刘鹏程等：Nh在高铝铁素体钢中的固溶析出行为 ·887· 见，随着温度的升高，Nb在铁素体中的扩散系数逐 对于这一类钢种Nb的加入量以及阻碍品粒长大作 渐增大，因而析出的NbC尺寸在高温阶段要比低温 用发挥的温度区间需要进行更细致和系统研究工作 阶段大.图7给出了经1200℃固溶处理后冷却到不 固溶C在铁素体中 10- 同温度的第二相等温析出行为，由图可见，在700~ 固溶C在奥氏体中 900℃等温保温时，NbC尺寸随着温度的增加而明 10-1 显增大，在700℃保温1h时，析出颗粒尺寸在20nm 固溶N在铁素体中 左右，当温度升高到800℃，其析出物尺寸增加到50 10 固溶Nb在奥氏体中 m左右，密度明显降低，可以看出这时已经进入到 10-H5 了过时效粗化阶段.当温度增加到900℃时，由于 固溶度增加，析出物密度大大降低，同时析出颗粒尺 10- 寸增加到80~120nm之间，也就是说在高温阶段析 10-9 700 出相的颗粒尺寸明显要大于低温阶段，这与上述扩 800900100011001200 T℃ 散控制的转变机制相一致.通过上述试验结果及理 图6 Thermo-Calc软件得到Nb和C在铁素体中的扩散系数 论分析，高铝铁素体中的NbC析出固溶行为明显不 Fig.6 Diffusion coefficient of Nb and C in ferrite calculated by Ther- 同于相同温度区间的奥氏体中固溶析出行为，因此 mo-Cale a) 200nm 200nm 20)nm p + 图7试验钢不同温度下的扫描电镜照片.(a)700℃：(b)800℃：(c)900℃ Fig.7 SEM images of carbide precipitates in experimental steels held at different temperatures;(a)700C:(b)800C;(e)900C 积分数明显增加，颗粒尺寸明显增大 3结论 (1)通过计算得到A!与Nb的相互作用系数 参考文献 为：e=-0.361+72.621/T.表明A1能够降低Nb [1]Pramanik S,Koppoju S,Anupama A V,et al.Strengthening mechanisms in Fe-Al based ferritic low-density steels.Mater Sci 铁素体基体中的活度，提高其在基体中的固溶度. EngA,2018,712:574 在Nb及其碳化物的热力学性质基础上，利用热力 [2]Chen S P,Rana R,Haldar A,et al.Current state of Fe-Mn-Al- 学推导得到NbC在高铝铁素体基体的固溶度积公 C low density steels.Prog Mater Sci,2017,89:345 式可表示为：log(wc).=5.894-12267/T. [3]Xu X Y,Li JZ,Wang X M,et al.Softening and recrystallization (2)在NbC的回溶过程中，随着再加热温度的 behavior of a new class of ferritic steel.J.Iron Steel Res Int, 2019,26(2):154 升高，铁素体基体中析出的NC逐渐回溶，数量也 [4]Gutierrez-Urrutia I,Raabe D.High strength and ductile low densi- 随之减少.在600~800℃，NbC析出体积分数基本 ty austenitic FeMnAlC steels:simplex and alloys strengthened by 相同.随着温度的升高NbC发生明显的粗化行为. nanoscale ordered carbides.Mater Sci Technol,2014,30(9): 达到1100℃时，大部分的NbC可回溶到铁素体基 1099 [5]Lilly A C,Deevi S C,Gibbs Z P.Electrical properties of iron alu- 体中 minides.Mater Sci Eng A,1998,258(1-2):42 (3)电解化学相分析结果表明，A!能够消耗试 [6]Rana R,Liu C,Ray R K.Low-density low-carbon Fe-Al ferritic 验钢中的O和N,可以有效避免Nb在冶炼及热处 steels.Scripta Mater,2013,68(6):354 理过程中的损耗，提高了Nb在试验钢中的收得率. [7]Ghosh S,Mula S.Thermomechanical processing of low carbon Nb- 由于Nb在高温铁素体中的扩散速率明显增加，因 Ti stabilized microalloyed steel:microstructure and mechanical properties.Mater Sci Eng A,2015,646:218 而高铝铁素体基体的NbC等温析出行为明显不同 [8]Hu H J,Xu G.Wang L,et al.The effects of Nb and Mo addition 于相同温度区间的奥氏体中析出行为，析出颗粒体 on transformation and properties in low carbon bainitic steels.Ma-刘鹏程等: Nb 在高铝铁素体钢中的固溶析出行为 见,随着温度的升高,Nb 在铁素体中的扩散系数逐 渐增大,因而析出的 NbC 尺寸在高温阶段要比低温 阶段大. 