氮在含釩鋼中的作用 系列一：氮的強化作用
通常認為，氮是鋼中有害的雜質元素，能使鋼產生時效脆化，因此在煉鋼過程中要采用真空脫氣和精煉工藝盡量去除鋼中的氮，在某種程度上增加了制鋼的成本。但是在含釩鋼中，氮的性質發生明顯變化。大量的研究結果表明，氮能促進含釩鋼中碳氮化釩的析出，產生強烈的析出強化。當鋼中的氮含量比較低時，加入鋼中的微合金化元素釩絕大部分以固溶形式存在于鋼中，不能充分發揮釩的析出強化作用，沒有達到鋼中添加釩的預期目的，在某種意義上說是一種潛在的浪費。當適當增加鋼中的氮含量時，可使加入鋼中的微合金化元素釩絕大部分以碳氮化釩的形式析出，將鋼中的固溶釩轉化為析出釩，充分發揮了釩的析出強化作用，不但顯著提高了含釩鋼的強度，而且也明顯細化了鋼的鐵素體晶粒，改善了含釩鋼的綜合性能，因此在含釩鋼中，傳統的有害雜質元素氮就轉變成了有利的最經濟的合金元素了。
氮的原子半徑（0.075nm）比較小（Fe 0.172nm），較容易侵入母相晶格的間隙中，在鋼中形成間隙式固溶體，導致晶格產生畸變，其影響遠遠大于置換式固溶原子。在體心立方結構的α-Fe中，氮原子侵入八面體中的位置如圖1所示，為bcc單位晶胞各棱的中央和各面的中心位置。在α-Fe中通過間隙型溶質原子的作用，產生了非對稱的應變，具有非常強烈的固溶強化作用。
圖1 間隙式固溶N或C原子在α-Fe晶格中占據的位置
由于氮原子的侵入，α-Fe在<100>方向被擴張。Α-Fe晶體雖然共有3個等價的<100>方向，但是氮或碳原子只在其中1個特定的方向侵入，通常這個方向就規定為[001]方向，結果導致α-Fe晶格在[001]方向產生伸長的正應變，與刃型位錯和螺型位錯發生強烈的交互作用。間隙式固溶體的交互作用范圍遠遠大于置換式固溶體的作用范圍。α-Fe的C原子與刃型位錯的結合能約為8×10-20Ｊ，碳、氮原子在位錯芯附近偏析，形成科垂耳氣團固定位錯。當偏析的N或C原子達到飽和時，其沿著位錯線以碳氮化物的形式析出，阻礙位錯運動，導致間隙式固溶原子產生的強化作用遠遠高于置換式固溶原子。
圖2給出了在低碳鐵素體鋼中的固溶強化實驗結果，由圖可以看出，各種合金元素加入鋼中對鋼的屈服強度有較大的影響，以硅為代表的置換型固溶原子雖然可顯著提高鋼的屈服強度，但是與氮和碳間隙型固溶原子相比其強化能力是較小的，即間隙型固溶原子具有更大的強化作用。由圖可以看出，其強化作用約為置換型固溶原子的10~100倍。間隙型固溶原子與位錯之間有強烈的交互作用，比較容易在位錯附近偏析，此時的強化效果還會進一步增強。強化作用的大小與溶質原子的1/2次方成正比。
圖2 低碳鐵素體-珠光體結構鋼中的固溶強化
圖3給出了在奧氏體不銹鋼中的固溶強化實驗結果。由圖可以看出，在奧氏體不銹鋼中氮的間隙型固溶強化效果非常顯著，利用氮能大量固溶于奧氏體不銹鋼中的特點，已研制出屈服強度超過2000MPa的超高強度鋼；利用間隙原子氮具有強烈形成、穩定奧氏體并擴大奧氏體區的作用，節約了較貴重的鎳元素，降低了奧氏體不銹鋼的制造成本，研制出一系列經濟型不銹鋼，了不銹鋼的應用范圍；利用間隙原子氮提高奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能的優點，特別是耐局部腐蝕性能，如耐晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕，研制出一系列高強度、高耐蝕性能的高牌號不銹鋼。
