氮含量对钒微合金钢组织性能的影响张开华1雍岐龙2（1. 攀枝花钢铁研究院，攀枝花617000；2.钢铁研究总院结构所，北京100081）摘要为了研究钒的析出形式对微合金组织和性能的影响，检验了实验室轧制的不同氮含量的两种钒微合金钢的组织和性能，结果表明，在轧后水冷条件下，V钢的组织中仅有极少量的铁素体，而V-N钢有大量的晶界铁素体。
在轧后空冷条件下，两种钢的组织均为铁素体+珠光体，V-N钢的铁素体晶粒比V钢细小，由于V-N钢中V(C,N)析出温度高，析出粒子粗大，对强度贡献较小，V-N钢的屈服强度和抗拉强度比V钢低，延伸率比V钢高。
关键词钒微合金钢组织性能氮含量The Effect of Nitrogen on Micro-structure and Mechanical Propertiesof V-bearing Micro-alloying SteelZhang Kaihua1 Yong Qilong2(1．Panzhihua Iron and Steel Research Institute, Panzhihua, 617000；2．Central Iron and Steel Research Institute ,Beijing，100081)Abstract The microstructure and mechanical properties of V-bearing micro-alloying steel of different nitrogen content have been studied at laboratory. The results show that the ferrite exists scarcely in V steel, and the grain boundary ferrite exists in V-N steel with water-cooling after rolling. With air-cooling after rolling, the temperature of V(C,N) presentation in V-N steel is higher that in V steel, the ferrite grain size of V-N steel is finer than that of V steel, the yield strength and tensile strength of V steel is higher than that of V-N steel, the elongation is lower than that of V-N steel.Key words vanadium, micro-alloying steel, structure, mechanical properties, nitrogen1 引言高强度微合金钢中，加入微合金元素的目的是产生晶粒细化和沉淀强化，提高钢材的性能。
钒作为重要的微合金元素，其主要作用是强烈的沉淀强化作用以及易于控制。
在钒微合金化钢中，氮被认为是一种廉价的有效的微合金化元素，钒在钢中作用的大小与钢中的氮含量有很大的关系，有研究表明，在长棒材生产中，每增加0.001%的氮可提高强度约10MPa[1]，在现在，钒氮合金主要应用于以下几个方面：（1）高强度焊接钢筋等长棒材，在这类钢的生产中，一般终轧温度比较高（1000℃以上），冷却速度比较快，钒高温时析出很少甚至基本不析出，氮的加入增加了V(C，N)在铁素体低温析出的驱动力，随钢中氮含量的增加，V(C，N)析出相数量增加、颗粒尺寸和间距明显减小[2]。
氮还改变了钒在相间的分布，低氮钢中近60%的钒固溶于基体，有约35%的钒以V(C，N)形式析出；而高氮钢中则完全相反，70%的钒以V(C，N)形式析出，仅剩20％的钒固溶于基体中[3]。
（2）非调质钢，氮在非调质钢中的主要作用是：1）促进钒的析出，提高沉淀强化效果；2）细化晶粒；3）提高TiN的稳定性。
(3)CSP高强度带钢，因为钒氮钢可以避免Nb钢铸坯裂纹问题，同时也可以通过析出强化提高强度。
四是采用V-N微合金化技术与第三代TMCP工艺结合生产的高强度钢板，利用VN形成晶内铁素体(IGF)的技术来细化组织的方法，并与再结晶控轧工艺(RCR)相结合，细化铁素体晶粒。
综上所述，钒氮合金的应用主要是：（1）利用钒的低温析出的沉淀强化。
（2）利用钒的高温析出，促进晶内铁素体形核。
为了充分发挥钒在钢板的作用，研究V的不同析出形式对钢板的组织和性能的影响是必要的。
本文研究了在空冷条件下不同氮含量的中厚板的金相组织和力学性能，分析钒的析出形式对微合金钢组织和性能的影响。
2 试验材料及试验方法试验采用50kg真空感应炉冶炼的低碳含钒钢，化学成分见表1。
钢锭锻成40mm厚的坯料后，在箱式电阻炉中加热到1200℃，保温1h，在实验室轧机上经过3道次轧制，轧成8.6mm厚的钢板，实验室轧制工艺方案见表2。
