第42卷第2期
2021年4月S P E^frE E L Vol.42. No. 2
April 2021 • 5 •
尹思博h2乔家龙2胡金文3张延玲1项利2仇圣桃2
(1北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083;
2钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京1〇〇〇81 ;3安徽工业大学冶金工程学院，马鞍山243032)
摘要通过热力学和动力学计算相结合的方法，系统地分析了高磁感取向硅钢中A1N在均热过程中的析出机 制。计算结果表明，在高磁感取向硅钢的均热温度下，A1N处在a+7两相区，同时具备热力学析出条件。在均匀 形核、晶界形核和位错形核3种机制下,A1N的临界形核尺寸处在同一数量级且随温度降低而减小。相同温度下，A1IN晶界形核的临界形核功最小，相对形核率最大，即较易发生晶界形核。A1N在a相和7相中均匀形核、晶界形 核和位错形核的最快析出温度分别为1203 K、1303 K、1 243 K和1213 K、1 305 K、1233 K。A1N在均热温度下以 晶界形核为主。 关键词热力学动力学髙磁感取向硅钢A1N形核机制
A Study on Precipitation of AIN in High Magnetic
Induction Oriented Silicon Steel
Yin Sibo1'2,Q iao Jialong2,H u Jinwen3,Zhang Yanling1,Xiang Li*an d Q iu Shengtao'
(1 State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083；
2 Engineering and Research Center of Continuous Casting Technology, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081 ；
3 College of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Ma5anshan 243032)
Abstract The precipitation mechanism of AIN in high magnetic induction oriented silicon steel during the soaking process is systematically analyzed by the method of combining thermodynamics and kinetic calculations. The calculation results show that, at the soaking temperature of high magnetic induction oriented silicon steel, AIN in the a+ 7 two-phase and has the thermodynamic precipitation c
onditions. With uniform nucleation, grain boundary nucleation and dislocation nucleation three kinds of mechanisms, the critical nucleation size of AIN is in the same order of magnitude and decreases with decreasing temperature. At the same temperature, the critical nucleation work of AIN grain boundary nucleation is the smallest and the relative nucleation rate is the largest, that is, grain boundary nucleation is easier to occur. The fastest precipitation temperatures for uniform nucleation, grain boundary nucleation and dislocation nucleation of AIN in a phase and
7 phase are 1203 K, 1303 K y1243 K and 1 213 K, 1305 K, 1233 K, respectively. AIN mainly nucleates at grain
gcr15热处理工艺boundaries at soaking temperature.
Material Index Thermodynamics, Kinetics, High Magnetic Induction Oriented Silicon Steel, AIN, Nucleation Mechanism
高磁感取向硅钢是一种含碳极低的硅铁软磁合 金，具有极强的j n〇|<001 >织构，即高斯（Goss)织构。主要用于制作变压器的铁芯[M]。高磁感取 向硅钢生产过程中，A1N作为主要抑制剂起到了至 关重要的作用。细小弥散分布的第二相A1N粒子 起到抑制初次晶粒长大的作用，进而为二次晶粒的 发生提供条件。在连铸到热送过程中，铸坯中的 A1N抑制剂几乎都以大颗粒形态存在。因此，研究 A1N在
高磁感取向硅钢中的析出机理是十分具有意 义的。
在A1N析出行为方面，有许多学者做了研究。颜建新[5]等通过热力学计算研究了低温Hi-B钢连 铸与均热过程A1N与MnS的析出行为。刘国平
