钢中微合金元素的作用机理

2) 与氧、硫的作用
与氧、硫有一定的亲合力。从下图看，Ti与O的亲合力很强
，比铝小一些；Nb、V与O的亲合力比Mn强，但弱于Si。
早期，由于冶炼铸造工艺技术水平的限制，未能解决钛氧化 和烧损问题，使钢材的性能波动大。现在已经解决，发展钛微 合金钢。
由于钛与氧的强亲合力，使得测定钛在铁液中的一些热力学 数据的试验变得异常困难，热力学数据分歧较大。
结构类型 F.C.C. F.C.C. F.C.C. F.C.C. F.C.C. F.C.C.
2）它们的相互固溶性（合成实验）
由于这些碳化物和氮化物的点阵常数相近与晶体结构相同， 它们之间存在相互固溶；
一些研究者实验研究了它们之间的相互固溶性；
主要的实验结果如下：
√ 二元氮化物系统：NbN-TiN、TiN-VN、NbN-VN形成连续 性固溶体；
TiN
在以后的热处理中不溶解，对阻止晶粒粗化以及沉淀强化，都 没有作用，浪费宝贵的合金元素；
钢中%Ti为0.02，TiN则在L（钢液）-δ-Fe界面上或δ-Fe中 形成，因此控制凝固速度，可以控制TiN质点尺寸与数量；低 合金钢中由于Nb、V都不可能在钢液中形成粗大第二相质点；
但是在钢锭与连铸坯中，由于Nb 强烈偏析，在δ-Fe枝晶间 的钢液中Nb富集，凝固后产生粗大甚至达到微米级沿晶分布 的NbC枝晶状第二相，粗大的NbC使连铸中心容易产生内裂， 或热塑性降低；
指化学成分规范上明确列入需加入一种或几种碳氮化物形成 元素，如GB/T1591-94中Q295-Q460的钢，规定：
Nb:0.015～0.06%; V: 0.02～0.15%; Ti: 0.02～0.20%
一些需要淬透性的机械结构钢中加硼（B），硼广 义上也称微合金元素。
3、微处理钢
有时为了弥补生产厂在装备和工艺技术方面的不完善，在冶
2、微合金化钢
1）定义：在普通低碳结构钢的基础上，加入少量的微合 金化元素，与轧制工艺配合起来，使其性能有较大的提 高；
2）它的属性：
添加的碳氮化物形成元素，在钢的加热和冷却过程中 通过溶解---析出行为对钢的力学性能发挥作用；
这些元素加入量很少，钢的强化机制主要是细晶强化 和沉淀强化；
钢的控轧控冷工艺对微合金化钢有重要意义。钢的微合金化 和控轧控冷技术相辅相成，是微合金化钢设计和生产的重要前性固溶体：TiCVN、TiC-NbN、TiC-TiN、NbC-TiN、NbC-NbN、NbCVN、VC-TiN、VC-TiN、VC-NbN与VC-VN。
3）与奥氏体平衡的沉淀相
Ti、V、Nb在钢中易与碳和氮化合成碳化物和氮化物；
在γ-Fe（面心立方结构）中，析出的碳化物和氮化物的 类型为MX；
由于铌、钒与氧的亲合力小，可用于收得率高的半镇静钢。
钛与硫的亲合力较强。在钢中，用钛对非金属夹杂物进行变 性处理，就是因为钛与硫能生成TiS或Ti4C2S2，它们以薄膜或 外壳形态分布于MnS周围，在锻造和轧制过程中，这些硫化 物的变形抗力非常大，改善纵向、横向的性能差和冲击性能。
Nb、V与S的作用相对弱些，未见有与Ti类似的报道。
二、微合金元素V、Nb、Ti在钢中的存在状态
1、V、Nb、Ti的性质
1）与碳、氮的相互作用
根据原子结构的电子理论，V、Nb、Ti原子都有一个未充 满的d电子层；
d电子层的电子愈不满，形成碳化物、氮化物的能力就愈强 ，所生成的碳化物、氮化物的性质也愈稳定；
V、Nb、Ti以及其它一些金属元素生成碳化物、氮化物的 能力大小排列顺序（由大到小）：
在γ-Fe（面心立方结构）中，析出的碳化物和氮化物的 结构除NbN外都是面心立方结构；
在γ-Fe（面心立方结构）中，NbN有两种晶体结构：面 心立方和六方结构；
在钢中，随试样中N/C的增大，NbN的结构由面心立方 向六方结构过渡，呈现的规律与Nb-N系统一样。
3、微合金元素(Ti、V、Nb）的碳化物和氮化物在Fe液中的溶 解度 液态中析出的碳化物、氮化物是粗大颗粒，尺寸为微米级，
炼时添加<0.015%Nb或<0.05%V, <0.02%Ti的非合金钢和低 合金钢。
除之以外，加Ca或RE达到控制硫化物，改善力学性能。习 惯上称微Nb处理钢、微Ti处理钢和RE处理钢。
它能有效提高16Mn钢板或20MnSi钢筋的屈服强度约10— 20MPa,改善A、B级一般强度板和管线钢的低温韧性，降低或 消除16Mnq钢板的时效敏感等。
钢中微合金元素的作用机理
一、微合金化元素、微合金化钢和微处理钢
1、微合金化元素
通常指在原有主加合金元素的基础上，再添加微量的Nb、 V、Ti等碳氮化物形成元素、稀土元素以及硼元素，从而或对 力学性能有影响、或对耐蚀性、耐热性起作用；
添加量随微合金化的钢的种类的不同而异，相对于主加合 金元素是微量范围的；如非调质结构钢中，一般加入量在 0.02—0.06%,在耐热钢和不锈钢中加入量在0.5%,而在高温合 金中加入量高达1—3%。
2、碳化物和氮化物沉淀相的结构以及相互固溶性
1）微合金元素碳化物与氮化物的结构
Ti、V、Nb都是过渡元素，极易与碳、氮形成碳化物和氮化 物；
它们的点阵常数与结构如表1：
表1 Nb、V、Ti碳化物和氮化物的点阵结构与常数
化合物 NbC VC TiC NbN VN TiN
a (Å) 4.470 4.168 4.329 4.379 4.105 4.245
了解微合金碳化物、氮化物在铁液中的析出规律，对正确设 计合金成分以及合理制订浇注工艺，具有意义。
1）在铁液中碳化物的平衡析出 许多研究者研究了铁液中的碳化物平衡析出规律，微合金碳 化物在铁液中的溶解积相当大； 研究者一般都在饱和碳的铁液中来测定：
Ti Nb Zr V W Mo Cr Mn Co
C、N元素的原子半径rx与Ti、V、Nb三元素的原子半径rM 之比<0.59，可形成结构简单的间隙相TiN、TiC、VN、VC、 NbN、NbC。
在这些间隙相中，金属原子Ti、V、Nb总是排列为面心立方 ，而非金属原子C、N则充填在晶体中的间隙位置。