应用指南｜铌元素如何影响钢铁性能？科学家揭秘相变中的“微观路障”

Dong, H., Chen, H., Wang, W. et al. (2018). Analysis of the interaction between moving α/γ interfaces and interphase precipitated carbides during cyclic phase transformations in a Nb-containing Fe-C-Mn alloy.Acta Materialia, 158, 167-179.。

摘要

通过循环相变实验，系统研究了含0.1 wt%铌(Nb)的Fe-C-Mn合金及其无铌对比合金中，奥氏体(γ)向铁素体(α)及铁素体(α)向奥氏体(γ)转变过程中移动α/γ界面与相间析出碳化物(IPd)的相互作用。实验观察到连续加热和冷却过程中临界反应温度的偏移，这归因于IPd碳化物产生的钉扎力(PF)。基于吉布斯能量平衡(GEB)模型分析，α→γ相变的PF约为15J/mol，γ→α相变约为5J/mol，二者均远小于相变的化学驱动力。此外，修正后的Zener钉扎方程预测的PF与实验结果量级一致，表明经典Zener理论在碳化物-界面相互作用分析中仍具潜力。

引言

钢铁，这种支撑现代社会的“骨骼”，其性能的优劣往往隐藏在微观世界的奥秘中。科学家们在《Acta Materialia》发表了一项突破性研究，揭示了钢铁在高温相变过程中，一种名为“铌”的微量元素如何通过纳米级碳化物“路障”，微妙地影响材料性能。这些发现不仅刷新了学界认知，更为未来高性能钢铁的设计提供了新思路。

实验方法

1.1 实验设计

研究团队设计了一项精妙的“循环相变”实验：通过反复加热和冷却含铌与不含铌的两种合金，观察奥氏体(γ)与铁素体(α)相互转变的动态过程。

试验仪器：DIL 805 A/D淬火膨胀仪，附带光学模块。

实验流程包括：

过程III：冷却至T?(<pnttγ→α)，分析界面向新奥氏体的迁移。

1.2  实验流程

合金经均质化(1523 K，21.6 ks)后加工为标准试样，通过膨胀仪记录相变动力学数据。利用光学显微镜(OM)、透射电镜(TEM0)及三维原子探针(3DAP)表征微观结构与元素分布。

模型

1.1  局部平衡模型

根据置换元素(如Mn)的分配行为，相变分为两种模式：

1.2  吉布斯能量平衡模型

化学驱动力(ΔG)由界面两侧化学势差计算，结合扩散方程推导界面速度v与相变厚度S的关系。能量耗散包括溶质拖曳效应(SDE)、界面摩擦及钉扎力(PF)。通过平衡方程，计算相变动力学。

结果与讨论

1.1  实验结果

1.2  讨论

结论

沃特世-的DIL 805系列淬火膨胀仪是科学家和工程师测定合金尺寸变化和相变的基准仪器。其灵活性和可配置性高，可根据用户的特定需求添加各类模块进行量身定制，是确定钢铁制造和热处理工艺中关键参数的强大、通用的工具。

致谢

本文由蔡岸博士撰写和审稿，原文发布于公众号【热论TA笔记】。

是沃特世公司的商标。