郭宏钢，王　岩，曾　莉

（太原钢铁（集团）有限公司先进不锈钢材料国家重点实验室，山西　太原　０３０００３）

摘  要：采用规则溶液亚点阵模型建立了Ｆｅ－Ｎｂ－Ｔｉ－Ａｌ－Ｃ－Ｎ系统，分析了不同温度条件下，Ｘ８０管线钢中碳氮化物析出热力学行为。经实验验证，用此模型来预测管线钢中析出物的热力学析出行为具有良好的精度。

关键词：管线钢；碳氮化物；析出；模型

１前言

在板坯加热过程中，板坯中合金元素的回溶和析出行为将直接影响产品的最终性能。如

Ｎｂ、Ｔｉ等元素的碳氮化物第二相对阻止奥氏体晶粒长大起着非常重要的作用［１－３］。在不同的加热温度下，微合金元素形成的碳氮化物的分子式、析出物析出的体积以及各种微合金元素在板坯中的固溶量均不相同，深刻认识析出物的固溶析出规律，对制定加热和轧制工艺，以及了解析出物析出的动力学有着非常重要的作用。

２实验方法与结果

实验所用Ｘ８０管线钢的实际化学成分（质量百分数）为：ｗ（Ｃ）＝ ０．０５４％、

ｗ（Ｍｎ）＝１．９％、ｗ（Ｓｉ）＝０．２％、ｗ（Ｐ）＝ ０．００９５％、ｗ（Ｓ）＝０．００３％、ｗ（Ｎｂ）＝ ０．０９５％、ｗ（Ｖ）＝ ０．０３％、ｗ（Ｔｉ）＝ ０．０１４％、ｗ（Ｎ）＝ ０．００４％、ｗ（Ａｌ）＝０．０２２％，并添加Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ等合金元素。将铸坯放入１２００℃的加热炉内，待炉温回升至１２００℃时开始计时，保温１ｈ后取出迅速放入冰盐水中淬火，以保持元素的固溶态。在铸坯上取样进行化学相分析研究，分析各种元素的析出量以及析出物的化学组成。化学相分析委托国家钢铁材料测

试中心完成。

经测定，铸坯在１２００℃保温后，其化学式为（Ｎｂ０．４４６Ｔｉ０．４７９Ｍｏ０．０７５）（Ｃ０．３９９Ｎ０．６０１）。由表１及化学式测定结果来看，对于高温保温过程，元素中Ｎｂ析出量较少，Ｔｉ析出量相对较多，Ｃ析出量较少，Ｎ析出量较多。由于实验管线钢中Ｎｂ含量较高，所以在１２００℃保温以增加固溶Ｎｂ含量，使其在随后的精轧过程中应变诱导析出细小的ＮｂＣ粒子，对提高管线钢的综合性能起到非常有益的作用。

采用规则溶液亚点阵模型建立（Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）—ＡｌＮ析出物体系，用于计算分析析出物的析出过程。

３分析与讨论

３．１模型建立

由规则溶液亚点阵模型，建立体系为Ｆｅ－Ｎｂ－Ｔｉ－Ａｌ－Ｃ－Ｎ系统。根据热力学规律，Ａｌ元素不会与Ｃ元素反应生成碳化物，而只会与Ｎ元素反应生成ＡｌＮ。由 于

ＡｌＮ具 有 密 排 六 方 结 构，与ＮａＣｌ结构的（Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）不会发生互溶，所以在此析出物系统中，（Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）与ＡｌＮ可以看成两个析出过程，两者之间唯一的交互作用就是Ｎ元素。由于置换元素（Ｎｂ，Ｔｉ）和间隙元素（Ｃ，Ｎ）在合金中的质量分数非常少，所以它们在奥氏体中形成稀溶液，并且满足亨利定律。假设（Ｎ

ｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）符合理想化学配比，即碳氮化物中金属原子的数量等于间隙原子的数量，忽略间隙和金属空位。复合碳氮化物的化学式可以写成（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ），其中，ｘ、ｙ和ａ、ｂ分别为Ｎｂ、Ｔｉ和Ｃ、Ｎ在各自亚点阵中的摩尔分数，且ｘ＋ｙ＝１，ａ＋ｂ＝１。１ｍｏｌ碳氮化物（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）可以看作是二元碳化物和氮 化物的混合，即１ｍｏｌ（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）中含有ｘａ　ｍｏｌ的ＮｂＣ、ｘｂｍｏｌ的ＮｂＮ、ｙａ ｍｏｌ的ＴｉＣ、ｙｂ　ｍｏｌ的ＴｉＮ。这样，碳 氮 化 物（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）的 形 成 自 由 能为［４－６］：

方程（１５）～（２３）构成的非线性方程组中含有９个方程和９个未知数。表２为奥氏体中二元化合物的固溶度积［１１］。

３．２计算结果

通过热力学计算的复合（ＮｂｘＴｉｙ）（ＣａＮｂ）析出物的热力学析出变化规律如图１所示。

从图１可以看出，单纯从热力学方面考虑，Ｎｂ元素在１４５０～１２００℃温度区间内析出速度很小（图１ａ），Ｎｂ元素几乎全部处于固溶状态。在１２００℃时析出Ｎｂ的质量约占总Ｎｂ含量的百分数为２５％。Ｔｉ元素在１４５０～１２００℃温度区间内析出速度很快（图１ｂ），从１４５０℃时析出Ｔｉ的质量约 占 总Ｔｉ含 量 的９％变 化 到１２００℃时 的５３％。在１２００℃时，有一半以上的Ｔｉ呈析出状态。Ｃ元素在１４５０～１２００℃温度区间内析出速度极其缓慢（图１ｃ），在此温度区间内Ｃ元素几乎全部处于固溶状态。Ｎ元素在１４５０～１２００℃温度区间内析出速度非常快（图１ｄ），在１２００℃时，析出的Ｎ量达到了８４％。析出物中Ｎｂ元素和Ｃ元素所 占 原 子 分 数 随 温 度 的 降 低 而 增 加。在１２００℃平衡 析 出 碳 氮 化 物 的 化 学 式 为 （

Ｎｂ０．５９１Ｔｉ０．４０９）（Ｃ０．３８９Ｎ０．６１１）。由于ＭｏＣ析出物的晶格常数与ＮｂＣ更为接近，所以，如将实验测定化学式中Ｍｏ当做Ｎｂ来看待，则计算值与实验测定值吻合良好，用本文所建立模型来预测管线钢中析出物的热力学析出行为具有较好精度。

当温度低于１２００℃时，随着温度的降低，Ｎｂ元素的析出速度呈先升高而后再降低的势。Ｎｂ元素约在１１００～１１５０℃温度区间内具有最大的析出速度。Ｔｉ和Ｎ元素随着温度的降低，析出速度逐渐下降。析出的Ｃ元素、Ｎｂ／（Ｎｂ＋Ｔｉ）和Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）的原子随着温度的降低，其变化速度均呈先升高而后再降低的趋势。在温度为８００℃

平衡状态下，钢中的Ｎｂ、Ｔｉ和Ｎ元素均已全部析出。此 时 析 出 物 的 化 学 式 为 （

Ｎｂ０．８１７Ｔｉ０．１８３）（Ｃ０．８５７Ｎ０．１４３）。由此可见，析 出物主要 为ＮｂＣ。此类析出物一般都是在板材精轧过程中的位错线上应变诱导析出，析出物细小弥散，对提高板材的性能起到很强的促进作用。

４结论

采用规则溶液亚点阵模型建立了Ｆｅ－Ｎｂ－Ｔｉ－Ａｌ－Ｃ－Ｎ系统，分析了不同温度条件下，管线钢中碳氮化物析出热力学行为。经实验验证，用本文所建模型来预测管线钢中析出物的热力学析出行为具有较好精度。

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