图7 给出了经1200 益固溶处理后冷却到不 同温度的第二相等温析出行为,由图可见,在 700 ~ 900 益 等温保温时,NbC 尺寸随着温度的增加而明 显增大,在 700 益保温 1 h 时,析出颗粒尺寸在 20 nm 左右,当温度升高到 800 益 ,其析出物尺寸增加到 50 nm 左右,密度明显降低,可以看出这时已经进入到 了过时效粗化阶段. 当温度增加到 900 益 时,由于 固溶度增加,析出物密度大大降低,同时析出颗粒尺 寸增加到 80 ~ 120 nm 之间,也就是说在高温阶段析 出相的颗粒尺寸明显要大于低温阶段,这与上述扩 散控制的转变机制相一致. 通过上述试验结果及理 论分析,高铝铁素体中的 NbC 析出固溶行为明显不 同于相同温度区间的奥氏体中固溶析出行为,因此 对于这一类钢种 Nb 的加入量以及阻碍晶粒长大作 用发挥的温度区间需要进行更细致和系统研究工作. 图 6 Thermo鄄鄄Calc 软件得到 Nb 和 C 在铁素体中的扩散系数 Fig. 6 Diffusion coefficient of Nb and C in ferrite calculated by Ther鄄 mo鄄鄄Calc 图 7 试验钢不同温度下的扫描电镜照片. (a)700 益 ; (b)800 益 ; (c)900 益 Fig. 7 SEM images of carbide precipitates in experimental steels held at different temperatures:(a) 700 益 ; (b) 800 益 ; (c) 900 益 3 结论 (1)通过计算得到 Al 与 Nb 的相互作用系数 为:着 Al Nb = - 0郾 361 + 72郾 621 / T. 表明 Al 能够降低 Nb 铁素体基体中的活度,提高其在基体中的固溶度. 在 Nb 及其碳化物的热力学性质基础上,利用热力 学推导得到 NbC 在高铝铁素体基体的固溶度积公 式可表示为:log(wNbC ) 琢 = 5郾 894 - 12267 / T. (2)在 NbC 的回溶过程中,随着再加热温度的 升高,铁素体基体中析出的 NbC 逐渐回溶,数量也 随之减少. 在 600 ~ 800 益 ,NbC 析出体积分数基本 相同. 随着温度的升高 NbC 发生明显的粗化行为. 达到 1100 益 时,大部分的 NbC 可回溶到铁素体基 体中. (3)电解化学相分析结果表明,Al 能够消耗试 验钢中的 O 和 N,可以有效避免 Nb 在冶炼及热处 理过程中的损耗,提高了 Nb 在试验钢中的收得率. 由于 Nb 在高温铁素体中的扩散速率明显增加,因 而高铝铁素体基体的 NbC 等温析出行为明显不同 于相同温度区间的奥氏体中析出行为,析出颗粒体 积分数明显增加,颗粒尺寸明显增大. 参 考 文 献 [1] Pramanik S, Koppoju S, Anupama A V, et al. Strengthening mechanisms in Fe鄄鄄 Al based ferritic low鄄density steels. Mater Sci Eng A, 2018, 712: 574 [2] Chen S P, Rana R, Haldar A, et al. Current state of Fe鄄鄄Mn鄄鄄Al鄄鄄 C low density steels. Prog Mater Sci, 2017, 89: 345 [3] Xu X Y, Li J Z, Wang X M, et al. Softening and recrystallization behavior of a new class of ferritic steel. J. Iron Steel Res Int, 2019, 26(2): 154 [4] Gutierrez鄄Urrutia I, Raabe D. High strength and ductile low densi鄄 ty austenitic FeMnAlC steels: simplex and alloys strengthened by nanoscale ordered carbides. Mater Sci Technol, 2014, 30 ( 9 ): 1099 [5] Lilly A C, Deevi S C, Gibbs Z P. Electrical properties of iron alu鄄 minides. Mater Sci Eng A, 1998, 258(1鄄2): 42 [6] Rana R, Liu C, Ray R K. Low鄄density low鄄carbon Fe鄄鄄Al ferritic steels. Scripta Mater, 2013, 68(6): 354 [7] Ghosh S, Mula S. Thermomechanical processing of low carbon Nb鄄鄄 Ti stabilized microalloyed steel: microstructure and mechanical properties. Mater Sci Eng A, 2015, 646: 218 [8] Hu H J, Xu G, Wang L, et al. The effects of Nb and Mo addition on transformation and properties in low carbon bainitic steels. Ma鄄 ·887·