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氮在含钒钢中的作用系列一：氮的强化作用可使屈服强度增加7~8MPa

2020-07-25 10:41阅读：

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氮在含钒钢中的作用 系列一：氮的强化作用
通常认为，氮是钢中有害的杂质元素，能使钢产生时效脆化，因此在炼钢过程中要采用真空脱气和精炼工艺尽量去除钢中的氮，在某种程度上增加了制钢的成本。但是在含钒钢中，氮的性质发生明显变化。大量的研究结果表明，氮能促进含钒钢中碳氮化钒的析出，产生强烈的析出强化。当钢中的氮含量比较低时，加入钢中的微合金化元素钒绝大部分以固溶形式存在于钢中，不能充分发挥钒的析出强化作用，没有达到钢中添加钒的预期目的，在某种意义上说是一种潜在的浪费。当适当增加钢中的氮含量时，可使加入钢中的微合金化元素钒绝大部分以碳氮化钒的形式析出，将钢中的固溶钒转化为析出钒，充分发挥了钒的析出强化作用，不但显著提高了含钒钢的强度，而且也明显细化了钢的铁素体晶粒，改善了含钒钢的综合性能，因此在含钒钢中，传统的有害杂质元素氮就转变成了有利的最经济的合金元素了。
01间隙式固溶强化
氮在含钒钢中的作用系列一：氮的强化作用可使屈服强度增加7~8MPa
氮的原子半径（
SPAN>）比较小（Fe 0.172nm），较容易侵入母相晶格的间隙中，在钢中形成间隙式固溶体，导致晶格产生畸变，其影响远远大于置换式固溶原子。在体心立方结构的α-Fe中，氮原子侵入八面体中的位置如图1所示，为bcc单位晶胞各棱的中央和各面的中心位置。在α-Fe中通过间隙型溶质原子的作用，产生了非对称的应变，具有非常强烈的固溶强化作用。
氮在含钒钢中的作用系列一：氮的强化作用可使屈服强度增加7~8MPa
图1 间隙式固溶N或C原子在α-Fe晶格中占据的位置
由于氮原子的侵入，α-Fe在<100>方向被扩张。Α-Fe晶体虽然共有3个等价的<100>方向，但是氮或碳原子只在其中1个特定的方向侵入，通常这个方向就规定为[001]方向，结果导致α-Fe晶格在[001]方向产生伸长的正应变，与刃型位错和螺型位错发生强烈的交互作用。间隙式固溶体的交互作用范围远远大于置换式固溶体的作用范围。α-Fe的C原子与刃型位错的结合能约为8×10-20Ｊ，碳、氮原子在位错芯附近偏析，形成科垂耳气团固定位错。当偏析的N或C原子达到饱和时，其沿着位错线以碳氮化物的形式析出，阻碍位错运动，导致间隙式固溶原子产生的强化作用远远高于置换式固溶原子。
图2给出了在低碳铁素体钢中的固溶强化实验结果，由图可以看出，各种合金元素加入钢中对钢的屈服强度有较大的影响，以硅为代表的置换型固溶原子虽然可显著提高钢的屈服强度，但是与氮和碳间隙型固溶原子相比其强化能力是较小的，即间隙型固溶原子具有更大的强化作用。由图可以看出，其强化作用约为置换型固溶原子的10~100倍。间隙型固溶原子与位错之间有强烈的交互作用，比较容易在位错附近偏析，此时的强化效果还会进一步增强。强化作用的大小与溶质原子的1/2次方成正比。
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图2 低碳铁素体-珠光体结构钢中的固溶强化
图3给出了在奥氏体不锈钢中的固溶强化实验结果。由图可以看出，在奥氏体不锈钢中氮的间隙型固溶强化效果非常显著，利用氮能大量固溶于奥氏体不锈钢中的特点，已研制出屈服强度超过2000MPa的超高强度钢；利用间隙原子氮具有强烈形成、稳定奥氏体并扩大奥氏体区的作用，节约了较贵重的镍元素，降低了奥氏体不锈钢的制造成本，研制出一系列经济型不锈钢，了不锈钢的应用范围；利用间隙原子氮提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能的优点，特别是耐局部腐蚀性能，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀，研制出一系列高强度、高耐蚀性能的高牌号不锈钢。
