简介概要

V-5Cr-5Ti合金再结晶规律及其动力学

来源期刊：稀有金属2009年第6期

论文作者：李明崔舜李增德林晨光

关键词：V-5Cr-5Ti合金; 再结晶; 动力学机制; 激活能; V-5Cr-5Ti alloy; recrystallization; kinetics; recrystallization activation energy;

摘要：研究了V-5Cr-5Ti合金在900～1100 ℃之间的再结晶规律, 概括了V-5Cr-5Ti合金的再结晶动力学机制. 结果表明, 合金冷变形板材在950～1050 ℃下退火处理, 可获得细小、均匀的等轴晶; 初步推导了V-5Cr-5Ti合金再结晶动力学机制, 符合Avrami-Erofeev形核长大机制; 并计算了V-5Cr-5Ti合金再结晶激活能Q_r, 其值为261.91～289.67 kJ· mol~(-1).

稀有金属 2009,33(06),785-789

V-5Cr-5Ti合金再结晶规律及其动力学

崔舜林晨光李明

北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所

摘要：

研究了V-5Cr-5Ti合金在900¹100℃之间的再结晶规律, 概括了V-5Cr-5Ti合金的再结晶动力学机制。结果表明, 合金冷变形板材在950¹050℃下退火处理, 可获得细小、均匀的等轴晶;初步推导了V-5Cr-5Ti合金再结晶动力学机制, 符合Avrami-Erofeev形核长大机制;并计算了V-5Cr-5Ti合金再结晶激活能Qr, 其值为261.91²89.67 kJ.mol-1。

关键词：

V-5Cr-5Ti合金;再结晶;动力学机制;激活能;

中图分类号： TG111.7

作者简介：崔舜 (E-mail:cuis@grinm.com) ;

收稿日期：2008-11-10

Recrystallization and Kinetics of V-5Cr-5Ti Alloy

Abstract：

The recrystallization of V-5Cr-5Ti alloy annealed at 900¹100 ℃ was investigated.The recrystallization kinetics of the alloy was summarized.The results showed that the fine and uniform equiaxed grains were obtained when the cold working alloy annealed at 950¹050 ℃.Recrystallization dynamic mechanism of cold-working V-5Cr-5Ti alloy was established preliminarily, which accorded with Avrami-Erofeev mechanism of nucleation and growth.Recrystallization activation energy Qr of V-5Cr-5Ti alloy was obtained, Qr=261.91²89.67 kJ·mol-1.

Keyword：

V-5Cr-5Ti alloy;recrystallization;kinetics;recrystallization activation energy;

Received： 2008-11-10

钒基合金作为聚变堆的重要候选结构材料, 具有良好高温强度 ^[1] 、抗中子辐照肿胀 ^[2] 和耐液态金属腐蚀 ^[3] 等特性。 V-5Cr-5Ti合金为一种固溶强化的单相合金, 再结晶处理成为材料加工后组织控制与提高材料力学性能的重要手段之一。目前研究V-5Cr-5Ti合金再结晶处理的集中在合金的组织及晶界化学对合金力学性能的影响 ^[4,5] , 对合金再结晶特性的研究较少。本文研究了V-5Cr-5Ti合金的再结晶规律, 结合再结晶动力学实验结果, 推导了描述合金再结晶机制的动力学方程, 并计算了合金的再结晶激活能。

1 实验

采用真空自耗电弧熔炼V-5Cr-5Ti合金铸锭, 经热挤压、锻造、轧制等多道工序后得到厚度为2.6 mm的冷轧板, 累计冷变形量为70%, 合金成分见表1。试样依次在900～1100 ℃下真空退火处理 (1 h, FC) 。再结晶试验温度分别设定为980, 1000, 1020 ℃, 保温时间分别为5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60 min。退火和再结晶处理后的试样在沿轧制方向的断面上制成金相试样, 采用NEOPHOT32显微镜系统进行金相观察和分析。通过金相分析软件进行图像分析, 确定再结晶体积分数, 然后绘制再结晶动力学曲线。