表1试验钢化学成分(%)Tab.1 Chemical composition of tested steels(%)序号 C Si Mn S P V NV钢0.12 0.25 1.10 0.009 0.016 0.150 0.0028 V-N钢0.13 0.24 1.04 0.009 0.015 0.157 0.0190表2实验工艺方案Tab.2 Process parameters of experiment编号第一道次开轧温度/℃第一道次变形量/% 第二道次变形量/% 第三道次变形量/% 冷却1 900 40 40 40 水冷到室温2 900 40 40 40 空冷到室温3 900 40 40 40 空冷到600℃后炉冷在钢板上制取金相和力学试样。
金相试样经研磨抛光后，用3%的硝酸酒精腐蚀，在NeophotⅡ光学显微镜下观察试验钢的显微组织。
采用拉伸试验测量试验钢的屈服强度、抗拉强度和延伸率。
3 试验结果3.1金相组织试验钢金相组织见图1～图3，图1为水冷到室温时的金相组织，从图1可见，在轧后水冷条件下，V 钢的组织中仅有极少量的铁素体组织，而V-N钢存在较多的晶界铁素体，部分铁素体组织已经从晶界向晶内扩展。
图1 工艺1的金相组织（a为V钢，b为V-N钢）Fig.1 The typical microstructure of process 1（a: V steel，b: V-N steel）图2 工艺2的金相组织（a为V钢，b为V-N钢）Fig 2 The typical microstructure of process 2（a: V steel，b: V-N steel）图3 工艺3的金相组织（a为V钢，b为V-N钢）Fig.3 The typical microstructure of process 3（a: V steel，b: V-N steel）图2为轧后空冷到室温时的金相组织，图3是轧后空冷到600℃后炉冷的金相组织。
从图2、图3可见，在这两种工艺条件下，两种钢的金相组织均为铁素体+珠光体，而且V钢的晶粒比V-N钢粗，在V-N钢中有部分细小的铁素体晶粒。
无论是V钢，还是V-N钢，轧后空冷到室温的晶粒比轧后空冷到600℃后炉冷的晶粒细小，特别是V-N钢，轧后空冷到600℃后炉冷的细小的铁素体晶粒明显比轧后空冷到室温的少。
3.2力学性能试验钢力学性能见图4，从图4可见，无论在工艺2还是工艺3的条件下，V钢的屈服强度比V-N钢高，抗拉强度也比V-N钢高，延伸率比V-N钢低。
无论是V钢还是V-N钢，轧后空冷到室温的屈服强度比轧后空冷到600℃后炉冷的屈服强度高，延伸率也比轧后空冷到600℃后炉冷的延伸率高。
但是，在两种工艺条件下，无论是V钢还是V-N钢，抗拉强度基本一致。
图4 试验钢的力学性能Fig.4 The mechanical properties for different process4 分析和讨论虽然V在奥氏体中的溶解度较大，但是，热力学计算结果显示[4]，含钒钢中增氮提高了碳氮化钒的析出温度，并增加了其析出的驱动力，氮含量的增加使钒在奥氏体中的析出成为可能。
钒在奥氏体中的析出有三种方式，（1）是在已经存在的夹杂物（如MnS）上生长[5]；（2）是在奥氏体晶界析出；（3）在位错线上析出。
特别是在有变形存在的情况下，变形储能，为钒的析出提供了更为有利的条件。
本试验的试验钢中S含量很低，第一类析出很少，因此，在奥氏体晶界和在位错线上析出是主要的析出方式。
按照森影康等的模型计算结果，具有铁素体形核能力的第二相粒子尺寸应该在41 nm 以上，对于高氮钢，40%左右的变形就足以产生高密度的20～80nm大的VN粒子[6]。
因此，在晶界析出的V(C，N)作为铁素体的析出形核核心，促进了铁素体的相变，已形成的晶界铁素体与奥氏体的界面又成为晶内铁素体优先形核的有利位置。
由于晶界铁素体是沿晶界形成的，新形成的晶内铁素体又必然沿晶界铁素体成排列状形成，并向晶内扩展。
同时由于晶内又有大量弥散分布的V(C，N)存在，晶界铁素体与V(C，N)碰撞时又能形成新的界面，为晶内铁素体的形核也创造了条件。
V(C，N)粒子越多，这种界面形核的几率就越大，晶粒也就越细小。
在V-N钢中由于有大量细小弥散分布的V(C，N)的存在，大大增加了这种形核的几率，而且另一方面由于粒子钉扎作用的影响，还可有效阻止已形成的铁素体晶粒长大，而V钢中显然不具备形成这样有利于形核位置的条件。
因此，在轧后水冷条件下，V钢中只有极少量的铁素体，而V-N钢的奥氏体晶界全是铁素体组织，并有部分已经向晶内发展。
在轧后空冷条件下，V-N钢的铁素体晶粒比V钢更细。
对于铁素体—珠光体钢，其强度的关系式为R el（MPa）=A+32[Mn]+83[Si] +22D-1/2+ΔσsR m（MPa）=B+26[Mn]+83[Si] +15.7D-1/2+280f PE+Δσb上式中sσ∆是沉淀强化、位错强化等其他强化方式对屈服强度的贡献，而bσ∆则为其他强化方式对抗拉强度的贡献。
沉淀强化作用的强弱与第二相粒子的量、弥散程度以及第二相粒子的尺寸有关，第二相粒子尺寸越小，强化效果越大，在微合金钢中，VN粒子尺寸大约在6~8nm时才具有最大的强化效果[7]，虽然氮含量的增加，V(C，N)的析出量必然增加，但是，氮含量的增加，也必然提高V(C，N)的析出温度，从而导致析出的第二相粒子粗大，虽然V钢中V(C，N)的析出量比V-N钢少，但由于析出温度低，析出的第二相粒子细小弥散，对强度的贡献反而增大，弥散细小的析出物在提高强度的同时，会略微降低其塑性。