圖3 在奧氏體不銹鋼中的固溶強化
在各種微合金化元素中，釩是最適合產生穩定強烈析出的元素，因為其碳氮化物的溶解度積很大，固溶溫度比較低，在高溫下的溶解能力大。與鈮相比，釩的主要特征是釩的氮化物的溶解度比碳化物低兩個數量級，這可使氮在含釩鋼中在沉淀強化方面起非常重要的作用，鋼中的氮能與釩形成大量彌散的細小碳氮化釩粒子，通過析出強化和晶粒細化強化顯著提高鋼的強度，改善或保持鋼的良好塑性和韌性。
氮含量對鋼的強度有很大影響。圖4給出了氮對20MnSiV鋼強度影響的試驗結果。試驗結果表明，隨著氮含量的增加，V(C,N)析出的密度增大，析出顆粒尺寸減小，也就是說析出反應的化學驅動力增加，導致形核率增大。當鋼中的氮含量由0.0085%增加到0.018%時，在其他成分均保持不變的情況下，則鋼的屈服強度提高118MPa，抗拉強度提高135MPa，即增加鋼中的氮含量具有明顯的強化效果。
圖4 氮含量對20MnSiV鋼強度的影響
在中碳非調質鋼的情況下，氮含量對強度的影響也是非常顯著的。圖5是氮含量對中碳非調質鋼強度影響的試驗結果，當鋼中的氮含量從0.004%增加到0.016%時，屈服強度提高110MPa，由此可見，在中碳非調質鋼的情況下增氮的強化效果也是很明顯的。在實際生產中，為提高中碳非調質鋼的強度并改善鋼的韌性，采用適當增加鋼中的氮含量的方法，通過碳氮化釩的析出，促進晶內鐵素體的生成，細化鐵素體晶粒，提高中碳非調質鋼的綜合性能，是鋼中充分利用廉價元素氮的典型實例。
圖5 氮含量對中碳非調質鋼(0.32%C-0.25%Si-1.45%Mn-0.06%V)強度的影響
氮對鋼強度的影響與鋼中的釩含量有關。圖6給出了不同氮含量和不同釩含量對鋼強度影響的試驗結果。由圖可以看出，盡管鋼中的釩含量不同，但隨著氮含量的提高，鋼的屈服強度均能顯著提高；在氮含量相同的情況下，隨著釩含量的提高，鋼的屈服強度顯著提高；當鋼中的氮含量從0.005%增加到0.015%，釩含量從0.07%增加到0.15%時，鋼的屈服強度則從350MPa提高到550MPa。鋼中的釩和氮具有復合強化效果。
圖6 氮對不同釩含量鋼(0.17%C-1.04%Mn)屈服強度的影響
鋼中添加釩可以很好地結合鋼中的游離氮，阻止鋼的應變時效脆化現象，當鋼中的V/N比達到4:1時，可完全消除應變時效脆化現象。
釩微合金化鋼中的碳含量對鋼的強度也有影響。由于VN比VC的溶解度低，在各種氮含量的情況下，先形成的V(C,N)總是富氮的，只有當鋼中幾乎所有的氮全被消耗后，碳氮化物中的碳才開始增加。為進一步產生連續的析出強化，鋼中必須有足夠的固溶碳和化學驅動力形成新的V(C,N)核心。以前人們認為，鋼中的碳含量對微合金化碳氮化物的影響很小或根本沒有影響。但最近的研究結果表明，釩微合金化鋼的析出強化效果與鋼中總碳含量有關，隨鋼中總碳含量的增加，鋼的強度明顯增大，碳含量每增加0.01%，則析出強化增量增加5.5MPa。這是由于含釩鋼中碳含量的增加延遲了珠光體（鐵素體＋滲碳體）轉變，奧氏體/鐵素體相平衡所決定的鐵素體中較高的碳含量能維持更長的時間所致。
根據試驗研究結果，采用回歸分析方法，可以得出釩微合金化鋼中氮和釩對屈服強度（MPa）貢獻的數學表達公式：
ReL＝140×ω(Mn)＋770×ω(C)＋7630×ω(N)
由上式可以看出，鋼中每增加0.001%的氮可使屈服強度增加7~8MPa。
