高強(qiáng)度鋼筋中鈦化物誘導(dǎo)固溶體異質(zhì)形核研究

陳璐 李長榮 翟勇強(qiáng) 王劼 李正嵩 劉占林

摘 要：在鋼液的凝固過程中，鈦化物析出可能作為γ-Fe、α-Fe固溶體的異質(zhì)形核核心。采用二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度理論，對(duì)TiN、TiC析出物與γ-Fe、α-Fe固溶體的異質(zhì)形核有效性進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：在（100）面，TiN、TiC與α-Fe固溶體的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度分別為6.33%和8.13%， TiN、TiC能成為α-Fe固溶體的異質(zhì)形核核心，且TiN的形核有效性大于TiC;α-Fe在TiC上優(yōu)先形核;TiN、TiC不易成為γ-Fe的形核點(diǎn)。TiN、TiC在（110）面、（111）面不易成為γ-Fe、α-Fe固溶體的異質(zhì)形核核心。

關(guān)鍵詞：鈦化物;二維錯(cuò)配度;異質(zhì)形核核心;有效性

中圖分類號(hào)：TG111.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國大型鋼鐵企業(yè)為了降低高強(qiáng)度抗震鋼筋的生產(chǎn)成本，采用微合金元素Nb-V-Ti的協(xié)同強(qiáng)化作用與控軋控冷工藝相結(jié)合，提高鋼的強(qiáng)屈比[1-3]。強(qiáng)碳化物形成的Ti元素，在鋼液凝固過程中易和碳、氮形成大量彌散分布的碳化鈦和氮化鈦，其可以在細(xì)化組織的同時(shí)降低偏析[4-5]。發(fā)展具有高強(qiáng)度和良好韌性的鋼筋材料非常重要[6]。在鋼中加入微合金元素V、Ti，其碳氮化物起到晶粒細(xì)化、固溶、位錯(cuò)和沉淀硬化等機(jī)制提高鋼的強(qiáng)度[7]。有研究表明[8-10]，在鋼中加入微合金元素V、Ti，其析出物促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體在第二相粒子上優(yōu)先形核長大。

有關(guān)鈦化物誘導(dǎo)鐵基固溶體的異質(zhì)形，HONEYCOMBE等[11]研究表明沉淀物通常位于鐵素體的（100）平面上，最接近于與奧氏體/鐵素體的界面平行，成為有效的異質(zhì)形核。PRIKRYL等[12]研究表明，穩(wěn)定的TiN顆粒是最有效的微合金化沉淀顆粒，其在連鑄過程中對(duì)固溶體起到非均勻形核有效性。楊躍標(biāo)等[13]研究表明，鋼中第二相粒子以TiC的沉淀強(qiáng)化效果最為顯著。許峰云等[14]研究表明，在微合金鋼中，鈦能以碳化物、氮化物的形式析出，其析出物能細(xì)化鋼的晶粒組織，提高材料的強(qiáng)度和韌性，增強(qiáng)材料的性能。

本文通過二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度計(jì)算TiN、TiC與γ-Fe和α-Fe固溶體的錯(cuò)配度，找出TiN、TiC對(duì)γ-Fe和α-Fe固溶體的優(yōu)先形核規(guī)律，在鋼液凝固過程中形成鈦化物作為異質(zhì)核心，促進(jìn)鐵素體的形核和減少鈦的偏析，為鋼的控軋控冷工藝提供理論依據(jù)。

1 錯(cuò)配度計(jì)算

鈦化物主要促進(jìn)固溶體以非均勻形核為主，而形核相與基體相之間的晶體學(xué)位關(guān)系、形核基體的表面狀況、化學(xué)性質(zhì)等是影響基體相與形核相之間界面能的主要因素[15-17]。

Bramfitt在錯(cuò)配度的基礎(chǔ)上提出二維錯(cuò)配度（平面錯(cuò)配度）理論來描述基體相與形核相之間的晶體學(xué)位關(guān)系[18]，其能夠較好地反映出基體相與形核相之間不同晶面的匹配關(guān)系。二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度計(jì)算公式如下：

δ（hkl）s（hkl）n=∑3i=1di[uvw]scos θ-di[uvw]ndi[uvw]n×13×100% （1）

θ= u1u2+v1v2+w1w2 ?（u21+v21+w21）（u22+v22+w22） （2）

式中： （hkl）s、（hkl）n分別為形核劑、形核相的一個(gè)低指數(shù)晶面; [uvw]s、[uvw]n分別為（hkl）s、（hkl）n上的一個(gè)低指數(shù)晶向;d[uvw]s、d[uvw]n分別為[uvw]s、[uvw]n方向上的原子間距;θ為[uvw]s與[uvw]n的夾角。

