低合金钢相间析出机制及热变形的影响

The aligned array precipitation of dispersive nanometer-sized carbides during ferrite transformation is an effective way to enhance the strength of low alloy steels. However, theoretical study should be carried out to investigate the influence of chemical composition, temperature and hot deformation on the kinetics of interphase precipitation. The present research aims to study the interphase precipitation behavior during the high-temperature ferrite transformation in Nb-bearing, Ti-bearing and Mo-Ti bearing alloys. Dilatometer, 3DAP and TEM are conducted to reveal the coupling interaction among the elements segregation, advance of interphase boundary and carbide precipitation, and further analyze the effects of hot deformation on interphase transformation. Based on the Gibbs Energy Balance model and the aided analysis by ThermoCalc and Dictra software, a model would be proposed to quantify the influences of solute drag effect and hot deformation on the passage of interphase and kinetics of carbide precipitation to elucidate the physical nature of interphase precipitation. The outcome of this work can contribute to a better understanding of coupled phase transformation between ferrite transformation and carbide precipitation. It can also provide theoretical and experimental basis for organization design and property control on steel products.

在铁素体/奥氏体相界面析出阵列式的弥散纳米碳化物是目前提高低合金钢强度的重要手段，然而合金成分、温度及热变形对于相间析出动力学的影响仍缺乏系统的理论研究，针对其析出的物理机制仍然存在争议。本课题旨在通过对含Nb、Ti及Mo-Ti等元素的合金钢在高温铁素体相变中的相间析出行为进行研究，结合热膨胀仪、三维原子探针及透射电镜深入分析相界面迁移、元素偏聚与碳化物析出的耦合相互作用，并进一步探究热变形对相间析出热动力学的影响。在相界能量平衡模型的基础上，结合ThermoCalc、Dictra等软件的辅助分析，构建模型量化溶质拖曳效应及热变形对界面移动及碳化物析出动力学的影响，阐明相间析出的物理本质。本课题的研究成果可进一步加深人们对于“铁素体相变和碳化物析出的耦合型相变”的理解，为钢铁材料的组织设计、性能调控提供理论和实验依据。

固态相变是调控材料微观组织的重要手段，向钢中添加合金元素可显著改变相变热动力学，进而影响组织和性能。在铁素体/奥氏体相界面析出阵列式的弥散纳米碳化物是目前提高低合金钢强度的重要手段，相比于元素配分，元素偏聚与析出对钢中铁素体/奥氏体界面迁移行为的影响更为复杂，然而合金成分、温度及热变形对于相间析出动力学的影响仍缺乏系统的理论研究，针对其析出的物理机制仍然存在争议。本项目旨在通过对含Nb、Ti及Mo-Ti等元素的合金钢在高温铁素体相变中的相间析出行为进行研究。. 本项目通过设计循环相变实验系统研究了移动α/γ界面与纳米相间析出NbC间的交互作用，并结合吉布斯自由能守恒模型定量估算了钉扎力。研究表明起始奥氏体（或铁素体）相变温度的滞后源于相间析出NbC对相界面的钉扎作用，其对应的能量耗散值与经典Zener理论的预测值相当。此外，通过等温热处理实验深入探讨了Fe-0.1C-(0, 0.03, 0.06)Nb合金在750~850℃下的铁素体相变动力学，结果表明Nb在非共格α/γ界面上的偏聚是引起相变动力学变缓的主要原因；同时，伴随相间析出，NbC可通过消耗铁素体中固溶Nb含量来削弱溶质拖曳效应，从而改变相变动力学。最后，通过对一系列含Ti-Mo低碳的相间析出行为系统研究，发现在含钼合金中形成的(Ti, Mo)C析出物中Mo的位置分数几乎与整体Mo含量无关，并且通过少量添加Mo可以显着提高相间析出物的数密度。这是因为Mo在(Ti, Mo)C的含量决定了析出形核的驱动力和(Ti, Mo)C/α以及(Ti, Mo)C/γ界面的界面能。. 基于以上研究成果，可进一步加深人们对元素偏聚、碳化物析出与界面迁移间耦合作用机制的理解，阐明影响相变动力学的主导因素，丰富近代物理冶金知识，为钢铁材料的微观组织调控和力学性能优化提供实验和理论支持。