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稀土元素在微合金鋼中的材料物理學 版權信息
- ISBN：9787030694690
- 條形碼：9787030694690 ; 978-7-03-069469-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
稀土元素在微合金鋼中的材料物理學 內容簡介
本書主要以稀土在微合金鋼中應用的理論與實驗研究方面的內容為主線，使讀者能夠從材料學與物理學角度深入理解稀土在金屬材料中的作用機理。在內容的編排上，首先介紹了稀土元素物理化學性質的相關知識，以及稀土金屬間化合物的組分和晶體結構類型，為讀者提供稀土在鋼中作用與應用研究的必要理論基礎。針對稀土在微合金鋼中的實際應用情況，詳細展開稀土在鋼中占位、微合金化行為研究的闡述。在每章內容闡述中，均以稀土作用機理的研究為先導，使每部分都形成完整的知識體系，為微合金鋼中稀土的成分優化設計與微合金化機理研究提供理論與實驗數據。
稀土元素在微合金鋼中的材料物理學 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 稀土元素的基本性質 1
1.1.1 物理性質 2
1.1.2 化學性質 4
1.2 稀土金屬間化合物 4
1.3 稀土元素在鋼中的應用 13
1.4 稀土元素在鋼中的作用 16
1.5 稀土元素在微合金鋼中的作用機理研究 19
參考文獻 22
第2章 稀土元素在鋼中的固溶行為 26
2.1 引言 26
2.2 合金固溶的理論基礎 26
2.2.1 析出相基態 28
2.2.2 固溶度計算 30
2.3 稀土元素在鐵基合金中的固溶行為 31
2.3.1 稀土元素在鐵基合金中溶解的一般理論 31
2.3.2 稀土元素在鐵基合金中穩定相的基態計算 33
2.3.3 稀土元素在鐵基合金中的固溶度 35
2.4 La在bcc Fe中與Nb和C的相互作用 38
2.4.1 La與Nb的相互作用 39
2.4.2 La與C的相互作用 41
2.5 La在fcc Fe中與Nb和C的相互作用 45
2.5.1 La與Nb的相互作用 45
2.5.2 La與C的相互作用 47
2.6 La對Nb和C固溶度的影響 50
2.6.1 bcc Fe中La對Nb和C固溶度的影響 50
2.6.2 fcc Fe中La對Nb和C固溶度的影響 52
參考文獻 55
第3章 稀土元素在晶界的偏聚行為及影響機制 57
3.1 引言 57
3.2 晶界研究的理論基礎 58
3.2.1 晶界結構基本理論 58
3.2.2 晶界的建模 68
3.2.3 相界面的建模 72
3.3 晶界與界面強韌化機制 75
3.3.1 晶界脆性斷裂機制 76
3.3.2 斷裂功與溶質偏聚之間的關系 78
3.3.3 晶界模型的建立 79
3.3.4 斷裂表面和晶界偏聚能計算 79
3.3.5 界面斷裂功計算 80
3.4 稀土元素在fcc Fe基合金的晶界偏聚行為 81
3.4.1 晶界模型及計算方法 82
3.4.2 雜質原子與晶界結合能對斷裂功的影響 85
3.5 稀土元素在bcc Fe基合金的晶界偏聚行為 87
3.5.1 Ce在bcc Fe晶界的偏聚 87
3.5.2 La在bcc Fe晶界的偏聚 92
3.5.3 稀土元素在bcc Fe晶界偏聚的內耗譜特征 97
3.6 稀土元素偏聚對晶界的拖曳作用 101
3.6.1 保溫均熱過程的晶界遷移規律 101
3.6.2 稀土元素對實驗鋼晶粒尺寸演變的影響 104
