D01:10.13374j.isml00103x2006.09.004 第28卷第9期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 9 2006年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2006 低碳钢碳氨析出物的热力学计算 向嵩刘国权李长荣王安东 韩庆礼 北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 摘要钢中的碳氮析出物通过细晶强化和析出强化方式对钢的力学性能有非常重要的作用.基 于规则溶液的双亚点阵模型（其中一个为金属亚点阵，另一个为间隙原子亚点阵）建立了碳氮化 钛，氮化铝以及硫化锰的热力学计算模型用以研究析出物的析出开始温度、给定温度的奥氏体成 分，并将这一结果应用于CSP过程.经计算得Ti(CxN1-x),MnS和AN的析出温度分别是I200 ℃，1440℃和1010℃，最大的体积分数分别为2.315×10一5,4.18×104和31X104.对比发现 热力学的计算结果与Thermo一Calc的计算结果和有关文献的实验数据有较好的一致性. 关键词低碳钢：碳氮化物：热力学模型：CSP 分类号TG142.3上04141 钢中析出的大量细小碳化物、氮化物、碳氮化 年递增.相比于传统工艺，CSP工艺生产的钢具 物以及硫化物通过细晶强化和析出强化方式提高 有更高的强度，析出强化被认为是最主要的强化 或影响钢的力学性能.在高温奥氏体化处理过程 机制.目前对C$P流程中析出物的研究仅仅局限 中这些析出物能大大提高阻止晶粒长大的能力. 于析出相的观察和现象描述上，对析出热力学缺 此外，控制轧制过程中奥氏体中的析出物能有效 乏更深层次的理论分析和定量化研究8-0.材料 阻止奥氏体的再结晶，从而在奥氏体晶粒受到变 热力学的目的在于揭示材料中的相和组织的形成 形时形变成大量扁平组织以形核成更细小的晶 规律.尽管CSP过程是非平衡的动态过程，但是 粒.因此，在奥氏体温度范围内，受热力学平衡控 可以利用材料热力学的计算结果对CSP流程中 制的奥氏体的组成，碳氮化物的数量、成分及分布 的现象进行解释并对其进行定量化研究. 对钢的显微组织和性能起着至关重要的作用. 本文建立了析出物体系Ti(CxN-x)一AN一 很多学者建立了高强低合金(HSLA)或高强 MS的热力学模型以计算给定温度的析出物成 微合金的析出物热力学计算模型1可.这些模型 分、摩尔分数.该模型是基于规则溶液的双亚点 己经成功应用于奥氏体分解过程中析出物的成分 阵模型，其中一个是金属亚点阵，另一个是间隙原 和摩尔分数的计算.涉及到的析出物体系有 子亚点阵；假定溶液为稀溶液并且溶质的活度遵 (MMx)(CN>)-AIN!,(M3 M) 循亨利定律. (C,N-)3和Ti(CwN-)一MnS-Ti4C2S习，其 中M'和M是金属原子，x和y分别是金属原子 1热力学模型 和间隙原子的摩尔分数， 研究的体系为Fe一M一Ti一A一C-N-S.研 自1989年第一条CSP(compact strip produc- 究表明含Ti钢中一般都会有析出物Ti(CN)生 tion)生产线在美国纽柯(Nucor)投产以来，CSP 成.本文主要研究Ti,AlMn三种合金元素 生产工艺由于其低能耗、低成本，短流程等优点在 及它们的碳化物、氮化物和硫化物.正如上所述， 现代钢铁企业得到了广泛的发展，到2004年为止 金属原子和间隙原子构成稀溶液并且它们的活度 全球己建成54条薄板坯生产线，其中我国已建成 遵循亨利定律.金属原子Ti与C和N都有很强 投产7条生产线刀.CSP生产的热轧薄带产量每 的结合力且通常都会形成碳氮化钛.不考虑空位 收稿日期：2005-06-15修回日期.200605-29 原子的情况下，碳氮化钛化学式为Ti(CxN1-x) 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na50334010. (0<<1)1习.碳氮化物的成分和数量取决于 50271009) 作者简介：向嵩(1979一），男，博士研究生：刘国权(1952一)， 钢种成分和奥氏体温度.此外，相关文献报道低 男.教授，博士 碳钢中有氮化铝和硫化锰析出物4响.依据热力低碳钢碳氮析出物的热力学计算 向 嵩 刘国权 李长荣 王安东 韩庆礼 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 钢中的碳氮析出物通过细晶强化和析出强化方式对钢的力学性能有非常重要的作用.