微合金钢(Nb、V、Ti)

钒－氮对γ/α转变过程中细化多边形铁素体晶粒尺寸的 影响
沉淀强化 随着转变温度和冷速的不同，析出相在形态和分布特征上存在相间
析出、过饱和铁素体中弥散析出、铁素体内沿位错处析出等几种析出方 式。析出的机理和效果，取决于晶体结构的类型、析出相的尺寸及分布、 微合金元素原子在基体中的扩散及析出速率。总的来说，强化效果与析 出质点的平均直径成反比关系，与析出物质点的体积分数的平方根成正 比关系。
当钢中钒的质量分数低于0.03%时，固溶态的钒才可以占绝大多数，才能 有效地提高淬透性。
与锰提高铌、钒的溶解度一样，钼也提高它们在钢中的溶解度。而添加了 元素钼后，可固溶的钒含量明显增加，可达0.06%左右。
钒在铁素体中的析出
V(C,N)可跟随着γ/α界面的移动在铁素体内随机析出，即为一般析出。 或者平行于γ/α界面，以一定的间距形成片层状分布的相间析出。
球化：球化退火处理 球化退火的主要目的是由热处理使钢铁材料内部的层 状或网状碳化物凝聚成为球状，使改善钢材之切削性能及加工塑性，特别 是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。
45钢
35钢
复化：钢铁材料的复相化已成为重要发展方向，广义上讲只要含有两种以上 组织的钢都可称为复相钢
例如马氏体、奥氏体、铁素体、贝氏体、碳化物等，此外引入其他强化手段 如纤维、陶瓷相等，也可成为复相。
相间沉淀转变示意图
V-N钢中V(C,N)析出相
a-0.0051%N；b-0.0082%N；c-0.0257%N；d-0.0095%N，0.04%C
随氮含量增加，V(C,N)量多且弥散度增加。 高温条件下析出反应的化学驱动力小，析出的形核发生在相界上；低温 时，驱动力大，铁素体基体内部也能发生形核。 相间析出的特征之一是温度越低析出相越细
钒氮微合金化改变了传统的 HSLA钢强化机理，晶粒细化强 化和沉淀强化这两种强化方式 对强度的贡献超过了70%，充分 体现了微合金化在技术经济方 面的优势。
V-N钢中各种强化机制对屈服强度的贡献
钛在钢中的作用
概述 在低合金高强度钢中加入微量钛，可以提高钢的强度，改善钢的冷成形
性能和焊接性能。 钛在钢中主要以TiC或Ti(C,N)的形式存在。钛比铌的固溶温度稍低，即
形变强化是因为金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应 力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越 困难。 引起金属加工硬化的机制有：位错的塞积、位错的交割（形成不易或不 能滑移的割阶、或形成复杂的位错缠结）、位错的反应（形成不能滑移 的固定位错）、易开动的位错源不断消耗等等
通过控制钢液浇注温度、N、Ti浓度积及冷却速度，使微合金钢液 中弥散析出TiN，有可能得到等轴细晶的铸态组织。
如果要利用TiN作为钢液形核核心，TiN的析出颗粒必须细小、弥 散，其工艺的关键首先是钢液浇注时过热度要小，例如控制在液相线 以上10～15℃范围内。此外，N、Ti浓度积应控制在该温度的平衡浓度 积以上。另外还需要控制冷却速度，增加冷却速度有利于晶粒细化和 减小TiN对钢性能的不利影响。
钢中则不会形成这种脆性组织。 钒能促进珠光体的形成，还能细化铁素体板条，因此钒能用来增加重
轨的强度和汽车用锻件的强度。 碳化钒也能在珠光体的铁素体板条内析出沉淀，从而进一步提高了材
料的硬度和强度。
钒像大多数溶质合金一样能抑制贝氏体的形成。因此，如果它是溶解而不是以 碳化钒和氮化钒的形式沉淀析出，则可用来增加淬透性。
钛的析出形式及对性能的贡献
钛在钢中首先形成TiN，TiN颗粒大小与其析出过程有关。粗大TiN(大 于0.5μm)是液态或钢液凝固过程中的析出相，由于粗大且稀疏分布，不能 有效地阻止晶粒长大，不起强化作用。
钢液凝固后析出细小的TiN颗粒，这些细小的TiN颗粒很稳定，能够有 效地阻止奥氏体晶粒长大，从而细化组织。
钛微合金化的强韧化机理
细晶强化
由固态下高温析出的、弥散分布的TiN，对阻止奥氏体晶粒长大 最为有效，含一定量钛的非调质钢加热至1250℃，仍具有较细的奥氏 体晶粒。
沉淀强化
氮可以提高TiN稳定性，细化奥氏体晶粒。大量实验结果表明， 氮对提高TiN颗粒钉扎奥氏体晶界的效果起关键性作用。当钢中氮含 量超过ω(Ti)／ω(N)理想配比时，TiN钉扎晶界的作用最有效。增氮 使TiN的稳定性提高，减少了TiN在高温下的溶解，高温下未溶的TiN 阻碍奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒，相变后铁素体晶粒也细小。
成无影响
析出 强化
等轴铁素 体晶粒
马氏体 组织
多边形 铁素体 加马氏 体岛混 合组织
对焊缝金 属和HAZ 中的贝氏 体形成无
影响
概述
钒在微合金钢中单独加入时形成VC，属中间相，其化学式可在VC～V4C3之 间变化。