2 结果与讨论

2.1 再结晶特性

图1为V-5Cr-5Ti合金在不同退火温度下的金相组织。从图1可知, 在低于950 ℃退火处理, 合金组织保持冷变形后纤维状组织。 950～1050 ℃退火合金组织由纤维组织逐渐转变为等轴晶粒。 1000 ℃以上, 合金均为等轴晶粒, 但随温度升高, 合金的晶界趋于平直, 晶粒尺寸长大。由V-5Cr-5Ti合金退火处理后的纤维组织可以得出, 950 ℃退火处理, 该阶段内合金显微组织上几乎看不出任何变化, 晶粒仍保持扁片状的冷加工组织, 呈典型的回复阶段特征; 950～1050 ℃之间处理, 形变晶粒内部发生了新晶粒的生核和成长过程, 直至形变组织完全改组为新的等轴晶粒为止, 为再结晶的典型特征; 退火温度升高至1050 ℃以上, 新晶粒逐步相互吞食而长大, 直到达到一个较为稳定的尺寸, 体现出晶粒长大的特征 ^[6,7,8] 。经以上分析可以得出, V-5Cr-5Ti合金冷变形板材在950～1050 ℃下进行真空退火, 可获得完全再结晶等轴组织, 晶粒细小、均匀。

表1 钒合金板材的化学成分 (%, 质量分数)

Table 1 Chemical composition of vanadium alloy (%, mass fraction)

Elements	Cr	Ti	Fe	Cu	C	O	N	V
Content	5.0000	4.9200	0.0320	<0.0200	0.0063	0.0700	0.0020	Bal.

图1 V-5Cr-5Ti合金在不同退火温度下的金相组织

Fig.1 Microstructure of V-5Cr-5Ti alloy annealed at different temperature

(a) Cold rolling; (b) 900℃; (c) 950℃; (d) 1000℃; (e) 1050℃; (f) 1100℃

2.2 V-5Cr-5Ti合金的再结晶动力学

2.2.1 再结晶动力学方程

再结晶动力学方程经典模型为Avrami在1940年修正的J-M方程: xr=1-exp (-Ktn) , J-M方程可转化为[9]:

其中x_r为再结晶体积分数, K为速度常数, t为时间。

式 (1) 表明lnln[1/ (1-x_r) ]与lnt之间具有线性关系。

图2为V-5Cr-5Ti合金在980 ℃下处理时间后的金相组织。表2为定量金相方法测出V-5Cr-5Ti合金不同再结晶条件下的再结晶体积分数。根据式 (1) 可以得到再结晶lnln[1/ (1-x_r) ]-lnt图, 如图3。该图有很好的线性关系。数据经过最小二乘法拟合, 可到拟合曲线, 如图3中斜线。根据拟合结果说明Avirami修正后的J-M方程可以较好的描述V-5Cr-5Ti合金冷轧板材等温退火处理的再结晶过程。拟合方程如下:

图2 V-5Cr-5Ti合金于980 ℃不同时间下退火处理后的微观组织

Fig.2 Microstructures of V-5Cr-5Ti alloy annealed at 980 ℃ for different time

(a) 5 min; (b) 10 min; (c) 15 min; (d) 20 min; (e) 25min; (f) 30 min; (g) 40 min; (h) 50 min; (i) 60 min

表2 V-5Cr-5Ti合金不同退火条件下的再结晶 (%, 体积分数)

Table 2 Recrystallization volume fraction of V-5Cr-5Ti alloy at various annealing conditions

Annealing time/min	5	10	15	20	25	30	40	50	60
980 ℃	6.82	14.15	24.08	32.30	40.27	55.41	63.77	76.84	87.85
1000 ℃	10.55	25.96	37.65	50.57	64.41	77.43	88.72	94.68	-
1020 ℃	16.86	45.26	66.69	76.84	89.15	94.39	-	-	-

2.2.2 再结晶动力学机制

金属的再结晶是一个先产生无畸变的晶核, 然后再在变形的金属基体中长大的过程。金属的气固反应中存在一种成核和晶核长大控制的分解反应, 其反应历程与再结晶过程类似。所以其再结晶动力学规律或许和金属的气固反应中的形核长大过程相类似。 Avrami-Erofeev方程是描述气固相反应动力学机制的通式:

