钒在钢中的析出①——奥氏体中的析出

yinjiangxu 2020-04-16

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V(C,N)在未变形奥氏体中析出的动力学过程十分缓慢。实际上，对于正常成分的含钒钢，在高于1000℃终轧时，几乎所有的钒将在铁素体中析出，而不会在奥氏体中析出。当钢中钒和氮含量都比较高时，少量的钒有可能在奥氏体中析出。在控制轧制过程中一些固溶态的钒可以通过形变诱导以V(C,N)形式在奥氏体中析出。对Ti-V复合微合金化钢，在连铸过程或再加热过程中(如薄板坯连铸连轧的低加热温度下)，奥氏体中可形成(Ti,V)(C,N)复合析出相粒子。在钒微合金化钢中增氮，大大加快了V(C,N)颗粒在奥氏体中的析出过程。

夹杂物上的析出

MnS夹杂物是V(C,N)颗粒在奥氏体中析出的有利位置。图1和图2显示0.10%MnS夹杂物是V(C,N)颗粒在奥氏体中析出的有利位置。图1和图2显示0.10%V-0.020%N钒氮微合金化低碳钢中V(C,N)析出相的形貌。V(C,N)依靠MnS夹杂物作为形核核心，长大成为方形的VN析出相，见图1a。钢中AlN夹杂物也能作为奥氏体中V(C,N)形核的核心，见图1b。当然，钒氮钢中有时还能观察到其他形貌的奥氏体中的V(C,N)析出相颗粒，见图2。

图1 钒氮低碳钢中VN在MnS、AlN夹杂上的析出

a-MnS上析出的VN；b-AlN上析出的VN

图2 钒氮微合金化低碳钢（0.11%C-0.41%Si-1.32%Mn-0.11%V-0.014%N）中MnS夹杂上析出的VN颗粒形貌

LiY等人的研究结果表明，在薄板坯连铸连轧的V-Ti-N微合金化钢中，钒参与高温奥氏体中的析出，形成V、Ti复合析出相。V、Ti复合析出相颗粒在钢中呈现不同的析出形貌，除了传统的立方形TiN析出相的形貌外，还可观察到星形分布的V、Ti复合析出相(图3)，以及成串分布的立方形颗粒(图4)。析出相成分分析结果表明，这些高温析出相几乎是纯氮化物，N/(Ti＋V)的摩尔比在0.9～1.1之间。Ti/(Ti＋V)的摩尔比随析出温度升高而增加，1050℃温度保温时，析出相中Ti/(Ti＋V)摩尔比在0.2～0.3之间，而温度超过1150℃时，析出相中Ti/(Ti＋V)摩尔比升高到0.40～0.55之间。

图3 V-Ti-N钢中星形分布的(Ti,V) (C,N)析出相的TEM照片

图4 V-Ti-N钢中立方形状的(Ti,V) (C,N)析出相的TEM照片

a-铸态试样；b-1100℃温度均热

奥氏体晶界上的析出

除夹杂物上产生的复合析出外，钒氮钢中V(C,N)颗粒可沿原始奥氏体晶界析出。图5示出了薄板坯连铸连轧的钒氮微合金化钢中，沿原始奥氏体晶界轮廓析出的V(C,N)颗粒形貌，析出颗粒的尺寸范围在10～40nm的范围。

图5 钒氮钢中V(C,N)颗粒沿原始奥氏体晶界析出

奥氏体晶内的析出

应变诱导析出是微合金化元素在奥氏体中析出的主要方式。特别是对Nb微合金化钢，通过应变诱导碳氮化铌在奥氏体中析出来达到阻止回复再结晶的目的，这也是含铌钢能够实现控制轧制的主要原因之一。在常规的热轧变形温度范围内，碳氮化铌有很大的析出驱动力，在很宽的变形温度范围内均可产生应变诱导析出，而对钒微合金化钢，VC一直到850℃温度下均可完全固溶于奥氏体中，只有在较高的钒和氮含量情况下，钢中VN在低于1000℃以下温度变形时可以产生少量的析出。

V(C,N)在奥氏体晶粒内的应变诱导析出取决于钢中的钒、氮含量以及形变温度和形变量的大小。对高氮的含钒钢，终轧温度在850～900℃范围进行变形，V(C,N)能够在奥氏体晶粒内部产生诱导析出。图6显示，在0.15%C-0.12%V-0.020%N的V-N微合金化热轧Ｈ型钢中，可观察到奥氏体中独立析出的V(C,N)析出颗粒，颗粒形貌以立方形为主。

图6 V-N微合金化热轧H型钢中V(C,N)颗粒在奥氏体晶粒内部析出

a-应变诱导析出V(C,N)颗粒形貌；b-V(C,N)颗粒能谱图

ZajaC等人深入研究了钒氮微合金化钢中V(C,N)颗粒在奥氏体中的析出规律。增加变形量是促进V(C,N)颗粒在奥氏体中析出的有效方法。0.10%V-0.02%N的钒氮钢中，经900℃、50%变形后，奥氏体中析出的V(C,N)颗粒明显增加，见图7a。奥氏体中析出的V(C,N)颗粒形貌主要为立方形，能谱分析的结果表明析出颗粒主要为钒的氮化物，见图7b。析出相的尺寸分布如图7c所示，颗粒尺寸大小在20～80nm范围，颗粒分布密度约为0.5/μm。

图7 钒氮钢(0.10%V-0.02%N)经900℃/50%变形后奥氏体中析出的V(C,N)颗粒

a-V(C,N)颗粒形貌及分布；b-V(C,N)颗粒能谱图；c-V(C,N)颗粒尺寸分布

奥氏体中析出的V(C,N)颗粒尺寸相对较大，不能起到析出强化的作用。相反，由于钒在奥氏体中析出减少了基体中固溶的钒含量，导致铁素体中V(C,N)析出数量的降低，会减弱钒的析出强化效果。但是，奥氏体中析出的V(C,N)颗粒为铁素体形核提供了有效的核心位置，起到诱导晶内铁素体形核的作用，从而细化铁素体晶粒。图8给出了晶内铁素体晶粒在V(C,N)颗粒上形核长大的例子。图中可见，有四个晶内铁素体晶核在同一个VN颗粒上同时形核长大。