參考文獻 107
第4章 稀土元素與鈮元素在鐵基體的擴散行為 110
4.1 引言 110
4.2 擴散的理論基礎 110
4.2.1 擴散機制 111
4.2.2 擴散的微觀理論 113
4.2.3 化學成分對擴散的影響 119
4.3 理論與建模 123
4.3.1 自擴散理論與建模 123
4.3.2 溶質擴散理論與建模 126
4.4 稀土元素在bcc Fe中的擴散系數 133
4.4.1 理論和計算方法 134
4.4.2 擴散行為 137
4.5 稀土元素在fcc Fe中的擴散系數 142
4.5.1 理論和計算方法 142
4.5.2 擴散行為 144
4.6 稀土元素對Nb在bcc Fe中擴散行為的影響 151
4.6.1 擴散系數計算方法 151
4.6.2 擴散偶實驗設計 152
4.6.3 Nb在a-Fe中的擴散系數 153
4.7 稀土元素對Nb、C在fcc Fe中擴散行為的影響 156
4.7.1 嵌入原子勢擬合原理 157
4.7.2 Fe-Nb-La勢函數擬合 160
4.7.3 Fe-C-La勢函數擬合 164
4.7.4 La對Nb在fcc Fe中擴散系數的影響 167
4.7.5 La對C在fcc Fe中擴散系數的影響 172
參考文獻 175
第5章 稀土元素對碳化鈮在奧氏體區析出行為的影響 179
5.1 引言 179
5.2 奧氏體區NbC的等溫析出行為 179
5.2.1 應變誘導析出實驗 179
5.2.2 顯微組織觀察與分析 181
5.2.3 熱變形過程NbC析出形態與分布 184
5.3 稀土元素對NbC在奧氏體區析出動力學的影響 191
5.3.1 NbC在奧氏體區析出的動力學模型與實驗 191
5.3.2 NbC在奧氏體區析出的經典形核長大理論 196
參考文獻 197
第6章 稀土元素對碳化鈮在鐵素體區析出行為的影響 199
6.1 引言 199
6.2 鐵素體區NbC的等溫析出行為 199
6.2.1 顯微組織觀察與分析 200
6.2.2 NbC析出形態與分布 201
6.3 稀土元素對NbC在鐵素體區析出動力學的影響 202
6.3.1 NbC在鐵素體區析出的動力學實驗 202
6.3.2 NbC在鐵素體區析出的理論模型 206
6.4 La對NbC在鐵素體區析出行為的影響機理 213
6.4.1 結構模型與結合能計算結果 214
6.4.2 La對Nb在鐵素體區擴散激活能的影響 215
參考文獻 217
第7章 稀土元素對微合金鋼形變再結晶的影響 219
7.1 引言 219
7.2 稀土元素對微合金鋼形變再結晶行為的影響 220
7.2.1 稀土元素對形變再結晶行為的影響 220
7.2.2 稀土元素作用下奧氏體再結晶組織變化規律 224
7.2.3 添加La對Nb拖曳和NbC釘扎作用的影響 229
參考文獻 234
第8章 稀土元素在微合金鋼中應用的工業評價及理論探索 236
8.1 引言 236
8.2 稀土元素在微合金鋼中應用的工業評價 236
8.2.1 稀土鋼的成分優化設計 236
8.2.2 稀土元素添加的關鍵技術 238
8.2.3 稀土鋼的軋制工藝控制 241
8.3 稀土元素在微合金鋼中研發的未來探索 244
8.3.1 適應新形勢與新環境 245
8.3.2 尋求新方法與新技術 245
8.3.3 發展新鋼種與新應用 246
參考文獻 247
前言
第1章 緒論 1
1.1 稀土元素的基本性質 1
1.1.1 物理性質 2
1.1.2 化學性質 4
1.2 稀土金屬間化合物 4
