模具钢钛化合物固溶热力学和动力学分析(附件)【字数：13159】
钢中第二相的合理掌控是提高钢铁材料的综合性能的有效途径，而第二相的控制要点在于正确掌握第二相在奥氏体中的固溶过程。微合金钢在钢铁材料中占据重要地位，通过添加合适量的铌、钒、钛等微合金元素来形成具有特定功能的第二相组织是制备各种成本低、强度高、且具有特殊性能的微合金钢产品的常用方法。钢中的合金元素含量较高，对模具钢内部固溶热力学与动力学影响机制较为复杂。以热力学理论为基础多元第二相计算并不多见，尤其是其V、Cr等元素对钛化合物固溶的热力学分析并未发现。本文通过对钢中钛化合物的固溶度计算、微合金元素对钛化合物固溶热力学计算、复合碳化物固溶动力学的计算，研究微合金化元素对第二相固溶热力学与动力学的影响，从冶金物理化学和传输原理层面探索了模具钢组成元素在固溶过程的耦合作用。从热力学计算结果可以看出，当钢中碳含量和氮含量不变时，固溶钛量随着温度增加而增加；当温度相同时，固溶钛量随钢中钛含量增加而显著增加。固溶温度相同时，随着Cr、Mo、V元素含量的增加，TiN和TiC在奥氏体中的固溶积也增大。从动力学计算结果可以看出，复合碳化物颗粒的平均半径和固溶量百分比随着奥氏体化温度的增加也逐渐增加，而剩余复合碳化物体积分数却逐渐减小。如果在不同温度下保温时间为30 min，那么复合碳化物颗粒的固溶速率和粗化速率都随着奥氏体化温度的增加而逐渐增加，并且粗化速率增加的更快。 关键词微合金化钢，钛化合物，固溶度积，全固溶温度，粗化
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2微合金化钢的发展 1
1.2.1微合金钢的概念 1
1.2.2 Cr微合金化钢的发展 2
1.2.3 V微合金化钢的发展 3
1.2.4 Mo微合金化钢的发展 3
1.3 Ti微合金化钢 4
1.4微合金化元素形成第二相固溶过程 5
1.5课题研究的内容及研究意义 8
第二章 钛化合物固溶热力学计算 9
2.1二元第二相全固溶温度的计算 9
2.2计算钛化合物固溶热力学 10
2.3固溶合金元素对钛化合物固溶热力学的影响 13
2.3.1 Mo对钛化合物的固溶热力学影响 13
2.3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2 Cr对钛化合物的固溶热力学影响 15
2.3.3 V对钛化合物的固溶热力学影响 17
2.4利用软件数值模拟钛化合物固溶热力学 19
第三章 复合碳化物固溶动力学计算 23
3.1复合碳化物颗粒固溶 23
3.2复合碳化物颗粒粗化 24
3.3复合碳化物颗粒固溶与粗化速率 26
3.3.1 固溶速率 26
3.3.2 粗化速率 28
3.4复合碳化物颗粒固溶与粗化过程的计算 30
结论 34
致谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1引言
模具钢生产水平的高低渐渐地成为衡量国家制造业水平的重要标志，在世界模具钢产值中，我国模具钢生产水平在世界范围内已经很高，而且国内模具钢的用途也越来越广泛。根据工作时的环境模具钢可被大致分为热作模具钢和冷作模具钢两大类，其中热作模具钢的工作条件更为恶劣。钢中的合金元素（Cr、Si、Mn、Mo、V）等含量较高，对模具钢内部固溶热力学与动力学影响机制较为复杂。而我国目前的研究多集中在碳氮化合物析出热力学与动力学以及模具钢的组织结构的分析，在固溶热力学和动力学方面研究甚少。而我国对模具钢的技术引入和开发的力度不强，因此国产模具钢在质量、性能等方面往往差强人意，再加上由于生产技术不成熟使国产模具钢产品的生产成本远远高于国外， 所以每年我国都要从国外大量进口模具钢材， 这是我国材料与冶金企业迫切需要改进的重要环节。
1.2 微合金化钢的发展
1.2.1 微合金钢的概念
