耐海洋环境用钢磷偏聚机理及控制技术.doc

耐海洋环境用钢磷的偏聚机理和控制技术 序言 当今世界钢铁工业发展的方向之一是在降低性能价格比的条件下大幅度提高产品质量。产品质量的提高主要体现在性能和使用寿命两方面。提高钢铁材料性能和使用寿命的有效手段是钢材的高纯净度、超细晶粒和高均匀性，而钢材高均匀性的前提是合金元素宏观偏析的消除，即连铸坯铸态组织的均质化，通过连铸坯铸态组织的均质化，可从根本上解决钢材的高均匀性问题。其他方法，例如大变形量反复热加工、高温扩散退火等手段远不及铸态组织的均质化有效和经济。因此，消除铸坯的宏观偏析可以从根本上解决钢材的均匀性问题，是现代连铸技术发展和高品质钢铁材料生产的趋势，也是新一代钢铁材料基础研究的重要部分。近年来，在凝固偏析研究方面取得了突破性的进展，杰出的代表是Chalmer等人，提出了著名的成分过冷理论，Remings等人提出了局部溶质再分配方程等理论模型。技术上主要集中在连铸过程的轻压下[l]，电磁搅拌[2]等，用于解决连铸坯的中心偏析。 耐候钢是通过添加少量合金元素，使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。磷是提高耐候钢耐大气腐蚀性的主要合金元素，一般P含量在0.108%~0.115%时耐蚀性最佳[3]。当P与Cu联合加入钢中时，显示出更好的复合效应[4]。但磷元素又是易于偏析的元素，极大地影响了钢材的质量。因此，磷元素宏观偏析的消除可以大幅度提高耐候钢质量。 本实验的目的就是通过改变热轧温度，变形量，卷曲冷却速度，卷曲变形量等参数，利用俄歇能谱测定P偏聚程度。从而寻找降低P的偏聚的技术，提高耐海洋环境用钢的耐蚀性。 2.晶界非平衡偏聚的回顾与展望 2.1平衡偏聚和非平衡偏聚 元素(特别是微量元素)在晶界上的偏聚对工程材料的力学行为有着深刻的影响，多年来这一直是冶金工作者和材料科学工作者感兴趣的问题.例如，引起沿晶脆断的原因有回火脆、蠕变空洞降、应力释放开裂和晶间应力腐蚀开裂等，已经证实微量元素As，P，sn和sb在晶界上的偏聚对这些问题起作用，少量se，Te，Ge和Bi等元素对材料的力学性能有害。也发现有些元素在晶界上的偏聚会给材料的力学性能带来有益的影响，如微量硼在晶界的偏聚可以提高钢的淬透性，提高耐热钢与合金高温强度和蠕变性能等[5].因此研究元素在晶界上的偏聚有着重要的实际意义. 晶界偏聚现象主要可以分为两类:平衡偏聚和非平衡偏聚.平衡偏聚现象是一种热力学平衡现象，当溶质原子与晶界之间有相互作用时，就会在晶界上产生溶质富集(或贫化)现象.其主要特点是:富集程度只取决于系统平衡参数，与材料经历的历史过程无关，因此随系统参数的变化可以完全重复或可逆(即消失与产生).这种偏聚的溶质局限于很窄的晶界结构混乱范围(即2一3个原子层)内，一定温度下有一定的平衡偏聚量，随温度升高，偏聚量下降.在较快的加热或冷却过程中，偏聚量有一个达到平衡值的过程.已经发展起来的Melean[6]理论和多元系euttmann理论. (1)M clean理论 1957年,M clean将Lanmuir吸附理论用以计算金属中晶界处的偏聚。该理论可以用于M-I(金属-杂质)二元固溶体。M clean方程按下式计算晶界处溶质浓度: （1） 式中 --晶界处偏聚溶质浓度； --单层晶界偏聚浓度的饱和浓度； --偏聚原宿的体浓度； --溶质元素的摩尔自由能； R--气体常数； T--绝对温度。 从式1中可以看出,偏聚浓度随温度的升高而降低,随溶质含量的降低而降低。M clean理论考虑了杂质晶界浓度、温度以及成分的关系,缺点是未考虑偏聚元素间的交互作用。 (2)Guttmann模型 Guttmann在前人工作的基础上,发展了平衡偏聚理论,考虑了合金元素的影响,建立了Fe-M-I三元体系(溶质、合金元素和杂质),得出了公式如下: (2) (3) 式中 --Fe-I间的交互作用系数； --M-I间的交互作用。 由于引入了交互作用系数,从而考虑了合金元素和杂质之间的吸引或排斥作用。Guttmann 模型很好地解释了三元体系中复杂的偏聚行为,尤其适合解释合金与杂质元素间竞争偏聚位置时的偏聚,在研究低合金钢回火脆性,尤其是磷的偏聚行为时得到了广泛的应用。该模型的缺陷是只建立在最近邻相似的基础上。 尽管有关平衡偏聚的公式很多,但都离不开热力学数据,它们的共同特征是含有能量/温度的负指数关系,其驱动力是降低界面自由能,特征是偏聚量显著,但是范围仅限于2～3个原子层内。平衡偏聚的典型应用是分析解释钢的回火脆性问题。 非平衡偏聚是一种动力学过程(也有人称为动态偏聚)，是指由于各种外界因素(如温度、应力、辐照等)的变化引起某种溶质原子在晶界(或相界)的化学位不同，从而造成元素再分布的现象.这时，溶质原子会富