1.3 稀土元素在鋼中的應用 13
1.4 稀土元素在鋼中的作用 16
1.5 稀土元素在微合金鋼中的作用機理研究 19
參考文獻 22
第2章 稀土元素在鋼中的固溶行為 26
2.1 引言 26
2.2 合金固溶的理論基礎 26
2.2.1 析出相基態 28
2.2.2 固溶度計算 30
2.3 稀土元素在鐵基合金中的固溶行為 31
2.3.1 稀土元素在鐵基合金中溶解的一般理論 31
2.3.2 稀土元素在鐵基合金中穩定相的基態計算 33
2.3.3 稀土元素在鐵基合金中的固溶度 35
2.4 La在bcc Fe中與Nb和C的相互作用 38
2.4.1 La與Nb的相互作用 39
2.4.2 La與C的相互作用 41
2.5 La在fcc Fe中與Nb和C的相互作用 45
2.5.1 La與Nb的相互作用 45
2.5.2 La與C的相互作用 47
2.6 La對Nb和C固溶度的影響 50
2.6.1 bcc Fe中La對Nb和C固溶度的影響 50
2.6.2 fcc Fe中La對Nb和C固溶度的影響 52
參考文獻 55
第3章 稀土元素在晶界的偏聚行為及影響機制 57
3.1 引言 57
3.2 晶界研究的理論基礎 58
3.2.1 晶界結構基本理論 58
3.2.2 晶界的建模 68
3.2.3 相界面的建模 72
3.3 晶界與界面強韌化機制 75
3.3.1 晶界脆性斷裂機制 76
3.3.2 斷裂功與溶質偏聚之間的關系 78
3.3.3 晶界模型的建立 79
3.3.4 斷裂表面和晶界偏聚能計算 79
3.3.5 界面斷裂功計算 80
3.4 稀土元素在fcc Fe基合金的晶界偏聚行為 81
3.4.1 晶界模型及計算方法 82
3.4.2 雜質原子與晶界結合能對斷裂功的影響 85
3.5 稀土元素在bcc Fe基合金的晶界偏聚行為 87
3.5.1 Ce在bcc Fe晶界的偏聚 87
3.5.2 La在bcc Fe晶界的偏聚 92
3.5.3 稀土元素在bcc Fe晶界偏聚的內耗譜特征 97
3.6 稀土元素偏聚對晶界的拖曳作用 101
3.6.1 保溫均熱過程的晶界遷移規律 101
3.6.2 稀土元素對實驗鋼晶粒尺寸演變的影響 104
參考文獻 107
第4章 稀土元素與鈮元素在鐵基體的擴散行為 110
4.1 引言 110
4.2 擴散的理論基礎 110
4.2.1 擴散機制 111
4.2.2 擴散的微觀理論 113
4.2.3 化學成分對擴散的影響 119
4.3 理論與建模 123
4.3.1 自擴散理論與建模 123
4.3.2 溶質擴散理論與建模 126
4.4 稀土元素在bcc Fe中的擴散系數 133
4.4.1 理論和計算方法 134
4.4.2 擴散行為 137
4.5 稀土元素在fcc Fe中的擴散系數 142
4.5.1 理論和計算方法 142
4.5.2 擴散行為 144
4.6 稀土元素對Nb在bcc Fe中擴散行為的影響 151
4.6.1 擴散系數計算方法 151
4.6.2 擴散偶實驗設計 152
4.6.3 Nb在a-Fe中的擴散系數 153
4.7 稀土元素對Nb、C在fcc Fe中擴散行為的影響 156
4.7.1 嵌入原子勢擬合原理 157
4.7.2 Fe-Nb-La勢函數擬合 160
4.7.3 Fe-C-La勢函數擬合 164
4.7.4 La對Nb在fcc Fe中擴散系數的影響 167
4.7.5 La對C在fcc Fe中擴散系數的影響 172
參考文獻 175
第5章 稀土元素對碳化鈮在奧氏體區析出行為的影響 179
5.1 引言 179
