铌\钒\钛合金元素在钢中的作用
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摘 要：微合金化元素Nb、V、Ti在钢中的作用，主要表现在在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大，并通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，对钢进行沉淀强化。这3个元素虽然都是通过细化晶粒和沉淀强化来提高强度，但它们在钢中的作用机理及强化程度并不同，Nb在钢中具有最强的晶粒细化强化效果，而V在钢中具有最强的沉淀强化效果，Ti则介于Nb和V两者之间。
关键词：微合金化 细化晶粒 沉淀强化
1 概述
钢中铌、钒、钛的微合金化技术起源于20世纪60年代，因刚中加入微量铌、钒、钛后，与控轧工艺相结合，使微合金元素的析出行为得到控制，如控制其沉淀析出量，沉淀析出相的形貌、大小及分布，已达到改善钢材的综合性能的目的，无论是强度、韧性、韧脆转变温度，还是钢的工艺成型性、焊接性能、耐腐蚀性能以及抗致裂性等都有显著的改善，钢的屈服强度达到了1 000 MPa以上，FATT达到了-100℃， 同时降低了生产成本，产品广泛应用于油气管线、车辆、建筑结构、采油平台、压力容器、船舶壳体等众多领域。
微合金钢具有以下特性：1)在低含C量和超低含C量的情况下，具有良好的冷热成型性和焊接性。2)介于合金钢和非合金钢之间，通过添加少量的C、N化合物形成元素Nb、V、Ti等，以晶粒细化和析出强化为主对钢进行强韧化处理。3)钢的屈服强度不低于275 MPa。4)可以较好地在非热处理状态(控轧、控冷等)下使用。
微合金元素的主要作用是：在钢中形成细小的碳化物和氮化物或碳氮化合物，其质点钉扎在晶界处，在再加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大，在再结晶控轧过程中阻止形变奥氏体的再结晶，延缓再结晶奥氏体晶粒的长大，在焊接过程中阻止焊接热影响区晶粒的粗化，从而显著地改善微合金化钢的综合性能。Nb、Ti、V是最常用的微合金化元素，它们对晶界的钉扎作用是依次降低的。在低合金高强度钢中，复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。Nb、Ti、V这3种元素都可以在奥氏体或铁素体中沉淀，因为在奥氏体中溶解度大而扩散率小，故在奥氏体中沉淀比在铁素体中缓慢，形变可以加速沉淀过程，一般地，应使在奥氏体中沉淀减至最小，在固溶体中保持较多的合金元素而留待在铁素体中沉淀，这可依靠合金化增加微合金元素在奥氏体中的溶解度，例如在含Nb钢中加入Mn或Mo来实现。
2 Nb在钢中的作用
Nb在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，因而对再结晶具有强烈的阻止作用，Nb的这种作用高于Ti和V。Nb在钢中可以形成NbC或NbN等间隙中间相。在再结晶过程中，因NbC、NbN对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用，从而大大增加了再结晶的时间。在高于临界温度时，Nb元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制，而在低于临界温度时，则表现为析出钉扎机制。Nb的完全固溶温度较高，在均热温度不是很高时Nb不宜单独加入，可以和V一起进行复合添加，这样既能提高钢的强度又能改善钢的韧性，主要因为V的固溶温度低，可以起到沉淀强化作用，而Nb在较低的均热温度下大部分还没有溶解，可以起到细化晶粒的作用。
Nb在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。一般钢中Nb的加入量在0.05%以下，高于0.05%的Nb对强韧化的贡献将不再明显。微量的Nb足可使钢得到极好的综合性能，因为在低Nb浓度下，钢的屈服强度增长较快，并且和浓度成正比，但当Nb含量大于0.03%时，强化效果就开始降低，有研究表明，当Nb含量大于0.06%时，多余的Nb对钢将不再有强化作用。
3 V在钢中的作用
V是我国富有的元素之一，V在钢中具有较高的溶解度，是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一，钢中V的加入量一般在0.04%~0.12%之间。V的作用是通过形成V (C，N)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性。
钢中加V后，强度可以增加150~300 MPa，近年来，通过对含钒钢进行低温轧制，使钢的晶粒得以细化，提高了钢的强韧性，扩大了含钒钢的使用范围，含钒钢正不断用于多种技术要求的重要结构部位。
V与钢中的氮具有较强的亲和力，可以固定钢中的“自由”氮，在钢中，V与C和“自由”N结合形成V(C，N)化合物，大大降低了钢中的“自由”N含量，避免了钢的应变时效性。另一方面，含钒钢中加入适量的N也是必须的，热力学计算结果表明，含钒钢中氮含量的增加提高了V(C，N)的析出温度，并增加了其析出的驱动力，随钢中氮含量的增加，析出相中碳氮组分发生了明显的变化，低氮情况下，析出相以VC为主，随氮含量不断增加，逐渐转变成以VN为主的析出相，当钢中氮含量达到200×10-6以上时，在整个析出温度范围，均是析出VN或富氮的V(C，N)，颗粒尺寸和间距也明显减小，所以，要发挥钢中钒的强化效果，钢中要有一定的氮含量。钒氮微合金化通过优化V的析出和细化铁素体晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化的作用，显著改善了钢的强韧性。
4 Ti在钢中的作用
Ti是强碳化物形成元素，它和N、O、C都有极强的亲和力。另外，Ti和S的亲和力大于Fe和S的亲和力，因此在含Ti钢中优先生成硫化钛，降低了生成硫化铁的几率，可以减少钢的热脆性。Ti与C形成的碳化物结合力极强、极稳定、不易分解，只有当加热温度达1 000℃以上时，才开始缓慢地溶入固溶体中，在未溶入前，TiC微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用。Ti是极活泼的金属元素，Ti还能与Fe和C生成难溶的碳化物质点，富集于钢的晶界处，阻止钢的晶粒粗化，Ti也能溶入γ和α相中，形成固溶体，使钢产生强化。一般钢中Ti的加入量应大于0.025%。
在钢液凝固过程中形成的大量弥散分布的TiC颗粒，可以成为钢液凝固时的固体晶核，利于钢的结晶，细化钢的组织，减少粗大柱状晶和树枝状组织的生成，可减少偏析降低带状组织级别。另外，Ti也能与N结合生成稳定的高弥散化合物，Ti还能减慢珠光体向奥氏体的转变过程。
含有微量Ti的钢，在低于900℃正火时，能提高钢的屈服点及屈强比，同时不降低钢的塑韧性，值得注意的是，当钢中的Ti/C比高于4时，钢的强度及韧性均急剧下降。在>1 100℃加热时，大部分的碳化物可以溶入奥氏体中，这样，在正火或淬火处理后，钢的强度将大幅度地提高。
5 结束语
微合金化元素Nb、V、Ti在钢中的作用，主要表现在两个方面：一是在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大;二是通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，发挥Nb、V、Ti的沉淀强化作用。Nb在钢中具有最强的晶粒细化强化效果，V在钢中具有最强的沉淀强化效果，Ti则介于Nb和V两者之间。单个元素在钢中的作用有其局限性，目前国内外都在积极进行钒铌复合强化和钛铌复合强化等研究，并已开发出多种复合强化的新钢种，复合微合金化充分利用了Nb、V、Ti相互间的交互作用，有效地节省了资源，大大降低了高强钢的生产成本。
钢中加入Nb、V、Ti微合金化元素时，必须配合采用控轧控冷工艺，才能充分发挥其细化晶粒和沉淀强化作用，获得良好的综合机械性能。
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