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“金属材料制备物理化学”研究梯队简介
发布时间:2011-5-22    立即打印    

梯队负责人:王福民 教授

梯队成员:  王福民,宋波

研究方向:

本梯队主要从事冶金基础理论与工艺、金属凝固理论与技术、钢中合金化理论、相变与组织控制与微合金化元素在钢中的作用研究。

代表性研究内容与成果:

一、冶金热力学基础

1)高碳硬线钢、帘线钢以及弹簧线材钢中夹杂物塑性化控制

用于桥梁缆线的高碳硬线钢、子午线轮胎用钢等要求具有优良的拉拔性能。硬线中的硬质非金属夹杂物对冷拉过程断丝或硬线制品的抗疲劳性能有重要的影响,这就要求高碳硬线钢和帘线钢中尽可能减少硬质非金属夹杂物。通过控制夹杂物的成分以形成低熔点的塑性夹杂物是减少硬质夹杂物危害的重要途径。高碳硬线钢或帘线钢在LF精炼过程中,通过渣-钢精炼调整控制炉渣成分来影响和控制钢液Al、Ca、O的含量,进而通过控制钢液中的Al、Ca、O含量对夹杂物成分进行控制。在以往文献中,绝大多数是分别计算CaO-SiO2-Al2O3、SiO2-Al2O3-MnO和CaO-SiO2-Al2O3-MnO三元或四元夹杂物组成与钢液成分之间的关系以控制夹杂物的成分,但与国内多家工厂生产的高碳盘条中五元系CaO-MgO-MnO-SiO2-Al2O3夹杂物有一定的差别。本课题组在实际调查高碳盘条中夹杂物成分基础上分析了形成五元系夹杂物的热力学条件,并利用热力学软件FactSage 对钢液-夹杂物-渣(耐火材料)达到的局部平衡中的Al2O3-CaO-SiO2-MgO-MnO 五元系夹杂物析出进行热力学计算与分析,讨论了高碳硬线钢或帘线钢中获得具有良好变形能力夹杂物的热力学条件。

下面图1与图2是利用FACTSAGE软件计算多元氧化物系的低熔点区域以及氧化物的等活度线。

Al2O3-CaO-SiO2-MgO-MnO系等活度图

高碳硬线中Al2O3-CaO-SiO2-MgO-MnO系中低熔点区相对应的[Al][O][Si][Mn]等值线

2)熔渣物理化学性质研究

对含钒含钛钢渣体系,利用FactSage热力学软件计算并分析了炉渣不同组元对CaO-SiO2-Al2O3相图液相面的影响规律和对熔渣熔点的影响规律,并对实际现场钢渣样进行熔点测定及理论分析。给出了炉渣低熔点控制所要求的主要组元的成分范围。

图3为不同组元对CaO-SiO2-Al2O3相图液相面的影响规律比较。图4为TiO2替换等量的Al2O3对CaO-SiO2-10%MgO-35%Al2O3四元渣系熔点的影响规律。研究发现当渣系碱度R>1,Al2O3含量为>30%时,TiO2>1%时可显著提高渣系熔点。

同时利用经典渣-钢热力学平衡的方法研究了含钒含钛渣系中V、Ti、Mn、Si、P和S在渣/钢间的平衡分配比、渣中V2O5 、SiO2、 TiO2、P2O5的活度和活度系数、以及炉渣的硫容量数据,弄清了炉渣组分、碱度、氧化性等因素对上述热力学数据的影响规律,得到了较为准确的预报该渣系中元素分配比的计算模型,绘得了相关元素的等分配比图和等活度图,填补了含钒含钛渣系热力学参数的不足,并为相关工艺改进提供了理论指导。

公式(1)和图5为该渣系硫分配比计算模型及模型计算值与实验值的对比结果:lgLs=0.0735R-0.1066[%(FeO+MnO)]+0.

0475(%CaO)+0.0057(%Al2O3)-0.4859   

(1)

  图计算lgLs值与实测lgLs值比较

二、钢中夹杂物冶金

1)氧化物冶金

在炼钢过程中,形成一定的夹杂物,成为分散MnS,固态相变的形核核心,从而细化组织,提高钢的性能。如图6与7所示,利用Ti的氧化物冶金,细化非调质钢组织。

图6 Ti氧化物核心作为铁素体形核核心

               0%Ti                                  0.025%Ti

                       图7 不同钛含量的非调质钢的组织

2)铜在钢中的异质形核研究

针对钢中残余元素难以去除实际问题,在不降低残余元素含量的基础上,以如何降低其危害性为研究目的。

针对残余元素铜,以45钢为研究体系,通过控制脱氧方式使得硫化锰夹杂在钢中弥散分布,变质析出的硫化锰可进一步作为铜析出的形核核心,使得铜在钢中弥散分布。铜在硫化锰夹杂物上析出形核,可以减少沿奥氏体晶界偏析富集的铜量,这有助于改善含铜钢热加工性差的缺点。在相同铜含量的实验钢中,控制铜析出方式的实验钢B比没有控制铜析出方式的实验钢A在第三脆性区具有更好的热塑性。在1100℃氧化相同时间,实验钢B沿钢/氧化铁皮界面铜的富集程度远远小于实验钢A,说明控制铜的析出方式后,能有效减少钢热脆性的形成原因——铜沿钢/氧化铁皮界面富集。

