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微合金化钢的发展和应用被认为是钢铁工业20世纪物理冶金领域最突出的成就。通过添加微量钒、铌、钛（通常小于0.1%），可使普通碳-锰钢的强度成倍提高，显著改善了钢的强韧性配合。在过去的半个多世纪，人们对钒、铌、钛微合金化的物理冶金原理开展了深入、系统的研究工作，积累了丰富的经验和大量的研究成果。  想知道“小宇宙”怎么会有如此强大的能量吗？接下来请紧跟“小钒”的脚步，解密开始！ 微合金化元素的强化作用来自细小碳、氮化物的弥散析出强化和碳、氮化物阻止晶粒长大的晶粒细化，或者是两者综合作用的结果。从晶粒细化角度考虑，为使相变前奥氏体晶粒保持细小尺寸，要求碳、氮化物粒子在奥氏体中部分不溶或在热轧过程中有部分析出。而从析出强化来考虑，要求微合金化元素固溶在奥氏体中，这样在奥氏体/铁素体相变过程中或相变后能够发生析出，获得细小析出物（即粒子直径为3～5nm）以实现弥散强化效果。 微合金元素碳化物和氮化物在奥氏体和铁素体中的溶解度通常以微合金化元素和碳、氮的质量分数的固溶度积来表示。不同微合金化元素碳化物和氮化物固溶度积的比较如图1所示。 图1 各种微合金元素碳化物、氮化物固溶度积的比较 从图1比较中可以清楚地看出其变化的规律性： （1）对每一个微合金化元素，奥氏体中氮化物比碳化物更稳定。微合金氮化物和碳化物溶解度的差异与微合金化元素种类有关。氮化钒和碳化钒、氮化钛和碳化钛之间的固溶度积存在很大差异，而氮化铌和碳化铌之间固溶度的差异相对要小得多。 （2）除氮化钛和碳化钒外，其他微合金化元素氮化物和碳化物在奥氏体中的溶解度多非常接近。氮化钛的稳定性要远高于其他微合金化元素的氮化物和碳化物，溶解度差异在103数量级；相反，碳化钒是所有微合金化元素氮化物和碳化物中最容易溶解的，溶解度的差异比其他要低103数量级。 （3）液态钢水中只有氮化钛能够析出，氮化钛在液态钢水中的固溶度比在同样温度下奥氏体中的固溶度高1-2个数量级。 （4）碳化钒、碳化铌和氮化铌在铁素体中的固溶度比在相同温度下奥氏体中的固溶度约低1个数量级。 上述微合金碳化物和氮化物固溶度积变化的规律，为微合金化元素的选用指明了方向。如钒在正火钢和高碳钢中的应用，相对于铌、钛两种微合金化元素，钒是最易溶解的，在奥氏体中不易析出，在随后的冷却过程中会析出，从而通过析出强化提高钢的强度水平。氮化钛具有高稳定性，在奥氏体过程中不发生溶解，被用于控制高温奥氏体化的晶粒粗化，从而达到细化晶粒的目的。这些数据为钢中微合金化元素的选择提供了依据。 析出动力学 微合金碳氮化物第二相沉淀析出相变属于形核—长大型的扩散型相变，其主要规律完全可以用经典形核长大理论来分析。 根据Avrami方程，将不同温度下相变开始时间和相变完成时间在温度-对数时间坐标上分别连线可得到相变过程的动力学曲线，称为TTT（相转变量-温度-时间）曲线。对冷却过程的相变，多数情况下其TTT曲线呈“C”形，人们也称之为“C” 曲线。对沉淀析出反应，习惯上称为PTT曲线。 碳氮化钒在奥氏体中析出 Zajac通过实验测得未变形奥氏体中V(C,N)析出的PTT曲线，试验钢中钒含量为0.12％，氮含量为0.0082％。由图2的结果可知，V(C,N)在未变形奥氏体中的析出过程是非常缓慢的。V(C,N)奥氏体中析出的鼻点温度约在850～900的温度范围。850℃的鼻点温度下保温10000s，以V(C,N)形式在奥氏体中析出的V仅为0.01％。 图2 含钒钢未变形奥氏体中V(C,N)析出的PTT曲线 在变形条件下，微合金化元素碳氮化物的析出过程大大加快。图3显示了V、Ti、Nb微合金化钢中碳氮化物在变形奥氏体中析出的PTT曲线。图中可见，变形条件下各种微合金化碳氮化物在奥氏体中析出过程明显加快，鼻点温度缩短到约10s。比较V、Nb、Ti钢在变形奥氏体中析出的PTT曲线可以看出，三种微合金钢在奥氏体中形变诱导析出行为存在明显差异，Nb钢在较高的温度下（约1000℃） 就开始产生形变诱导析出Nb(C,N)；而V(C,N)在奥氏体中产生诱导析出的温度要低得多，约在900℃；TiC的形变诱导析出温度与V(C,N)相似，但其孕育期的时间明显要比Nb钢和V钢的更长。 