铁素体不锈钢中TiN的凝固析出行为及性能控制研究

For ferritic stainless steel, the characteristics of the solidified microstructure, including morphology, amount, size and distribution of ferrite and the secondary phase in the solidified microstructure basically determine the mechanical properties and corrosion resistance. This project will study the mechanism of the effect of solidification conditions on the precipitation behavior of Titanium nitride; explore the formation details of the Titanium nitride in ferritic stainless steels containing Ti. The relationship between grain size and Titanium nitride will be examined. To clarify the formation stage of TiN, the crystallographic orientation between ferrite and Titanium nitride will be determined using TEM and EBSD. And the effect of the crystallographic orientation between ferrite and Titanium nitride on the size and shape of ferrite will be investigated. The migration and distribution of solutes during transient and steady states will be analyzed and the effect of the solute distribution on the precipitation behavior of Titanium nitride will be revealed. Considering both thermodynamics and dynamics (solidification rate), the precipitation model of Titanium nitride in ferritic stainless steels will be proposed. The mechanical properties and corrosion resistance of ferritic stainless steels under different solidification conditions will be tested. Based on the above resoults, the relationship between the solidified microstructures and properties of ferritic stainless steel containning Ti will be obtained. The required solidification microstructures can be controlled by adjusting the solidification parameters. The research results are important to control the microstructure and properties of ferritictic stainless steel and will provide theoretical basis for designing and developing ferritic stainless steel with high performance.

铁素体不锈钢凝固组织中铁素体和二次相的形态、数量、尺寸以及分布，决定了其力学及抗腐蚀性能。本项目以含钛铁素体不锈钢为研究对象，研究凝固条件对TiN析出的影响规律及机理，弄清铁素体不锈钢中TiN析出的细节，分析TiN析出和晶粒尺寸的关系；采用TEM和EBSD技术研究含Ti铁素体不锈钢凝固组织中铁素体与TiN的晶体学取向关系，澄清TiN的形成阶段；分析两相晶体学取向对铁素体析出的形状、尺寸的影响规律及机理；研究过渡和稳态生长阶段溶质分布及迁移规律，以及元素分布对TiN析出的影响，考虑热力学和动力学（凝固速率）的影响，建立TiN析出的预测模型；测试不同铁素体、TiN析出的尺寸、数量以及分布特征下合金的力学性能以及腐蚀性能，探索含Ti铁素体不锈钢凝固组织与性能的对应关系，提出组织及性能的控制方法。为不锈钢的组织及性能控制提供重要的技术参考，为设计和开发性能优异的铁素体不锈钢提供理论指导。

为了提高铁素体不锈钢的冲压性能及抗腐蚀性能，通常加入Ti 或者Nb固定间隙的C/N原子。如果控制不当，粗大的（Ti Nb）（C N） 化合物分布于铁素体晶界，轧制后形成条纹缺陷，即使用砂纸也难去除。大大降低了不锈钢的表面质量以及力学性能。. 本项目以含钛铁素体不锈钢为研究对象，主要研究内容及结果如下：（1）研究了冷却速率对TiN析出的影响规律及机理。发现随着冷却速率的提高，铁素体不锈钢中TiN趋向细小、弥散分布，从而避免TiN在晶界聚集形成条纹缺陷。（2）重熔可使TiN聚集在铸锭心部，降低铸锭其他部分的TiN数量，从而避免产生TiN条纹缺陷。（3）建立了非平衡凝固条件下TiN的析出模型。此模型可用于预测不同冷却速率下TiN的析出行为，较平衡析出模型更加准确。（4）采用EBSD技术研究含Ti铁素体不锈钢凝固组织中铁素体与TiN的晶体学取向关系。结果表明，铁素体与TiN存在包括N-S在内的7种晶体学取向关系。该结果为TiN细化铁素体晶粒提供了理论依据。（5）采用EBSD技术首次提供了织构和腐蚀性能关系的直接证据。结果表明：Fe-17Cr铁素体不锈钢轧板TD-RD面的腐蚀性能最差，而ND-RD面的抗腐蚀性能最好。此结果可为Fe-17Cr铁素体不锈钢轧板腐蚀性能的设计提供实验和理论依据。（6）织构还使得Fe-17Cr铁素体不锈钢轧板产生力学各向异性。沿TD方向的拉伸强度和屈服强度均高于沿RD方向，而沿TD方向的伸长率低于RD方向。此结果可为Fe-17Cr铁素体不锈钢轧板力学性能的设计提供实验依据。该项目的研究结果为不锈钢的组织及性能控制提供重要的技术参考，为设计和开发性能优异的铁素体不锈钢提供理论指导。