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图3 在奥氏体不锈钢中的固溶强化
02析出强化
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在各种微合金化元素中，钒是最适合产生稳定强烈析出的元素，因为其碳氮化物的溶解度积很大，固溶温度比较低，在高温下的溶解能力大。与铌相比，钒的主要特征是钒的氮化物的溶解度比碳化物低两个数量级，这可使氮在含钒钢中在沉淀强化方面起非常重要的作用，钢中的氮能与钒形成大量弥散的细小碳氮化钒粒子，通过析出强化和晶粒细化强化显著提高钢的强度，改善或保持钢的良好塑性和韧性。
氮含量对钢的强度有很大影响。图4给出了氮对20MnSiV钢强度影响的试验结果。试验结果表明，随着氮含量的增加，V(C,N)析出的密度增大，析出颗粒尺寸减小，也就是说析出反应的化学驱动力增加，导致形核率增大。当钢中的氮含量由0.0085%增加到0.018%时，在其他成分均保持不变的情况下，则钢的屈服强度提高118MPa，抗拉强度提高135MPa，即增加钢中的氮含量具有明显的强化效果。
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图4 氮含量对20MnSiV钢强度的影响
在中碳非调质钢的情况下，氮含量对强度的影响也是非常显著的。图5是氮含量对中碳非调质钢强度影响的试验结果，当钢中的氮含量从0.004%增加到0.016%时，屈服强度提高110MPa，由此可见，在中碳非调质钢的情况下增氮的强化效果也是很明显的。在实际生产中，为提高中碳非调质钢的强度并改善钢的韧性，采用适当增加钢中的氮含量的方法，通过碳氮化钒的析出，促进晶内铁素体的生成，细化铁素体晶粒，提高中碳非调质钢的综合性能，是钢中充分利用廉价元素氮的典型实例。
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图5 氮含量对中碳非调质钢(0.32%C-0.25%Si-1.45%Mn-0.06%V)强度的影响
氮对钢强度的影响与钢中的钒含量有关。图6给出了不同氮含量和不同钒含量对钢强度影响的试验结果。由图可以看出，尽管钢中的钒含量不同，但随着氮含量的提高，钢的屈服强度均能显著提高；在氮含量相同的情况下，随着钒含量的提高，钢的屈服强度显著提高；当钢中的氮含量从0.005%增加到0.015%，钒含量从0.07%增加到0.15%时，钢的屈服强度则从350MPa提高到550MPa。钢中的钒和氮具有复合强化效果。
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图6 氮对不同钒含量钢(0.17%C-1.04%Mn)屈服强度的影响
钢中添加钒可以很好地结合钢中的游离氮，阻止钢的应变时效脆化现象，当钢中的V/N比达到4:1时，可完全消除应变时效脆化现象。
钒微合金化钢中的碳含量对钢的强度也有影响。由于VN比VC的溶解度低，在各种氮含量的情况下，先形成的V(C,N)总是富氮的，只有当钢中几乎所有的氮全被消耗后，碳氮化物中的碳才开始增加。为进一步产生连续的析出强化，钢中必须有足够的固溶碳和化学驱动力形成新的V(C,N)核心。以前人们认为，钢中的碳含量对微合金化碳氮化物的影响很小或根本没有影响。但最近的研究结果表明，钒微合金化钢的析出强化效果与钢中总碳含量有关，随钢中总碳含量的增加，钢的强度明显增大，碳含量每增加0.01%，则析出强化增量增加5.5MPa。这是由于含钒钢中碳含量的增加延迟了珠光体（铁素体＋渗碳体）转变，奥氏体/铁素体相平衡所决定的铁素体中较高的碳含量能维持更长的时间所致。
根据试验研究结果，采用回归分析方法，可以得出钒微合金化钢中氮和钒对屈服强度（MPa）贡献的数学表达公式：
ReL＝140×ω(Mn)＋770×ω(C)＋7630×ω(N)
由上式可以看出，钢中每增加0.001%的氮可使屈服强度增加7~8MPa。
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