基 于规则溶液的双亚点阵模型( 其中一个为金属亚点阵, 另一个为间隙原子亚点阵) 建立了碳氮化 钛、氮化铝以及硫化锰的热力学计算模型用以研究析出物的析出开始温度、给定温度的奥氏体成 分, 并将这一结果应用于 CSP 过程.经计算得 Ti( C xN1 -x ) , MnS 和 AlN 的析出温度分别是 1 200 ℃, 1 440 ℃ 和1 010 ℃, 最大的体积分数分别为 2.315 ×10 -5 , 4.18×10 -4和 3.1×10 -4 .对比发现 热力学的计算结果与 Thermo-Calc 的计算结果和有关文献的实验数据有较好的一致性. 关键词 低碳钢;碳氮化物;热力学模型;CSP 分类号 TG 142.31;O 414.1 收稿日期:2005 06 15 修回日期:2006 05 29 基金 项目:国 家 自 然 科 学 基 金 资 助项 目 ( No.50334010, 50271009) 作者简介:向 嵩( 1979—) , 男, 博士研究生;刘国权( 1952—) , 男, 教授, 博士 钢中析出的大量细小碳化物、氮化物、碳氮化 物以及硫化物通过细晶强化和析出强化方式提高 或影响钢的力学性能 .在高温奥氏体化处理过程 中这些析出物能大大提高阻止晶粒长大的能力. 此外, 控制轧制过程中奥氏体中的析出物能有效 阻止奥氏体的再结晶, 从而在奥氏体晶粒受到变 形时形变成大量扁平组织以形核成更细小的晶 粒.因此, 在奥氏体温度范围内, 受热力学平衡控 制的奥氏体的组成, 碳氮化物的数量、成分及分布 对钢的显微组织和性能起着至关重要的作用 . 很多学者建立了高强低合金( HSLA) 或高强 微合金的析出物热力学计算模型[ 1 6] .这些模型 已经成功应用于奥氏体分解过程中析出物的成分 和摩尔分数的计算.涉及到的析出物体系有 ( M′xM″1-x ) ( CyN1 -y ) -AlN [ 1] , ( M′x M″1-x ) ( CyN1-y ) [ 2] 和 Ti( CyN1-y ) -MnS-Ti4C2S2 [ 3] , 其 中M′和 M″是金属原子, x 和y 分别是金属原子 和间隙原子的摩尔分数. 自 1989 年第一条CSP( compact strip produc￾tion) 生产线在美国纽柯( Nucor) 投产以来, CSP 生产工艺由于其低能耗、低成本、短流程等优点在 现代钢铁企业得到了广泛的发展, 到 2004 年为止 全球已建成 54 条薄板坯生产线, 其中我国已建成 投产 7 条生产线 [ 7] .CSP 生产的热轧薄带产量每 年递增.相比于传统工艺, CSP 工艺生产的钢具 有更高的强度, 析出强化被认为是最主要的强化 机制 .目前对CSP 流程中析出物的研究仅仅局限 于析出相的观察和现象描述上, 对析出热力学缺 乏更深层次的理论分析和定量化研究[ 8 10] .材料 热力学的目的在于揭示材料中的相和组织的形成 规律 .尽管 CSP 过程是非平衡的动态过程, 但是 可以利用材料热力学的计算结果对 CSP 流程中 的现象进行解释并对其进行定量化研究 . 本文建立了析出物体系 Ti( C xN1-x ) -AlN - MnS 的热力学模型以计算给定温度的析出物成 分、摩尔分数 .该模型是基于规则溶液的双亚点 阵模型, 其中一个是金属亚点阵, 另一个是间隙原 子亚点阵;假定溶液为稀溶液并且溶质的活度遵 循亨利定律. 1 热力学模型 研究的体系为 Fe-M n-Ti -Al-C-N-S .研 究表明含 Ti 钢中一般都会有析出物 Ti( CN) 生 成[ 5] .本文主要研究 Ti, Al, Mn 三种合金元素 及它们的碳化物、氮化物和硫化物 .正如上所述, 金属原子和间隙原子构成稀溶液并且它们的活度 遵循亨利定律 .金属原子 Ti 与 C 和 N 都有很强 的结合力且通常都会形成碳氮化钛 .不考虑空位 原子的情况下, 碳氮化钛化学式为 Ti( C xN1 -x ) (0 <x <1) [ 1 3] .碳氮化物的成分和数量取决于 钢种成分和奥氏体温度 .此外, 相关文献报道低 碳钢中有氮化铝和硫化锰析出物[ 4 6] .依据热力 第 28 卷 第 9 期 2006 年 9 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.9 Sep.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.09.004