等通过动力学计算研究了取向硅钢中A1N的析出 行为。王海军[7]等研究了 Hi-B钢铁素体中A1N的形核机制。刘磊W等研究了取向硅钢奥氏体中A1N 的析出动力学。但A1N在高磁感取向硅钢中的析 出机理从热力学和动力学两方面相结合进行系统的 计算分析较少。因此，本文通过热力学和动力学计 算相结合研究A1N在高磁感取向硅钢中的析出条 件和临界形核机制，旨在为进一步研究高磁感取向 硅钢A1N的析出机理提供理论参考。
通讯作者：张延玲，教授，北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083 E-mail：zhangyanlin@m etall.ustb.edu
• 6 •特殊钢第42卷
表1高磁感取向硅钢主要化学成分/%
Table 1Main chemical composition of high magnetic induction oriented silicon steel /%
c Si Mn Als S N
0.05〜 3. 1~0.08〜0.027~0.005〜0.007 5 ~
0.07 3.30. 110.0320.0070.0090
i计算材料和分析方法
i.i计算材料和基础数据
高磁感取向硅钢的主要化学成分如表|所示。
高磁感取向硅钢中A1N的室温点阵常数a = 0.311 1n m，c= 0.497 8室温切变弹性模量C = 131 GPa。A1N的摩尔体积[9]为匕= 1.33 x10-5 m3/m〇l。高磁感取向硅钢的均热温度为1413 K，终 轧温度为1 233 K。
1.2动力学和热力学分析方法
析出热力学方面，采用FactSage7.0软件计算高 磁感取向硅钢的Fe-Si相图，并结合A1N固溶度积 公式对其进行热力学分析。
析出动力学方面，根据经典第二相析出长大理 论模型，假设A1N的形核坏形为球形，并忽略析出 相和基体间的弹性应变能。
在3种形核机制的形核过程中，高磁感取向硅 钢中第二相析出时的临界核心尺寸f和临界形核 功 A C‘为[6_|1]:
相对形核率lg(^)和Avrami提出的相变动力
学经验方程lg_表示如下[%1214]
\/
K
1/ A G* +Q\
lnl〇l~ kT
8
酚醛模塑料
Y)，21g< +lgI+函
A C;
kT
lg|
K,
^0.05
^0
：l g(7r6:p)+21g</；+ —
：|-( -1.289 94 -2V；
AG* +2.5()\
kT)
AC: +|(?、
kT
(7)
(8)
(9)
ln lO
(10) l g(^)=2(-1.289 94 -21g<+1；i{)x
4丨A C*+(>、
~~kT^
(11) !gl
^■05)
、J
AG*
.289 94-2W(12)式中：A- B o l t z m a n n常数，A= 1.380 650 5 x 10_23/ (J•控制性元素M的扩散激活能/(J•mol^) ;5-晶界面厚度。
2结果与分析
dd=
-轰[1-(1+一]
(2)
AC;167T C T3
~3(AC,)2
(3)
AG；=y4丨xAG:(4)
AC;=(1 +^AG：(5) =|[2夺_(6)式中:■和表系均勻形核（H om ogeneous nuclea-tion)、晶界形核（Grain boundary nucleation)和位错 形核（D islocation nucleation)单位体积的相变自由能；理想气体常数；绝对温度；母相晶 界的比晶界能;C T…-新相与母相的比界面能。
当位错为刃型位错时3式中：C-切变弹性模量；〃-泊松比；伯格斯矢量/nm。办-丨时，相变可自发进
行[W]。2. 1A1N的析出热力学分析室内天麻种植技术
采用FaC tSage7.0热力学软件计算高磁感取向 硅钢的Fe-S i相图如图1所示，（Si) =3. 2%，温度降 到1 762 K时开始发生液相—a相转变，温度降至
C—I1 e—Si—A l—Mn
图1Fe-S i二元相图
Fig. 1Fe-Si binary phase
diagram
第2期尹思博等：高磁感取向硅钢中A 1N 的析出研究
图2
A1N 在a 相（a )和y 相（b )中不同形核机制下的临界形核尺寸
Fig. 2 Critical nucleation size of AIN with different nucleation mechanisms in a (a ) and y (b ) phases
1 72
2 K 时完全为a 相，温度降至1 62
3 K 时开始发 生
7相转变，温度降至1〇8〇 K 时发生y —«相 转变。均热过程所处的主要相区为《+7相。根据析出反应的平衡溶度积与温度的关系，可 计算钢中A 1N 的开始析出温度。A 1N 的溶度积选取 为[15、
lg [Al ] • [N ] =2.72 - 10 062/T
(13)
通过式（13)可计算得出钢中A 1N 的固溶析出 平衡温度为1 586 K 。在均热温度1 413 K 条件下， A 1N 处于部分固溶部分析出的状态，具备热力学析 出条件，同时为进一步研究A 1N 的析出动力学提供
前提条件。
2_2 A 1N 的析出动力学研究
根据上面得出的热力学计算结果，进而计算 A 1N 在不同形核机制下的析出动力学。从图2可以 看出，随着温度的降低，八咖在《相和y 相中的3种 形核机制的临界形核尺寸逐渐减小。A 1N 在《相和
7相中，温度相同时，均匀形核和晶界形核的临界形
核尺寸相近，都大于位错形核。但3种临界形核尺 寸的范围都在0.2 ~4.0nm 。总体上可以认为，3种 形核机制下的临界形核尺寸基本处于在同一数量级。
