釩在鋼中的析出強化作用

2021-01-19 釩技術中心

析出強化是微合金化元素最重要的作用之一。根據Ashby-Orowan模型，第二相析出強化作用取決於第二相顆粒的體積分數和尺寸大小。第二相顆粒尺寸越小，其析出強化效果越強。第二相體積分數增加，其析出強化作用也加強。

Gladman基於Ashby-Orowan模型對比了釩、鈮鋼中析出強化作用的實驗觀察結果與理論計算結果，如圖1所示。實驗測量得到的析出強化作用與理論計算得到的析出強化作用結果有較好的一致性。

雖然微合金鋼中析出相的體積分數較低，但析出相細小彌散，通常其顆粒尺寸小於10nm，因此，第二相的析出強化對屈服強度的貢獻是明顯的。由於釩有更高的溶解度，含釩鋼中可以得到更高體積分數的析出相，因此也具有產生更大析出強化的能力。從圖1可以看出，含釩鋼第二相體積分數為0.10%~0.15%，當第二相顆粒尺寸達到3~5nm時，最大析出強化效果可達到150MPa。鈮也能產生明顯的析出強化，鈮鋼在第二相體積分數為0.03%~0.04%、對應第二相顆粒平均尺寸約3~5nm時，能夠產生的最大析出強化約100MPa。需要指出的是，如果Nb(C,N)析出發生在高溫奧氏體熱變形過程中，即通常所說的應變誘導析出，其析出強化作用將顯著降低。TiC的析出也能產生強烈的析出強化，在高強度帶鋼的生產中經常應用。

圖1  基於Ashby-Orowan模型的析出強化與析出相尺寸和體積分數的關係

圖1中Gladman示意圖的應用需特別小心。正如DeArdo所指出的那樣，Gladman示意圖推算析出強化作用代表了所能達到的最大強化效果，它是在一種理想的析出條件下才能實現，即微合金化元素能夠完全析出。實際情況下，各種因素，如軋制溫度、變形量、冷卻途徑和冷卻速度等，對析出反應、析出相尺寸和數量有很大影響。因此，實際的析出強化效果不一定像Gladman示意圖中所顯示的那樣強烈。

在所有微合金化元素的析出相中，釩的析出相具有最高的溶解度，能在相對低的溫度下就能完全固溶於奧氏體中，從而當鋼冷卻至鐵素體區域時，能全部地參與析出強化。因此，釩通常是析出強化作用優先考慮的元素。

圖2示出了釩在熱軋產品中的強化效果。鋼中添加0.10%V時，最大能產生250MPa以上的強度增量，在特殊情況下甚至能達到300MPa。可以看出，釩在鋼中的強化效果與鋼中氮含量水平密切相關。

0.1%V的鋼中，氮含量從50×10-4%增加到0.025%，釩的強化作用提高一倍，從140MPa增加到280MPa。

圖2 釩、氮對熱軋產品析出強化作用的影響

Zajac和Lagneborg等人對不同V、N和C含量在等溫相變中V的強化效果進行了深入的研究。圖3示出了V、N和等溫相變溫度對析出強化的影響，可以看到氮在各種等溫相變條件下對釩的析出強化效果都有重要影響。

圖3  釩、氮含量和等溫相變溫度對0.1%C-V-N鋼析出強化的影響

除了氮顯著影響釩的析出強化作用外，最新的研究已經證實，含釩鋼的析出強化效果將隨碳含量的增加而顯著增加。圖4a和b給出了析出強化效果隨碳、氮含量的變化曲線。結果表明，鋼中碳、氮含量均提高析出強化效果。鋼中每增加0.01%C，析出強化增量ΔRP約為5.5MPa；而每增加0.001%的N，提高ΔRP約為6MPa。

圖4  含釩鋼的析出強化增量隨碳、氮含量的變化（650℃/500s等溫處理）

a—氮含量；b—碳含量

鐵素體中的固溶碳能起到提高析出強化效果，這一點很容易理解。然而，隨著鋼中總含碳量的提高，釩的強化效果增加令人困惑不解，因為鐵素體中的碳含量是由γ/α或者α/滲碳體的相平衡所決定的。如下解釋可以幫助正確理解總碳含量對釩的析出強化效果的影響：（1）低於A1溫度時，在γ/α和α/滲碳體的兩種平衡狀態下，碳在鐵素體中的溶解度存在相當大的差別。在600℃時，處於γ/α平衡態下的碳在鐵素體中的溶解度是α/滲碳體平衡態時的5倍，奧氏體相有很高的固溶碳，可以看成是碳的儲存器，在發生V(C,N)的析出時，碳從奧氏體擴散進入鐵素體，使鐵素體保持較高的過飽和狀態。（2）事實上，總碳含量影響了γ→α相變動力學，最終影響到γ→α+滲碳體的相變動力學。這裡最基本的一點是增加碳含量延遲了珠光體相變。這意味著，對於V(C,N)析出，隨著鋼中碳含量的增加，具有高驅動力條件下的析出相形核時間延長，從而導致V(C,N)析出相的顆粒密度更高。

在相同釩含量情況下，Ti-V鋼中的析出強化效果要比不含Ti的V鋼的析出強化效果明顯降低，如圖5所示。這是因為在奧氏體中形成了(Ti,V)N析出相，從而使鋼中有效的氮、釩量下降。造成圖5中0.22%C-0.12%V-Ti鋼和0.22%C-0.12%V鋼強度巨大差異的另一原因，可能是由於V-Ti鋼中γ/α相變比釩鋼中的更快，因此V-Ti鋼中較早地出現了珠光體轉變。

另外，提高γ/α相變時的冷卻速度能夠增加釩的析出強化作用，如圖6所示。

圖5  V鋼和V-Ti鋼析出強化效果比較

圖6  冷卻速率對V(C,N)析出強化的影響

鋼的化學成分：0.12%C-0.35%Si-1.35%Mn-0.095%V-0.02%Al



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