5.2 奧氏體區NbC的等溫析出行為 179
5.2.1 應變誘導析出實驗 179
5.2.2 顯微組織觀察與分析 181
5.2.3 熱變形過程NbC析出形態與分布 184
5.3 稀土元素對NbC在奧氏體區析出動力學的影響 191
5.3.1 NbC在奧氏體區析出的動力學模型與實驗 191
5.3.2 NbC在奧氏體區析出的經典形核長大理論 196
參考文獻 197
第6章 稀土元素對碳化鈮在鐵素體區析出行為的影響 199
6.1 引言 199
6.2 鐵素體區NbC的等溫析出行為 199
6.2.1 顯微組織觀察與分析 200
6.2.2 NbC析出形態與分布 201
6.3 稀土元素對NbC在鐵素體區析出動力學的影響 202
6.3.1 NbC在鐵素體區析出的動力學實驗 202
6.3.2 NbC在鐵素體區析出的理論模型 206
6.4 La對NbC在鐵素體區析出行為的影響機理 213
6.4.1 結構模型與結合能計算結果 214
6.4.2 La對Nb在鐵素體區擴散激活能的影響 215
參考文獻 217
第7章 稀土元素對微合金鋼形變再結晶的影響 219
7.1 引言 219
7.2 稀土元素對微合金鋼形變再結晶行為的影響 220
7.2.1 稀土元素對形變再結晶行為的影響 220
7.2.2 稀土元素作用下奧氏體再結晶組織變化規律 224
7.2.3 添加La對Nb拖曳和NbC釘扎作用的影響 229
參考文獻 234
第8章 稀土元素在微合金鋼中應用的工業評價及理論探索 236
8.1 引言 236
8.2 稀土元素在微合金鋼中應用的工業評價 236
8.2.1 稀土鋼的成分優化設計 236
8.2.2 稀土元素添加的關鍵技術 238
8.2.3 稀土鋼的軋制工藝控制 241
8.3 稀土元素在微合金鋼中研發的未來探索 244
8.3.1 適應新形勢與新環境 245
8.3.2 尋求新方法與新技術 245
8.3.3 發展新鋼種與新應用 246
參考文獻 247
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稀土元素在微合金鋼中的材料物理學 節選
第1章 緒論 1.1 稀土元素的基本性質 稀土元素是元素周期表中原子序數為57～71的鑭系元素以及與鑭系元素化學性質相似的鈧和釔元素，共17種化學元素的總稱，常用RE(rare earth)表示，包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、餌(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)、鈧(Sc)、釔(Y)。 稀土是芬蘭學者加多林(Johan Gadolin)在1794年發現的。當時，在瑞典的礦石中發現了礦物組成類似“土”狀物而存在的釔土，因為18世紀發現的稀土礦物較少，當時只能用化學法制得少量不溶于水的氧化物，歷史上習慣把這種氧化物稱為“土”，便定名為“稀有的土”。此后，又陸續發現了與此同類的多種元素，總稱為稀土。但后來的研究發現，稀土在地殼中的豐度要比人們想象的多得多，稀土并不稀少，也不是“土”，全部是金屬元素[1，2]。稀土元素在地殼中的豐度[3，4]：鈰、釔、釹含量*高，均超過20×10-6，其在火成巖和地殼上部的豐度，比鎢、鉬、鈷、鉛都多；鑭、鐠、鈧含量較高，均在10×10-6以上；銩和镥含量*少，均小于1×10-6。 稀土金屬不但能以單質形式存在，而且能以金屬間化合物的形式與其他金屬形成合金。