其中α为转化率, k为反应速率常数, t为时间。而对于形核长大过程已知的动力学机制函数有5种, 见表3 ^[10,11] 。

图3中可以看出不同温度下直线的斜率基本上是一致的, 这说明n是一个几乎不随温度而变化的常数, 而k随温度的变化较大。从拟合出的n值可以得出: n≈1.5, 可以得到V-5Cr-5Ti合金的再结晶动力学的一般方程:

图3 V-5Cr-5Ti合金在不同退火温度下的lnln[1/ (1-xr) ]-lnt图

Fig.3 lnln[1/ (1-x_r) ]-lnt curve of V-5Cr-5Ti alloy at different annealing temperature

表3 金属气固相反应中形核长大动力学机制

Table 3 Kinetic mechanism of nucleus and growth in vapour-solid reaction of metal

Kinetic mechanism	f (α)	G (α)
Avrami-Erofeev	1-α	-ln (1-α)
nucleus growth	4 (1-α) [-ln (1-α) ]^3/4	[-ln (1-α) ]^1/4
	3 (1-α) [-ln (1-α) ]^2/3	[-ln (1-α) ]^1/3
	2 (1-α) [-ln (1-α) ]^1/2	[-ln (1-α) ]^1/2
	3/2 (1-α) [-ln (1-α) ]^1/3	[-ln (1-α) ]^2/3

根据以上分析, 将不同温度下的k值带入式 (6) 中, 然后作出x (t) -t的曲线图, 与实验测出的数据作对比分析, 见图4。显然, 由式 (6) 及拟合的k值计算与实验数据基本相符。

分析认为, 在不同温度下, V-5Cr-5Ti合金在980～1020 ℃之间再结晶都要遵循相同的动力学机制, 即[-ln (1-α) ]^2/3=kt, 符合Avrami-Erofeev形核长大模型。这说明V-5Cr-5Ti合金再结晶过程与金属气固反应种的形核长大模型具有相似规律。再结晶温度不影响再结晶动力学机制, 而对再结晶速率有明显影响, 即对反应速率常数有显著影响。

2.3 再结晶激活能

金属再结晶过程是一热激活过程, 金属再结晶的激活能Q_r值是研究其动力学规律的一个重要参数。 V-5Cr-5Ti合金再结晶激活能可采用式 (7) 计算 ^[7] ,

其中, T为温度K, t为时间min, 气体常数R为8.314, K为常数。式中为一直线方程, 1/T与lgt之间存在线性关系, 求出直线斜率, 即可获得再结晶激活能Q_r。

参照表2中980 ℃在退火时间分别为15, 20和30 min时再结晶晶粒分数, 由式 (3) , (4) 可以计算出1000, 1020 ℃完成相应再结晶晶粒分数的时间。然后作出1/T与lgt关系曲线, 用最小二乘法拟合直线斜率, 即可计算出再结晶激活能Q_r, 分别为: 270.07, 289.67, 261.91 kJ·mol^-1。

图4 V-5Cr-5Ti合金在不同退火温度下的再结晶动力学曲线

Fig.4 Recrystallization kinetics curve of V-5Cr-5Ti alloy at different annealing temperature

已知再结晶激活能Q_r, 根据不同温度下完成相同再结晶体积分数所需时间的比值 ^[7] 。

可由一个温度下所需时间导出另一温度下所需的时间。仿照再结晶完成温度的定义, 本文将再结晶完成时间定义为再结晶晶粒体积分数达到总体的95%所需的时间。由式 (8) 可到在980 ℃时完成再结晶的时间为80 min。代入式 (8) 可计算得到1000, 1020, 1050, 1080和1100 ℃再结晶完成的时间如表4 (其中Q_r的上、下限值分别取为289.671和261.91 kJ·mol^-1) 。

分析认为, V-5Cr-5Ti合金冷轧板再结晶过程的动力学分析得到再结晶动力学机制及再结晶激活能, 根据它们能够计算出不同温度下的再结晶动力学曲线, 该曲线可以为制定V-5Cr-5Ti合金板材退火工艺提供参考。

表4 再结晶完成时间与温度的关系

Table 4 Relationship between time for recrystallization accomplishment and temperature