在图3中可以看出，随着温度的降低，八仍在《 相和7相中的3种不同形核机制下的临界形核功逐 渐减小。钢中八別在《相和7相中，温度相同时， 临界形核功的大小排序为均匀形核 >位错形核 > 晶 界形核，故A 1N 发生晶界形核较为容易。当温度低 于1 243 K 时，a 相中A 1N 晶界形核和位错形核的临 界形核功较为接近，故此时A 1N 发生晶界形核和位 错形核较为容易；当温度高于1 243 K 时，a 相中 A 1N 晶界形核的临界形核功明显小于另外两种形核 机制，故此时A 1N 发生晶界形核较为容易。当温度 低于1 233 K 时，y 相中A 1N 晶界形核和位错形核的 临界形核功相差不大，故此时A 1N 发生晶界形核和
图3 A1N 在a 相（a )和y 相（b )中不同形核机制下的临界形核功
Fig. 3 Critical nucleation work of AIN with different nucleation mechanisms in a (a ) and 7 (b )
phase
特殊钢第42卷1600
1500
1400
1300
^ 1200
璉
1100
1000
900
800
-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40-20-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40-20
lg(I/K) lg(I/K)
图4 A1N在a相（a)和y相（b)中不同形核机制下的相对形核率
Fig.4 Relative nucleation rate of AIN with different nucleation mechanisms in a(a)and y (b) phases
图5 “1^在《相（3)和7相（1))中不同形核机制下的1^曲线
Fig. 5 TTP curves of AIN with different nucleation mechanisms in a(a)and 7(b)phases
位错形核较为容易；当温度高于1 233 K时，7相中 A1N晶界形核的临界形核功明显小于另外两种形核 机制，故此时A1N发生晶界形核较为容易。
由于形核率的理论推导中的相关常数不能准确 计算出来，所以很难定量的计算出3种形核机制下 的形核率随温度的变化，所以采用计算相对形核率 的方式，来比较3种形核机制的形核优先级。
由图4可见,3种形核机制的相对形核率与温 度的关系呈反C曲线形状，即存在一最大形核率温 度。A1
N三种形核机制的形核率相比较，晶界形核 比均勻形核大约大7个数量级，位错形核比均匀形 核大约大4个数量级，即在取向硅钢中A1N会优先 在晶界上发生形核，其次在位错上发生形核。晶界 形核的最大形核率温度为1 303 K。
由于一些与温度无关的参数不能定量计算，所 以不同形核机制下的TTP曲线不能相互比较。但 由于这些参数与温度无关，理论计算的TTP曲线与 准确的TTP曲线仅在时间上有偏差，还是可以准确的确定其鼻子点温度。图5为3种形核机制下A1N 的TTP曲线。从图5中可以看出，在3种形核机制 下，TTP曲线呈C曲线形状，C曲线的鼻子点温度即 为最快沉淀析出温度。A1N在a相和1相中3种形 核机制的最快沉淀析出温度如表2所示。
由表2可知，A1N晶界形核的最快沉淀析出温 度高于其他两种形核机制，即A1N优先发生晶界形 核。3种形核机制的最快析出温度范围在1 203〜1 305 K，终轧温度为1 233 K，即终轧时A1N细小弥
表2 3种形核机制下的A1N最快沉淀析出温度 Table 2 Fastest precipitation temperature of AIN with the three nucleation mechanisms
形核机制相区最快沉淀析出温度/K
均匀形核
a
7
1203
1213晶界形核
a
7
1303
1305位错形核
a
"y
1243
1
233
第2期尹思博等：高磁感取向硅钢中A1N的析出研究• 9 •
散快速析出，从而起到良好的抑制初次晶粒长大的
作用。
综上所述，当温度低于1 243 K时，在a相中
A1N发生晶界形核和位错形核较为容易，温度高于热转印墨水配方
1 243 K时，在a相中A1N发生晶界形核较为容易。
当温度低于1 233 K时，在y相中A1N发生晶界形核学生枕
和位错形核较为容易，温度高于1 233 K时，在y相
中A1N发生晶界形核较为容易。
3结论
(1) 在均热温度下，钢中A1N满足热力学析出
条件，其所处相区为a+7相。
(2) 随着温度的降低，钢中A1N在a相和7相中的3种形核机制的临界形核尺寸逐渐减小。总体
相差不大，临界形核尺寸范围为〇.2〜4.0 nm。
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种不同形核机制下的临界形核功逐渐减小。在均热
温度下A1N晶界形核的临界形核功最小，易发生晶
界形核。
(4) A1N在3种形核机制下，相对形核率与温度
的关系呈反C曲线形状。A1N优先在晶界上发生形
核，其次在位错上发生形核。晶界形核的最大形核
率温度为1 303 K。
(5) A1N在3种形核机制下,TTP曲线呈C曲线
形状。人取在《相中均匀形核、晶界形核和位错形
核的最快析出温度分别为1 203 K、1 303 K、1 243 K;
A1N在7相中均匀形核、晶界形核和位错形核的最
快析出温度分别为1213 K、1305 K、1 233 K。A1N
优先发生晶界形核。
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15-17.
尹思博（1996-)，男，硕士生（北京科技大学），2014年华北
理工大学（本科）毕业，取向硅钢研究。
E-mail ：****************
收稿日期:202(M)9>03
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