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微合金元素在310S不锈钢管中的作用

来源:至德钢业 日期:2019-10-17 16:42:27 人气:23

合金化 的物理本质是通过元素的固溶和固态反应,影响组织和微结构,从而在不锈钢中获得期望的性能。而微合 金化是指这些元素在钢中的含量很低,通常低于0.1%。但不同 于不需要的残余元素,而是有目的加入,以改善钢材的性能。有效和 合理地使用微合金化元素,可以通 过形变热处理来提高钢的强度和韧性。了解这 些微合金化元素的基本行为,如溶解性、碳氮化 物的沉淀析出等行为是非常重要的。310S不锈钢管中实际 可利用的微合金元素主要为NbVTiZr等。

NbTiZrW等微合金元素在310S不锈钢管中的存 在形式主要有两种:固溶和化合物。其中,化合物又分为两种,一种是 尺寸较大的未溶化合物,对细化晶粒作用不大;另一种 是高温下抑制再结晶并阻止晶粒长大,低温时 起弥散强化作用的,在加工 过程中和冷却过程中弥散析出的细小化合物[47]

固溶态 的微合金元素会以置换晶格某个铁原子的位置的形式造成晶格畸变,从而起 到溶质拖曳作用。拖曳作 用是指在钢中固溶的微合金元素阻止所有的扩散控制过程。这种推 迟作用随着这些元素的原子尺寸和铁原子尺寸之间的差别增大而越来越强烈[48]。微合金 元素原子易在位错线上偏聚,对位错 攀移产生拖曳作用,使再结 晶形核受到限制,延迟再结晶晶粒长大。Nb的拖曳作用高于TiV,其作用 是与铁原子尺寸相差较小的MnNiCr等阻碍 再结晶作用的几十倍或甚至上百倍[49]

化合态 的微合金元素可以起到钉扎晶界,阻碍位错运动的作用。晶界运 动的驱动力大于杂质粒子对晶界的拖曳力时,晶界可 迅速挣脱杂质粒子而迁移。相反,晶界运 动的驱动力较小情况下,晶界运 动则完全受杂质粒子扩散速率的控制。当运动 着的晶界遇到第二相质点时,质点对 晶界施加一个阻力,即产生 一个反面的阻力,称之为钉扎力[50]

310S不锈钢管中,微合金 元素会形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物。Nb表现出 强烈的形成碳氮化物的倾向,但却呈 现出相对小的形成氧化物、硫化物或物的倾向。在这点上VNb类似,但对于Ti,在所有的氧、氮和硫 被完全消耗完以前,Ti不会形成碳化物。一般认为,TiVNb的氮化 物和碳化物都是面心立方(FCC),晶格常数相差很小,彼此可以互溶。因此,碳、氮化物 一般以复合形态存在。奥氏体 基体的晶体缺陷处通常是微合金化合物最容易析出的地方。晶界,堆垛层错,亚晶界,位错/位错墙,变形带 等均容易出现碳氮化物的析出。当这些 碳氮化物在晶界或亚晶界上析出时,它们会 对晶界和亚晶界的运动起到很好的钉扎阻碍作用,进而有 效地防止晶粒粗化,且细晶 效果比基体中弥散分布的碳氮化物更好。但是,这些碳 氮化物比晶粒内弥散分布的碳氮化物更容易发生聚集长大,对于材 料的微观结构演化有十分大的影响,进而对提高钢材韧性、塑性有非常大的损害[51]

析出引 起的强度增量主要取决于析出物的数量和粒子尺寸两个因素。直径1~2nm的析出 物对析出强化是非常有效的质点。析出物与铁原子(0.28nm)之间的 晶格常数差别越大,在碳氮 化物析出质点周围产生的应力场也越来越大,也就是 析出强化效果越大。除了未被溶解的质点,如TiN,可能有1微米那么大,在热加 工或热处理时在奥氏体中形成的析出物更粗大到直径约几十纳米,对析出 强化的作用有限,其主要 作用是细化显微组织[52]

每种元 素和每种化合物的溶解度和物理性能的不同,也就存在特性的差别,从而造 成每种元素具有各自的特点。在Ti-Nb微合金化奥氏体310S不锈钢管中,高温处理时,TiN会最先析出。当加热温度稍低时,Nb(C,N)会优先析出。在实际情况中,高温下,奥氏体不锈钢管中主要 析出物是以上两者的复合物,即(Ti,Nb)(C,N)TiN通常在 奥氏体中不发生溶解,因而可 以再加热过程抑制奥氏体晶粒长大[53]。例如在焊接过程中,组织中不溶的TiN会阻碍 奥氏体晶粒的长大。310S不锈钢管中的(Ti,Nb)(C,N)析出物 通常具有包心特征。高温加热中形成的TiNb碳氮化 物会成为较低温度的析出相的析出核心。如Nb(C,N)会优先在高温块状TiN附近形核产生;更低温度下,M23C6会沿着TiN(Ti,Nb)(C,N)聚集长大。

W元素的 碳化物形成倾向较强,和Mo一样,形成的 碳化物在回火时阻碍软化。W还可以提高310S不锈钢管的蠕变强度。其对钢的淬透性、回火稳定性、力学性 能及热强性的影响均与钼相似。Zr是强碳化物形成元素,它在钢中的作用与NbTaV相似。加入少量Zr有脱气、净化和 细化晶粒的作用。它和S能化合成硫化锆,因此能 防止钢的热脆性。此外,Zr元素的 热中字吸收截面很小,不易被腐蚀,从而在 核燃料包壳和结构材料中被广泛使用。

本文标签:310S不锈钢管 

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