稀土元素有兩個突出的特點：電子結構和化學性質相近，不同稀土元素通常共生，因此化學性質非常相似，這使得稀土元素彼此分離非常困難；因4f亞層的軌道電子被外層的5s和5p層電子有效地屏蔽，不能參與成鍵，物理性質差異明顯，這給稀土元素的開發應用，特別是新材料領域的應用創造了多方面的條件。稀土元素獨特的物理和化學性質使其具有諸多其他元素所不具備的光、電、磁特性，因此稀土被譽為新材料的“寶庫”與高技術的“搖籃”[4-6]。目前，稀土元素成為材料學家廣泛關注的重要元素。日本科技廳選出的26種高技術元素中，除Pm以外的16種稀土元素都包括在內，占61.5%。美國國防部公布的35種高技術元素，也包括除Pm以外的16種稀土元素，占全部高技術元素的45.7%[7]。因此，稀土元素被賦予工業中的“維生素”稱號，是21世紀的重要戰略物資，也是科技前沿研究開發新材料和發展高新技術產業不能缺少的重要元素。 1.1.1 物理性質 稀土元素的物理性質與金屬中離子的電子結構及其排布有關，它們具有相同的殼層結構，只是4f過渡電子數目從0到14不等。外層電子都是1個d電子和2個s電子，采取[Xe]4fn-16s2或[Xe]4fn-15d16s2基層組態[8]。其原子半徑較大，一般為1.641～2.042，約是Fe的1.5倍。稀土元素的基本物理性質見表1-1和表1-2。 表1-1 稀土元素的基本物理性質1 稀土金屬為呈鐵灰色到銀白色有金屬光澤的金屬，一般較軟、可鍛、有延展性，在高溫下呈粉末狀。其中鈰的熔點為798℃，而镥的熔點為1663℃，差別較為明顯。 表1-2 稀土元素的基本物理性質2 稀土元素的磁性質是由未充滿4f電子層內的未成對電子引起的。其中，鏑和鈥的原子磁矩*大，釤、鈰、鐠和釹與強磁性的鐵和鈷的配伍性*好，能產生極強的相互作用，形成SmCo5和Nd2Fe14B等把磁疇保持在一起的高度抗退磁材料。此外，一些稀土元素的磁熱效應、磁致冷、磁致伸縮和磁光效應都充分展現了各種稀土元素特有的性質，為稀土的開發與應用提供了思路。 稀土元素的電子能級和譜線較普通元素更多種多樣，它們可以吸收和發射從紫外、可見到紅外譜區各種波長的電磁輻射，僅釓原子的某個激發態就有多達36000個能級。由于稀土元素4f亞層未成對電子與其他元素外層電子如d電子間的相互作用，可以形成豐富多彩、性能各異的稀土材料系列。與熒光、激光、陰極射線發光、電致發光、電光源以及瓷釉著色、玻璃色調的調整等相關的稀土材料及其應用，都離不開稀土光譜中的發射與吸收等與能級躍遷相關的過程，也就是說，與稀土元素特殊的電子結構密切相關。 1.1.2 化學性質 稀土元素在化學性質方面均為典型的金屬元素，因為其原子半徑大，又極易失去外層的6s電子和5d或4f電子，所以其化學活性很強，僅次于堿金屬和堿土金屬，但其不像堿金屬那樣過于活潑而不便于處理，又強于其他金屬元素的活性。雖然三價稀土離子較穩定，但在不同環境及不同條件下，稀土元素又呈現混合價、價態起伏變化的情況。在17種稀土元素中，鑭元素*活潑，隨著原子序數的增加，稀土金屬在空氣中的穩定性逐漸升高。 稀土金屬對氫、碳、氮、氧、硫、磷和鹵素具有極強的親和力。輕稀土金屬于室溫在空氣中易于氧化，重稀土金屬在室溫形成氧化保護層，因此一般將稀土金屬保存在煤油中，或置于真空或充以氬氣的密封容器中。此外，稀土金屬溶于稀鹽酸、硝酸、硫酸，難溶于濃硫酸，微溶于氫氟酸和磷酸，但不與堿作用。高溫下，稀土金屬能同氫、硼、氮、碳、硫直接作用生成非金屬化合物。 稀土元素為原子半徑較大的電正性元素，除各稀土元素彼此間及與鋯、釷和鎂、鋅、鎘、汞等二價金屬形成多種固溶體外，稀土金屬與其他金屬元素形成的二元R-M系金屬間化合物(R為稀土金屬，M為非稀土金屬)就在3000種以上。