高強度鋼筋中鈦化物誘導固溶體異質形核研究

陳 璐，李長榮*，翟勇強，王 劼，李正嵩，劉占林

(1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省冶金工程與過程節(jié)能重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司，貴州 六盤水 553000)

我國大型鋼鐵企業(yè)為了降低高強度抗震鋼筋的生產成本，采用微合金元素Nb-V-Ti的協(xié)同強化作用與控軋控冷工藝相結合，提高鋼的強屈比[1-3]。強碳化物形成的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，其可以在細化組織的同時降低偏析[4-5]。發(fā)展具有高強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化、固溶、位錯和沉淀硬化等機制提高鋼的強度[7]。有研究表明[8-10]，在鋼中加入微合金元素V、Ti，其析出物促進晶內鐵素體在第二相粒子上優(yōu)先形核長大。

有關鈦化物誘導鐵基固溶體的異質形，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，其在連鑄過程中對固溶體起到非均勻形核有效性。楊躍標等[13]研究表明，鋼中第二相粒子以TiC的沉淀強化效果最為顯著。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，其析出物能細化鋼的晶粒組織，提高材料的強度和韌性，增強材料的性能。

本文通過二維點陣錯配度計算TiN、TiC與γ-Fe和α-Fe固溶體的錯配度，找出TiN、TiC對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核心，促進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 錯配度計算

鈦化物主要促進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位關系、形核基體的表面狀況、化學性質等是影響基體相與形核相之間界面能的主要因素[15-17]。

Bramfitt在錯配度的基礎上提出二維錯配度(平面錯配度)理論來描述基體相與形核相之間的晶體學位關系[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系。二維點陣錯配度計算公式如下：

(1)

(2)

式中： (hkl)s、(hkl)n分別為形核劑、形核相的一個低指數(shù)晶面； [uvw]s、[uvw]n分別為(hkl)s、(hkl)n上的一個低指數(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。

二維點陣錯配度廣泛應用于不同晶體結構的匹配關系[19]。Bramfitt計算結果認為：當δ<6%時，核心在異質形核中最為有效；當6%≤δ≤12%時，核心在異質形核的效用中等；當δ>12%時，核心在異質形核中無效。

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

圖1 TiC與α-Fe的晶體學匹配Fig.1 Crystal matching of TiC and α-Fe

圖2 TiC與α-Fe在(100)面上的晶體取向關系Fig.2 The crystal orientation relationship of TiC and α-Fe on (100) plane

圖3 TiC和α-Fe晶體結構Fig.3 Crystal structure of TiC and α-Fe

鈦化物與γ-Fe、α-Fe固溶體的晶體學參數(shù)見表1[20]。由式(2)計算出鈦化物與γ-Fe、α-Fe固溶體的錯配度，結果見表2～5。

表1 鈦化物和γ-Fe、α-Fe的晶體學參數(shù)Tab.1 Crystallographic parameters of titanium compounds and γ-Fe、α-Fe

表2 TiC與γ-Fe固溶體的錯配度計算Tab.2 Calculation of mismatch degree between TiC and γ-Fe solid solution

表3 TiC與α-Fe固溶體的錯配度計算Tab.3 Calculation of mismatch degree between TiC and α-Fe solid solution

表4 TiN與γ-Fe固溶體的錯配度計算Tab.4 Calculation of mismatch degree between TiN and γ-Fe solid solution

2 分析與討論

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

表5 TiN與α-Fe固溶體的錯配度計算Tab.4Calculation of mismatch degree between TiN and α-Fe solid solution

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)生組織轉變時，形成細小的鐵素體晶粒。控制鈦含量，鈦的析出物成為鐵素體的有效異質核心，促進晶內鐵素體形核，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固溶體的異質形核核心。

(2)TiC和TiN在鐵素體基礎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)二維錯配度理論計算， TiC和TiN的(100)面與α-Fe的(100)面的錯配度為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α-Fe的形核有效性大于TiC對α-Fe的形核有效性。