改善铜在钢中的析出方式,可以在不降低钢中铜含量的基础上,降低其对钢性能的危害,对废钢资源合理利用和钢中残余元素的调控有指导意义。

3)钢中MnS的析出控制以及易切钢的研制

在实验与工业现场研究成分以及工艺参数对MnS的析出的影响。

图 8   0.31c-1.54Mn-0.6Si-0.065S-0.12V易切削30MnVS钢相平衡等值图

图9 工艺改进前后30MnVS钢中MnS分布的变化

三、凝固组织的模拟

凝固过程中形成的材料组织特性对以后加工以及最终材料性能有很大的影响,因此对金属凝固组织的研究,成为长期以来各国学者感兴趣的热门领域之一。凝固过程的微观组织模拟是指在晶粒尺度上对铸件凝固过程进行模拟,对铸件凝固过程的微观模拟和做少量实验即可预测铸件凝固组织和力学性能[1]。20世纪80年代发展的概率模型主要采用概率方法来研究晶粒的形核与长大,包括形核位置的随机分布和晶粒晶向的随机选择等。进入20 世纪90 年代,Rappaz 和Gandin [2-3]、Nastac 和Stefanescu[4]、Zhu[5-6]等人相继对金属凝固中结晶组织的形成,用元胞自动机法(CA)进行了模拟研究。Rappaz 和Gandin 等人成功地预测从柱状晶到等轴晶的转变并得到了实验验证,并把元胞自动机模型与有限元方法耦合起来而建立了宏观-微观的元胞自动机模型(FE-CA 耦合模型),即CAFE法。CAFE模型的特征是:凝固区域首先用较粗的网格(即有限元法FE) 来计算温度场,在此网格内,划分成更细而均匀的节点,在其中采用CA模型进行形核与生长计算,CA节点是自动生成的。该方法可以模拟外层等轴晶与柱状晶的竞争生长、柱状晶区的形成、晶粒边界的取向与热梯度之间的关系、柱状晶向等轴晶的转变(CET)、在非等温温度场中的等轴晶粒的形状等。

图10  温度场(右)和凝固过程(左)模拟结果

图11 缩孔、疏松模拟结果

四、合金元素在钢中的行为与作用

1)钢中P元素偏析行为研究

通过实验室热态模拟、真空感应炉实验和力学性能实验,利用金属原位分析、电子探针、俄歇电子、扫描电镜、金相显微镜、化学分析等研究手段,研究了铸锭中P元素的偏析规律,并系统研究了合金元素(P、C、RE)、凝固条件(冷速、过热度、枝晶尺寸)、热处理(高温扩散退火)对钢中P偏析的影响,研究了P偏聚对钢冷脆性的影响及改善手段。

研究结果表明,钢中磷元素具有强烈的偏析倾向,能形成严重的中心偏析、负偏析和反偏析;耐候钢中磷含量越高,终凝温度越低,偏析越严重;碳元素可以通过改变钢液凝固方式来影响磷在钢中的偏析,碳含量越高,磷偏析越严重;钢中加入RE只有一部分固溶在钢中,能起到微合金化的作用,大部分形成了高熔点的氧硫化物,作为非均质形核的核心,能降低过冷度,细化凝固组织,研究表明,钢中加入0.06%-0.3%的稀土,可以细化晶粒、提高等轴晶率、提高P元素在凝固固液界面非平衡分配系数,明显改善钢中P偏析(见图1);加快冷速可以细化枝晶,抑制P元素的析出,提高分配系数,从而减轻磷偏析;P在晶界的偏聚是造成耐候钢低温脆性断裂的主要因素,高温扩散退火不能消除宏观偏析,但可以减轻耐候钢中P在晶界的偏聚,从而提高钢韧性,细化晶粒也有利于耐候钢韧性的提高。

                                            图12 钢中固溶稀土量对磷偏析影响

2)Mo等合金元素在钢中的作用

合金元素在钢中的作用,首先要了解其对合金相图的影响。因此,采用Thermocalc软件研究合金元素对相图的影响;另外各种热处理工艺,需要通过CCT曲线来确定热处理工艺参数,因此,采用多种方法测定合金元素对 CCT曲线的影响。

13  R5系泊链钢中平衡相与温度的关系

14 MoR5系泊链钢CCT曲线的影响

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