其中，RM2、RM、RM3和R5M3依次各占已知R-M系金屬間化合物的20%、17%、12%和7%，RM5和R2M17各占5%。單稀土與鐵、鈷、鎳形成的金屬間化合物就已超過200種，Nd2Fe14B等三元化合物更是難以計數。此外，稀土具有易與碳形成強鍵及易于獲得和失去電子的能力，特別是鈰的儲氧能力，使鈰成為催化性能非常突出的金屬元素。 由于稀土元素的負電性很低，僅略高于堿金屬和堿土金屬，使得其外層電子容易失去而成為正離子。因此，稀土元素在鋼液中具有較強的化學活性，能與O、S 等有害元素生成高熔點產物，與Pb、Sn等低熔點金屬交互作用，降低了其對鋼材性能的危害[9]。 1.2 稀土金屬間化合物 當合金元素以一定比例加入溶劑金屬后，在溶劑中占據的*大分數是固溶度。熱力學計算表明，極少量第二類原子的加入雖然會使體系的焓值增加，從而導致體系自由能增加，但同時也會使組態熵急劇增加而導致自由能減小。后者所帶來的自由能減小量遠遠超過前者引起的自由能增加量，因此金屬在固態會表現出一定的固溶度。 稀土元素在溶劑金屬中主要以固溶態和金屬間化合物兩種形式存在。如果稀土元素在合金中的固溶量超過其當前溫度所對應的固溶度，就會形成金屬間化合物以第二相形式析出，作為合金的沉淀相，可以起到析出強化作用。 稀土金屬間化合物基于某種晶體結構的熱力學穩定性形成，其主要與以下因素有關：幾何結構、電子結構和化學鍵。在一些研究中，也發現其與離子鍵、共價鍵和金屬鍵類型有關。一般情況下，金屬間化合物趨于形成具有*高對稱性、空間填充和原子鍵合的形態，這也與組成原子的尺寸和形成化合物后原子間的距離有關。值得注意的是，這些因素綜合作用后主要體現為兩個效應，即單個原子周圍的近程有序和長程排列，這兩個效應決定了特定晶體結構的形成。對于某種金屬間化合物的穩定性，可通過其與形成元素之間的自由能差來確定。在有限溫度下，TΔS可以忽略，因此自由能的儲備主要來自形成能的貢獻。 稀土金屬間化合物是稀土合金研發中的重要內容之一。由于稀土元素獨特的電子結構，其性質顯示規律性變化，特別是原子尺寸和電負性的變化。此外，其中一些在具有金屬性質的化合物中表現出不同價態，從而產生特殊的結構、電子和磁性能[10]。本節將對稀土二元體系可能形成的金屬間化合物進行討論，并主要通過成分、晶體結構類型，以圖形方式列出目前已知體系可能形成的金屬間化合物組成與結構類型，如圖1-1～圖1-15所示。 圖1-1 形成R-Mn、R-Tc、R-Re系化合物 一定壓力條件下生成具有MgZn2型結構的(Y， Sm， Gd， Tb， Dy， Ho， Er， Yb)Mn2化合物；高溫結晶成的PrRe2具有MgCu2型結構 圖1-2 形成R-Fe、R-Ru、R-Os系化合物 ① TbFe2也能結晶成由MgCu2型結構衍生出來的菱形變體結構；② 一定壓力條件下生成具有MgCu2型結構的 (Pr， Nd， Yb)Fe2化合物；③ (Nd， Sm)Ru2和(La， Ce)Os2的晶體結構在一定壓力條件下可轉變為MgZn2型結構；④ 已被證明存在，但其晶體結構未知的化合物：(Sc， Y， La， Ce)3Ru和(Y， La， Ce)3Os 圖1-3 形成R-Co系化合物 已被證明存在，但其晶體結構未知的化合物：Eu3Co、(Pr， Nd)7Co3、(Gd， Dy， Ho， Er)5Co3、La4Co3; (Pr， Nd)2Co17、(Y， La)2Co3
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