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1的1a和圖1的2a)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1的1b和圖1的2b)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1的1c和圖1的2c)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。

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

a,b,c-分別表示等溫2s、4s和20s

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(0～20s)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。

圖2氮對晶內鐵素體形核數量的影響

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D_γ與鐵素體晶粒尺寸D_α的比率來描述,即D_γ/D_α。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。

圖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D_γ/D_α也有較大影響,奧氏體晶粒越細則相變比率就越大。

圖3氮和釩對細化鐵素體晶粒的影響

圖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?？梢钥闯?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D_γ/D_α相變比增大引起的。

圖4氮對V-Ti-N鋼鐵素體晶粒細化的影響

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