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氮在含釩鋼中的作用 系列二:氮對細化晶粒的作用 顯著細化鐵素體晶粒

通常認為,氮是鋼中有害的雜質元素,能使鋼產生時效脆化。但是在含釩鋼中,氮的性質發生了明顯的變化。當適當增加含釩鋼中的氮含量時,不僅可以顯著提高含釩鋼的強度,還可以明顯細化含釩鋼的鐵素體晶粒,改善了含釩鋼的綜合性能。


01
促進晶內鐵素體的形核


氮能促進晶內鐵素體(IGF)的生成,顯著細化鐵素體晶粒。龔維冪等人對比研究了V-N鋼和V鋼對晶內鐵素體形核和細化鐵素體晶粒的影響,如圖1所示。由金相照片可以看出,N對晶內鐵素體的形成有顯著影響。在V鋼中添加0.014%N,使晶界鐵素體和晶內鐵素體數量大大增加,當等溫時間為2s(見圖11a和圖12a)時,V-N鋼中生成了大量晶界鐵素體和部分晶內鐵素體,而V鋼中只生成了很少量的晶界鐵素體;隨著等溫時間的增加,當等溫時間為4s(見圖11b和圖12b)時,V-N鋼中生成的晶內鐵素體數量進一步增加,而V鋼中只有晶界鐵素體略有增加并且長大,沿晶界連接起來形成環狀;當等溫時間為20s(見圖11c和圖12c)時,V-N鋼中生成了大量細小的晶內鐵素體,而V鋼中生成的鐵素體不但數量很少,而且尺寸粗大。由此可見,N對促進晶內鐵素體的生成,細化鐵素體晶粒具有非常重要的作用。

1  V-N鋼和V鋼在1200℃×600s加熱→1050℃形變50%→870℃形變5%→650℃

等溫時晶內鐵素體生成數量的比較

1-V-N(0.10%V-0.014%N);2-V(0.10%V-0.0036%N);

a,b,c-分別表示等溫2s、4s20s

為深入了解N促進晶內鐵素體生成的作用,分別測定了650℃不同時間(020s)等溫后V-N鋼和V鋼的鐵素體形核總量和晶內鐵素體的形核數量,其結果示于圖2。在含0.10%V的鋼中,添加0.014%N顯著提高了晶內鐵素體的形核數量,V-N鋼晶內鐵素體的形核數量約是V鋼的6倍,大大細化了鋼的鐵素體晶粒,因此,釩鋼通過添加適量的氮對促進晶內鐵素體的生成,細化鋼的鐵素體晶粒是非常有效的。

2  氮對晶內鐵素體形核數量的影響

02
提高相變細化比率


眾所周知,相變是鋼鐵材料組織細化的重要方法之一。為描述這種V-N微合金鋼的鐵素體晶粒細化現象,許多研究者都采用奧氏體晶粒尺寸Dγ與鐵素體晶粒尺寸Dα的比率來描述,即Dγ/Dα。在V-N微合金鋼的情況下,通過再結晶控制軋制或熱處理,使VN在奧氏體區析出。這種相變前析出的VN,將成為相變后鐵素體形核的核心。在奧氏體區析出的VN越多,則鐵素體的形核密度就越大,相變后鐵素體晶粒尺寸就越細小,如圖3和圖4所示。

3表明,在相同奧氏體晶粒尺寸下,V-N鋼的相變比率比C-Mn高得多,可見釩和氮提高了相變細化比率,對鐵素體晶粒的細化有明顯影響。同時,奧氏體晶粒尺寸對相變比率Dγ/Dα也有較大影響,奧氏體晶粒越細則相變比率就越大。

3  氮和釩對細化鐵素體晶粒的影響

4氮對V-Ti-N鋼鐵素體晶粒細化的影響表明,在V-N-Ti鋼中,隨著氮含量的增加,在各種不同的冷卻速度下,相變細化比率都有明顯的提高,這是由于增氮促進了碳氮化釩在奧氏體-鐵素體晶界上的析出,有效阻止了鐵素體晶粒的長大,同時,增加了相變后鐵素體的形核位置,起到細化鐵素體晶粒尺寸的作用。可以看出,為提高V-N微合金鋼的相變比率,需要較高的氮含量。研究結果表明,較高的氮含量可以促進VN在奧氏體區析出。VN析出量越多,奧氏體晶粒就越細。因此,較高氮含量的V-N微合金鋼的晶粒細化,是由VN在奧氏體區析出,使奧氏體晶粒細化和相變時Dγ/Dα相變比增大引起的。

4  氮對V-Ti-N鋼鐵素體晶粒細化的影響


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