二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度廣泛應(yīng)用于不同晶體結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系[19]。Bramfitt計(jì)算結(jié)果認(rèn)為：當(dāng)δ<6%時(shí)，核心在異質(zhì)形核中最為有效;當(dāng)6%≤δ≤12%時(shí)，核心在異質(zhì)形核的效用中等;當(dāng)δ>12%時(shí)，核心在異質(zhì)形核中無效。

通過計(jì)算鈦化物與固溶體之間的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度，分析其晶體學(xué)位相關(guān)系，找出鈦化物最有效的異質(zhì)形核點(diǎn)。以TiN、TiC為形核基底，γ-Fe、α-Fe為形核相計(jì)算其形核的有效性。其中，以TiC的（100）面、（110）面、（111）面與α-Fe（100）面、（110）面、（111）面的晶體學(xué)匹配關(guān)系，TiC與α-Fe在（100）面上的晶體取向關(guān)系以及TiC和α-Fe的晶體結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。

鈦化物與γ-Fe、α-Fe固溶體的晶體學(xué)參數(shù)見表1[20]。由式（2）計(jì)算出鈦化物與γ-Fe、α-Fe固溶體的錯(cuò)配度，結(jié)果見表2～5。

2 分析與討論

在（100）面上：由表3可知，TiC與α-Fe固溶體的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度為8.13%;由表5可知，TiN與α-Fe固溶體的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度為6.33%;TiC和TiN與α-Fe固溶體的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度均在6%～12%，說明TiC和TiN均能成為α-Fe固溶體的異質(zhì)形核核心，且α-Fe優(yōu)先在TiN上形核;TiN對(duì)α-Fe的形核有效性大于TiC對(duì)α-Fe的形核有效性。由表2～5可知：在（110）面、（111）面上，TiC、TiN和γ-Fe、α-Fe的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度分別為40.53%、23.54%和41.53%、24.81%，均大于12%;兩相之間形成非共格界面，導(dǎo)致彈性應(yīng)變能降低，界面能增大，說明TiC和TiN不易成為γ-Fe、α-Fe的異質(zhì)形核有效性，不易發(fā)生非均勻形核。

由于TiN和TiC在（110）面、（111）面上不能成為γ-Fe、α-Fe固溶體的形核有效性，但在鋼液連鑄的過程中，鈦化物在奧氏體晶界析出，釘扎其晶界，阻礙晶粒的長大;因此，過冷奧氏體發(fā)生組織轉(zhuǎn)變時(shí)，形成細(xì)小的鐵素體晶粒。控制鈦含量，鈦的析出物成為鐵素體的有效異質(zhì)核心，促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核，降低鈦在鐵素體晶界偏析，為后續(xù)控軋控冷工藝及微觀組織控制提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

（1）在鋼液的連鑄過程中，鈦的第二相在鋼中析出，其鈦化物可能成為鋼中γ-Fe、α-Fe固溶體的異質(zhì)形核核心。

（2）TiC和TiN在鐵素體基礎(chǔ)上析出的形狀均為圓形，而在晶界上析出的為不規(guī)則形狀。根據(jù)二維錯(cuò)配度理論計(jì)算， TiC和TiN的（100）面與α-Fe的（100）面的錯(cuò)配度為8.13%和6.33%，α-Fe均能在TiC、TiN上形核。α-Fe優(yōu)先在TiN上形核，TiN對(duì)α-Fe的形核有效性大于TiC對(duì)α-Fe的形核有效性。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract：

During the solidification process of molten steel， the precipitation of titanium compounds may serve as the heterogeneous nucleation core of γ-Fe and α-Fe solid solutions. The two-dimensional lattice mismatch theory is used to calculate the heterogeneous nucleation effectiveness of TiN， TiC precipitates and γ-Fe， α-Fe solid solutions. The results show that on the （100） plane， the two-dimensional lattice mismatch degrees of TiN， TiC and α-Fe solid solution are 6.33% and 8.13%， respectively. TiN and TiC can become the heterogeneous nucleation cores of α-Fe solid solution， and the nucleation efficiency of TiN is greater than that of TiC; α-Fe preferentially nucleates on TiC; TiN and TiC are not easy to become nucleation points of γ-Fe. TiN and TiC are not easy to become the heterogeneous nucleation cores of γ-Fe and α-Fe solid solutions on the （110） plane and （111） plane.

Key words：

titanide; two-dimensional mismatch; heterogeneous nucleation core; validity