e d i t io n Vo l 2 Oh l o AS M 1 9 7 9 7 9 8 3 Br md e s E A S n i t h e l l s Me U d s Re f e r e n c e Bo o k 6 t h e t i c m Lo n d o n Bu t t e r wo r d a C0 Lt d 1 9 8 3 8 3 4 Br a n d e s E A t i t e l l s Me t a l s Re f e f ence Bo o k 6 t h e d i t i o n L o n d o n Bu t t e r wo r d a c Lt d 1 9 8 3 1 4 2 5 Br a n d e 8 E A S mi t h dl s Me t a k s Re f e r e r t e e B o o k 6 t h e d l t ic m L a do n t t t t e r wort h C0 Lt d 1 9 8 3 1 5 3 6 L a n d o h B o r n s t e l n Nt m a e c e dDa t a a n dF u n c t k ma l R e l a t i o n s h i p s inS dence Te c h n o l o g y N e wS 商 G r o u p Vd 2 B e r a S p fi n g e Ve r la g 1 9 7 9 7 Ha r Ls e n M An d e r k o K Cor fi t u t ioa Bina r y A l 0 v s Mff 3 mw Hi l l Ne w Yo r k 1 9 5 8 8 Mo l l SH Og il 4 e R E Tr a m Me mU S o c AI ME 1 9 5 9 2 1 5 61 3 9 DY F B o r g J US AECRe p t UCRL 5il 31 4 1 9 6 7 1 0 Dy t n e n t F L i a r m t i C M J Ma t e r 1 9 6 8 3 3 4 9 1 1 Wds c e d eRe c aN E Li b a n a t i CM Ac t aMe t 1 9 6 8 1 6 1 2 9 7 1 2 C a d o f f Ni e l s e n Tr a a s A1 ME 1 9 5 3 1 9 7 2 4 8 1 3 薩姆索諾夫 F B 難熔化合物手冊冶金部科技情報所書刊編輯室譯北京 中國工業(yè)出版社 1 9 6 5 1 4 Ame ric a n C emr mc S o c i e t y En g i n e e r i n g Pr o p e r t ie s o f S e l e c t e d Ce r c Ma t e fia l s Co h ma b m Oh i o 1 9 6 6 1 5 Na y brB J Am Ch a a S o c 1 9 4 6 6 8 3 7 0 1 6 Br and e s E A S mi t h e ll s Me mls Re f e r e a c e Bo o k 6 t h e d i t i a Lo n d o n Bt t t t e r wo r t h C0 Lt d 1 98 3 8 2 3 1 7 B e a t fle Ver S n y d e r Tt a ns AS M 1 9 5 3 4 5 3 9 7 1 8 J o h n s o n T H e u d T r a n s AI ME 1 9 6 7 2 3 9 1 6 5 1 1 9 I r u n eK J P i c k e fi i FB G h血螄T J k 吼 S t e e l I 呲 1 9 6 7 2 0 5 1 6 1 2 0 Na fi t aK T r m t s I r o nS t e e l I n s t J p n 1 9 7 5 1 5 1 4 5 2 1 Ma t s u d S Ok u mu r a N Tr m a s I 蜘S t e e l I r ts t J p a 1 9 7 8 1 8 1 9 8 2 2 雍歧龍 吳寶榕 孫珍寶 王桂金 鋼鐵研究學(xué)報 1 9 8 9 1 4 4 7 2 3 Dac e n p o r t AT t s mr d L C Mi n e r RE J Me u d s 1 9 7 5 2 7 6 2 1 2 4 k e l RG Nu n 嘴 J 工 S I S p R e lx No 6 4 L a d o n I S I 1 9 5 9 1 2 5 雍歧龍 李永福 孫珍寶 吳寶榕金屬學(xué)報 1 9 8 8 2 4 A 3 7 3 Ac t aMe t S in l e a 1 9 8 9 2 1 5 3 2 6 雍歧龍 李柬福 孫珍寶 吳寶榕科學(xué)通報 1 9 8 9 3 4 4 6 7 C h i n S d B o l 1 1 9 8 9 3 1 1 7 4 7 2 7 L i f s h i tz I M S l y 0 v I i T i j P h y s C h e m S o l id s 1 9 6 1 1 9 3 5 2 8 雍歧龍鋼鐵研究學(xué)報 1 9 9 1 3 4 5 1 2 9 雍歧兜 白埃民 干勇鋼鐵研究學(xué)報 1 9 9 2 4 1 5 9 3 0 雍歧龍科學(xué)通報 1 9 8 9 3 4 7 0 7 C h i n 叫 l 1 9 8 9 3 4 1 6 5 3 Ph y s i c al M e t a l l u r g i c