江西理工Metall. Mater. Trans. A系列四文：鋼中鈮釩鈦碳氮化物固溶度積

背景介紹

金屬元素Nb、V、Ti是鋼中碳化物、氮化物形成元素，它們在微合金鋼中通常以固溶和第二相形式存在，當第二相的尺寸達到納米級別時，（1）會產生強烈的彌散強化作用，（2）當它們具有較高的熱穩定性時，會強烈抑制高溫過程中奧氏體晶粒的長大，有利于細化晶粒和提高焊接性。在對第二相作用效果定量分析時，通常需要獲得其在鋼中分數信息，因而需要利用第二相在鋼中的固溶度積公式。Metall. Mater. Trans. A系列四文（江西理工大學雷玄威博士為第一作者，賴朝彬教授、梁彤祥教授分別為論文通訊作者），通過熱力學方法，推導建立了Nb、V、Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物分別在鐵素體和奧氏體中的固溶度積公式及熱力學方程，并通過前人的數據、結果進行了驗證。這一工作解決了平衡條件下，鋼中Nb、V、Ti第二相分數的計算問題。

創新點

（1）推導建立了二元第二相在鐵素體固溶體中固溶度積的熱力學方法，獲得了TiC、NbC、VC、TiN、NbN和VN的固溶度積公式；

（2）推導建立了二元第二相在奧氏體固溶體中固溶度積的熱力學方法，獲得了TiC、NbC、VC、TiN、NbN和VN的固溶度積公式；

（3）推導建立了化學計量比的三元第二相分別在鐵素體和奧氏體中固溶度積及熱力學方程的熱力學方法，獲得了TiC_xN_1-x、NbC_xN_1-x、VC_xN_1-x的固溶度積表達式，并分別揭示了其與其兩個二元第二相固溶度積的關系；

（4）推導建立了非化學計量比的三元第二相分別在鐵素體和奧氏體中固溶度積及熱力學方程的熱力學方法，獲得了NbC_xN_y的固溶度積表達式，并揭示了其與其三個二元第二相固溶度積的關系。

結果展示

（1）Nb、V、Ti的碳化物、氮化物分別在鐵素體中的固溶度積公式：

圖1? 第二相在鐵素體中固溶度積的計算結果與前人研究結果的對比: (a)TiC , (b)NbC , (c)VC , (d)TiN , (e)NbN , (f) VN.

（2）Nb、V、Ti的碳化物、氮化物分別在奧氏體中的固溶度積公式：

圖2? 第二相在微合金鋼奧氏體中固溶度積的計算結果與前人研究結果的對比: (a) 奧氏體中Cr含量為8.85wt%, (b) 奧氏體中Mn含量為0~10wt%, (c) 奧氏體中Cr含量為7.2wt%.

（3）化學計量比的Nb、V、Ti的碳氮化物分別在鐵素體和奧氏體中的固溶度積公式：

計算化學計算比的第二相碳氮化物分數的熱力學方程：

（4）非化學計量比的Nb的碳氮化物分別在鐵素體和奧氏體中的固溶度積公式:

計算非化學計算比的Nb的碳氮化物分數的熱力學方程：

圖3? Nb的碳氮化物在奧氏體中固溶度積的計算結果與前人研究結果的對比: (a) NbC_0.87, (b) NbN_0.87 , (c) NbC_0.87N_0.14.

以上式子中， [wt.%M]表示M元素的固溶質量百分含量，

為鋼中M元素的摩爾分數， f_mole為第二相摩爾分數，x_j 為j元素的固溶摩爾分數，A_j 為j元素的相對原子質量，

表示fcc晶格中第一點陣為M原子第二點陣為 N₁或 N₂原子的互易系相互作用參數。

結論

論文工作證實了雙亞點陣模型可用于推導計算第二相固溶度積及分數。為研究人員擺脫熱力學軟件進行微合金成份設計提供了方法參考。論文得到的Nb、V、Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物固溶度積表達式及熱力學方程，可直接為Nb、V、Ti微合金鋼成份設計提供參考。

論文信息

Effect of solid solution elements on solubility products of carbides and nitrides in ferrite: thermodynamic calculations, Metallurgical and Materials Transactions A, 2019, https://doi.org/10.1007/s11661-019-05188-y

Effect of solid solution elements on solubility products of carbides and nitrides in austenite: thermodynamic calculations, Metallurgical and Materials Transactions A, 2019, https://doi.org/10.1007/s11661-019-05295-w

Solubility products and equilibrium equations of carbonitrides in steels: thermodynamic calculations, Metallurgical and Materials Transactions A, 2021, https://doi.org/10.1007/s11661-021-06184-x

Solubility product and rquilibrium rquations of non-dtoichiometric niobium carbonitride in steels: thermodynamic calculations, Metallurgical and Materials Transactions A, 2021, https://doi.org/10.1007/s11661-021-06393-4

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