在 一 般 低 氮 含 量 的 情 况 下 ， VC 在 γ-Fe 中 的 溶 解 度 比 NbC 要 高 得 多 ， 在 900℃以下，V(C,N)可完全溶解于γ-Fe中，因此钒的主要作用是在γ～α转变 过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化。
奥罗万机制
金属韧化的途径
细化
纯化
球化
复化
细化：细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不宜传播（晶
界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。
纯化：通过纯净化冶炼来有效降低马氏体时效钢中杂质元素及夹杂物含量 是进一步提高这类材料塑韧性的有效途径，同时亦可通过减少微观偏析来 进一步发挥材料中合金元素提高强度的作用。
钛还可以作为钢中的硫化物变性元素使用，以改善钢板的纵横性能 差。
钛的析出规律
TiN在钢中的溶解度很低，在传统厚板坯的凝固过程或高温奥氏体区即 可析出。这些大尺寸颗粒只有在温度高于1300℃时开始溶解，并且直 到液态都无法完全溶解，未溶解的TiN在高温奥氏体化时，显著提高对 晶粒粗化的抵抗力，有效抑制奥氏体晶粒长大。液态析出的TiN一般比 较粗大，尺寸为微米级。
这些碳氮化物对钢的微观结构及对钢性能的影响基本上取决于碳化物和氮化 物的形成温度与转变温度之间的关系。
而这些温度将依赖于冷却(或加热)的速度，以及钢的化学成分，尤其是所加 入合金的含量和氮的含量。
氮化钒的形成温度仅稍高于低碳钢的Ac3温度，一般来说也能用来控制奥氏体 的再结晶，但高碳钢的情况例外，因为它的转变温度较低。当然，在控制正火 钢的晶粒长大方面，氮化钒确实起到了一定的作用。
钒微合金化对钢转变特性的影响
当钒单独加入时，并不抑制铁素体的形成；相反，它加速珠光体的形成。 然而，当钒和铌同时存在时，易于形成贝氏体组织，而钒在贝氏体
内沉淀析出。
正是这种钒与铌的差别，导致了在热轧交货的小型材中多倾向于加钒。这些 轧态小型材冷却快，如果有铌存在的话，则形成导致脆性的贝氏体组织，而含钒
一般析出产生于较低温度区域，通常低于700℃，而相间析出在较高温度形成。
V(C,N)也可以在珠光体的铁素体中析出，由于珠光体的转变温度较低， 这类析出物通常更细小，不仅发生一般析出，也有相间析出。
相间析出： α/γ相界面由平面和台阶组成，平面相界为{110}α，是低能量的共
格界面，活动性差；而台阶是高能量的非共格界面。铁素体此时是靠一 系列非共格的高能台阶在低能共格界面上高速运动而生长，碳化物只能 在活动性差的共格平面相界形核。台阶的高度即两行相间沉淀特殊碳化 物之间的间距。两行沉淀间距取决于转变温度和溶质浓度。
一Hale Waihona Puke 析出VN的形成有较大的化学驱动力，只要基体内氮足够，将使得在铁素体 或奥氏体内都优先析出富氮的V(C,N)。
钢中增加氮含量会使析出颗粒尺寸大幅度减小，高氮钢中形核密度较 高，导致贫钒区较早地接触，进而降低了析出相长大速率，由此产生高、 低氮钢析出相长大的差别。高氮钢颗粒长大速率不到低氮钢的一半。
一般将铁素体与奥氏体相组织组成的钢称为双相不锈钢，将铁素体与马氏体 相组织组成的钢称为双相钢
钒在钢中的作用
钒
奥氏体中析出
铁素体中析出
固溶在奥氏体中
加热时阻 止奥氏体 晶粒长大
阻止变形 的奥氏体 晶粒长大
饼形晶粒
细小铁素 体晶粒
细小铁素 体晶粒
阻止铁素 体再结晶
延缓贝氏 体转变
延缓珠光 对铁素体形
体转变
随钛含量增加，TiN颗粒粗化，细小TiC的数量增加，析出强化作用导 致钢的强度随钛含量增加而显著升高。钢中细小TiC析出受转变温度影响， 转变温度越高，析出颗粒失去共格性关系的倾向就越大，并通过扩散长大， 减弱析出强化。
因此，钛含量较高时，非共格析出物数量增加，减弱了析出强化效果， 钢的强度增加趋于平缓。
钒的碳化物主要以相间沉淀的形式析出，在α相区内析出量不多，并与α 相保持共格关系。相间析出物呈点带状分布，每条点带近似平行，析出物以相 界为析出源，点带间距随冷却速度的增加而减小。钒可使沉淀相体积分数增加， 沉淀相的密度增加和间距减小，从而能提高钢的综合性能。
与其它微合金化元素一样，钒主要通过形成碳氮化物来影响钢的组织结构和 性能。
首先形成的富氮析出相消耗了所有的氮时，进而形成富碳的V(C,N) 。
V(C,N)析出的三种不同机制：相变温度决定 了析出方式
1、即类似于珠光体中渗碳体的带状析出 台阶机制模型
2、平行于迁移γ/α界面的相间析出
3、碳过饱和铁素体内的一般析出
基于溶质扩散控制的模型
钒微合金化钢的强韧化机理
晶粒细化 在钒微合金化钢中，一般采用再结晶控制轧制(RCR)，使得钢在奥氏体
中充分发生再结晶，从而获得细的奥氏体晶粒，为最终获得细晶粒钢提供 保障，这是此类钢控制轧制的特点。
钒在细化晶粒方面的作用比铌弱，但在钢中氮含量较大的情况下，也 可起到一定的细化作用。
在含氮较高的钒微合金钢中，奥氏 体一铁素体相变比率比C-Mn钢和低 氮钒钢明显增加，增氮促进了碳氮 化钒在奥氏体／铁素体相界面的析 出，有效地阻止了铁素体晶粒长大， 起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。