上个世纪6070年代是微合金化钢的理论机制和生产技术发展的重要时期。从80年代到如今，微合金化钢产品的生产得到了极大的改进，尤其从90年代往后大部分的世界钢铁生产国都陆续制定和实施新型材料的研发工作，在微合金化领域获得了极大的进步。微合金化钢在上世纪末进入了全速发展时期，因此钢铁材料未来研究的发展核心也渐渐地向微合金化钢技术靠拢。由于微合金化钢快速更新发展，新的微合金化技术理论陆续被发现并且得到完善，微合金化钢技术的应用范围逐渐从旧流程向短中期流程转变，微合金化钢在工业生产中的使用领域也非常广泛。所以微合金化钢的产量和在工业生产中的应用领域成为了钢铁材料发展的重要判断依据。所谓“微合金化”，就是指在钢铁材料中加入适量的微合金化形成元素，通常质量分数都不大于0.1%。加入到钢中微合金化元素会与铁基体产生固溶反应对钢铁材料的组织结构和性能产生很大的影响。总之，微合金化钢是指由一种或几种碳氮化物形成元素所形成的钢种。通常微合金化元素是指Nb、V、Ti等金属元素。钢铁材料中大部分的合金元素主要固溶于铁基体形成微合金碳氮化物M(C,N)，对奥氏体晶粒固溶和粗化行为产生了巨大的影响。所以通过控制轧制技术来调节奥氏体再结晶获得细小的基体组织，其产生的固溶强化和细晶强化作用可以改善钢材强韧性、焊接性、成形性。
1.2.2 Cr微合金化钢的发展
钢中合金元素铬的作用与加入量的多少有关。铬在钢中有通常如下几种作用：（1）提高钢的强度和硬度；（2）提高钢的耐高温性能；（3）使钢具有良好的抗腐蚀性能和抗热疲劳性能；（4）Cr属于阻碍石墨化的元素；（5）提高钢的淬透性，减小工件的淬火变形；但也有提高钢的脆性转变温度、增加钢的回火脆性和易形成白口倾向的缺点。Fe、Cr、Ni是奥氏体不锈钢主要的三个基础构成元素，尤其是合金元素Cr和Ni的合理搭配，FeCrNi 三元合金系和在该三元系的基础上加入其它微量元素构成的合金可以在室温下仍然维持奥氏体基体属性。
Cr还可以与C元素形成亲和力中等的碳化物，该碳化物在加热时溶入奥氏体中可显著提高钢的淬透性。钢中Cr元素既能置换铁原子与碳结合形成合金渗碳体，提高热稳定性，又能溶入铁素体产生固溶强化作用来提高铁素体的强度和硬度。Cr与其它微合金元素合理搭配，可以有效地阻碍珠光体转变，使钢更容易获得贝氏体组织。
国外的Consuelo A和Caldera[1]等人研究铬对两种低碳含铌钢(0.07%C、0.04%Nb 和0.03%C、0.03%Nb)在轧制状态和淬火状态下的力学性能，研究表明：铬可以提高钢铁材料的屈服强度和抗拉强度，但使韧塑性明显下降，随着铬加入量增加，铁素体量随之减少。在前一种钢中，当Cr的含量从1.5%增加到4.2%，之后再加热到1420K，接着在空气中冷却，产生的屈服强度由400MPa增大到810MPa；而在后一种钢中，Cr的含量从0.18%增加到1.8%，钢的屈服强度、抗拉强度先提高后减小，在1.5%左右强度达到最大值。
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2微合金化钢的发展 1
1.2.1微合金钢的概念 1
1.2.2 Cr微合金化钢的发展 2
1.2.3 V微合金化钢的发展 3
1.2.4 Mo微合金化钢的发展 3
1.3 Ti微合金化钢 4
1.4微合金化元素形成第二相固溶过程 5
1.5课题研究的内容及研究意义 8
第二章 钛化合物固溶热力学计算 9
2.1二元第二相全固溶温度的计算 9
2.2计算钛化合物固溶热力学 10
2.3固溶合金元素对钛化合物固溶热力学的影响 13
2.3.1 Mo对钛化合物的固溶热力学影响 13
2.3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2 Cr对钛化合物的固溶热力学影响 15
2.3.3 V对钛化合物的固溶热力学影响 17
2.4利用软件数值模拟钛化合物固溶热力学 19
第三章 复合碳化物固溶动力学计算 23
3.1复合碳化物颗粒固溶 23
3.2复合碳化物颗粒粗化 24
3.3复合碳化物颗粒固溶与粗化速率 26
3.3.1 固溶速率 26
3.3.2 粗化速率 28
3.4复合碳化物颗粒固溶与粗化过程的计算 30
结论 34
致谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1引言
模具钢生产水平的高低渐渐地成为衡量国家制造业水平的重要标志，在世界模具钢产值中，我国模具钢生产水平在世界范围内已经很高，而且国内模具钢的用途也越来越广泛。根据工作时的环境模具钢可被大致分为热作模具钢和冷作模具钢两大类，其中热作模具钢的工作条件更为恶劣。钢中的合金元素（Cr、Si、Mn、Mo、V）等含量较高，对模具钢内部固溶热力学与动力学影响机制较为复杂。而我国目前的研究多集中在碳氮化合物析出热力学与动力学以及模具钢的组织结构的分析，在固溶热力学和动力学方面研究甚少。而我国对模具钢的技术引入和开发的力度不强，因此国产模具钢在质量、性能等方面往往差强人意，再加上由于生产技术不成熟使国产模具钢产品的生产成本远远高于国外， 所以每年我国都要从国外大量进口模具钢材， 这是我国材料与冶金企业迫切需要改进的重要环节。
1.2 微合金化钢的发展
1.2.1 微合金钢的概念
上个世纪6070年代是微合金化钢的理论机制和生产技术发展的重要时期。从80年代到如今，微合金化钢产品的生产得到了极大的改进，尤其从90年代往后大部分的世界钢铁生产国都陆续制定和实施新型材料的研发工作，在微合金化领域获得了极大的进步。微合金化钢在上世纪末进入了全速发展时期，因此钢铁材料未来研究的发展核心也渐渐地向微合金化钢技术靠拢。由于微合金化钢快速更新发展，新的微合金化技术理论陆续被发现并且得到完善，微合金化钢技术的应用范围逐渐从旧流程向短中期流程转变，微合金化钢在工业生产中的使用领域也非常广泛。所以微合金化钢的产量和在工业生产中的应用领域成为了钢铁材料发展的重要判断依据。所谓“微合金化”，就是指在钢铁材料中加入适量的微合金化形成元素，通常质量分数都不大于0.1%。加入到钢中微合金化元素会与铁基体产生固溶反应对钢铁材料的组织结构和性能产生很大的影响。总之，微合金化钢是指由一种或几种碳氮化物形成元素所形成的钢种。通常微合金化元素是指Nb、V、Ti等金属元素。钢铁材料中大部分的合金元素主要固溶于铁基体形成微合金碳氮化物M(C,N)，对奥氏体晶粒固溶和粗化行为产生了巨大的影响。所以通过控制轧制技术来调节奥氏体再结晶获得细小的基体组织，其产生的固溶强化和细晶强化作用可以改善钢材强韧性、焊接性、成形性。
1.2.2 Cr微合金化钢的发展
钢中合金元素铬的作用与加入量的多少有关。铬在钢中有通常如下几种作用：（1）提高钢的强度和硬度；（2）提高钢的耐高温性能；（3）使钢具有良好的抗腐蚀性能和抗热疲劳性能；（4）Cr属于阻碍石墨化的元素；（5）提高钢的淬透性，减小工件的淬火变形；但也有提高钢的脆性转变温度、增加钢的回火脆性和易形成白口倾向的缺点。Fe、Cr、Ni是奥氏体不锈钢主要的三个基础构成元素，尤其是合金元素Cr和Ni的合理搭配，FeCrNi 三元合金系和在该三元系的基础上加入其它微量元素构成的合金可以在室温下仍然维持奥氏体基体属性。
Cr还可以与C元素形成亲和力中等的碳化物，该碳化物在加热时溶入奥氏体中可显著提高钢的淬透性。钢中Cr元素既能置换铁原子与碳结合形成合金渗碳体，提高热稳定性，又能溶入铁素体产生固溶强化作用来提高铁素体的强度和硬度。Cr与其它微合金元素合理搭配，可以有效地阻碍珠光体转变，使钢更容易获得贝氏体组织。
国外的Consuelo A和Caldera[1]等人研究铬对两种低碳含铌钢(0.07%C、0.04%Nb 和0.03%C、0.03%Nb)在轧制状态和淬火状态下的力学性能，研究表明：铬可以提高钢铁材料的屈服强度和抗拉强度，但使韧塑性明显下降，随着铬加入量增加，铁素体量随之减少。在前一种钢中，当Cr的含量从1.5%增加到4.2%，之后再加热到1420K，接着在空气中冷却，产生的屈服强度由400MPa增大到810MPa；而在后一种钢中，Cr的含量从0.18%增加到1.8%，钢的屈服强度、抗拉强度先提高后减小，在1.5%左右强度达到最大值。
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