图3 Nb、V、Ti钢形变奥氏体中析出的PTT曲线 a—V钢，b—Nb钢，c—Ti钢 碳氮化钒在铁素体中析出 由于V(C,N)在奥氏体中的固溶度积较大，轧制过程时间较短，V(C,N)很难在奥氏体中完全沉淀析出，大量的钒在随后冷却过程中将以相间析出方式或位错线上形核析出方式在铁素体中沉淀析出，产生强烈的析出强化效果。深入了解和掌握V(C,N)在铁素体中的沉淀析出行为具有非常重要的工业生产应用意义。 雍岐龙等人基于碳氮化钒在铁素体中形核长大机理的理论研究成果，建立了碳氮化钒在铁素体中析出动力学理论计算方法。图4为V(C,N)在铁素体中位错线上析出且形核率迅速衰减为零的情况下的沉淀析出PTT曲线的计算结果。可以看出，钢中氮含量水平对V(C,N)在铁素体中沉淀析出的PTT曲线有很大影响。氮含量较高时（大于0.01％），V(C,N)在铁素体中沉淀析出的PTT曲线为单调曲线，温度越高，析出开始时间越短。计算结果表明，高氮含量的情况下，基体中无论是否发生珠光体相变，对V(C,N)在铁素体中析出的PTT曲线的影响很小。然而，对于0.005％ N的低氮钢，V(C,N)在铁素体中析出的PTT曲线具有明显的“C” 曲线特征。此时，基体中是否发生珠光体相变对V(C,N)在铁素体中析出的PTT曲线有明显影响。在未发生珠光体相变时由于第二相析出相变的自由能数值较大，因而其PTT曲线的鼻点温度较高，且析出时间也相对较短；与发生珠光体转变的情况相比较，其PTT曲线上鼻点温度下的析出时间提前约2个数量级。 图4 氮含量对V(C,N)在铁素体中沉淀析出PTT曲线影响的计算结果 图5示出了不同碳含量的0.10％V-0.005％N钢中V(C,N)在铁素体中的沉淀析出行为的计算结果。计算时假设V(C,N)在奥氏体温度区域未发生析出。随钢中碳含量的升高，V(C,N)在铁素体中析出的PTT曲线不断向左上方移动。因此，中、高碳钢中，V(C,N)很容易在铁素体区沉淀析出并发挥重要作用。相关实验研究结果证实了上述理论计算所得到的V(C,N)在铁素体中析出的规律性。 图5 碳含量对V(C,N)在铁素体中沉淀析出PTT曲线影响的计算结果 微合金化对奥氏体的调控作用 对于给定成分的微合金化钢，根据溶解度数据可计算出未溶解的碳氮化物的数量、平衡状态下固溶的微合金元素含量和碳氮间隙元素含量、微合金碳氮化物完全溶解温度等。钢中未溶解的碳氮化物将对再加热过程中奥氏体晶粒长大行为产生显著影响。
微合金化元素的最显著特征之一是它们对变形过程中再结晶的影响，通常有如下两种方式：其一是可有效地阻止变形奥氏体再结晶并获得“扁平”的变形奥氏体晶粒，由奥氏体向铁素体的相变过程中，使奥氏体转变为细小的铁素体晶粒。另一种方式是尽量减小对变形奥氏体再结晶的影响，并使变形奥氏体在多道次变形时可反复再结晶，以此获得细化的奥氏体组织并最终得到细化的铁素体组织。 微合金化元素强烈影响形变奥氏体的再结晶行为，各种微合金化元素对形变奥氏体再结晶终止温度的影响存在很大差异。钒对钢的再结晶终止温度的影响很小，即使在很低的变形温度下，如850℃，0.15％V钢也能发生再结晶。 V、Nb、Ti微合金化元素对奥氏体-铁素体相变开始温度（Ar3）有一定的影响。与Nb相比，固溶V几乎对Ar3相变开始温度没有影响。Ti对Ar3相变开始温度的影响效果介于Nb与V之间。 在V钢和V-Ti钢中，在奥氏体有效晶界面积相同的情况下，形变的未再结晶奥氏体相变后所得到的铁素体晶粒尺寸与等轴的再结晶奥氏体相变得到的铁素体晶粒尺寸基本相同。由此可以看出，含钒微合金化钢相变后的铁素体晶粒尺寸与奥氏体晶粒形状和生产工艺方法无关。只要奥氏体有效晶界面积足够大，钒钢也可以达到与铌钢相同的细化效果，即获得大约49μm的细小晶粒。 |
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