铌微合金化钢的强韧化机理概述

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铌在钢中的存在形态主要有：微量固溶于铁基体中或形成碳氮化铌第二相。微合金钢中铌的细化晶粒和沉淀强化作用，是通过元素的碳氮化物沉淀析出起作用的。     铌在钢中可以以置换溶质原子存在，对再结晶的抑制作用与其和铁原子尺寸及电负性差异有关，即所谓的溶质拖曳机制。铌原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，其偏聚浓度也相对增高，从而对位错攀移产生较强的拖曳作用，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，这种作用高于Ti、Mo、V，是与铁原子尺寸相差较小的Mn、Cr、Ni对再结晶的阻止作用的几十倍或上百倍。     铌是强碳氮化物形成元素，在钢中与碳、氯结合可形成NbC-、Nb(CN)、NbN等中间相。铌的碳氮化物在轧钢时可以“钉扎”晶界，“钉扎力”大于该温度下的再结晶驱动力，因而阻止晶粒长大，在1100℃下即可起到很大的“钉扎”作用。固溶铌由于铌的原子半径比铁大得多，因而具有强烈的拖曳晶界移动的能力。在再结晶过程中，因NbC、NbN、Nb (CN)对位锵的钉扎和阻止亚晶界的迁移使再结晶时间大大延长，且随析出量的增加而增大。在临界温度之上，铌元素对再结晶的影响表现为溶质拖曳机制；而在此温度之下，则表现为析出钉扎机制。     以Nb-V-N复合添加时，可形成(NbV)。铌比钒的完全固溶温度高得多，故在均热温度不是很高时铌不宜单独加入。若铌和钒复合添加时，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性，这是因为钒固溶温度低，可以起沉淀强化作用，而铌在较低的均热温度下大部分不溶解，可以起细化晶粒的作用。尽管NbN也能阻止均热态奥氏体晶粒粗化，但由于其在奥氏体中具有较大的固溶度，故若采用NbN来阻止均热态晶粒粗化，就必然要同时产生固溶或沉淀析出的细小Nb(CN)对再结晶起阻止作用，因而在典型的再结晶控轧钢中不能采用NbN来阻止均热态晶粒粗化。Nb (CN)比NbC溶解度低，因此在较低的再加热温度下就可得到所期望的固溶铌量。换言之，在相同的再加热温度下，就可以使更多的铌固溶，并在较高的轧制温度下有效推迟再结晶的发生，这就是所谓的“高温轧制工艺”。较高的溶解度和较高的加T温度两者均使终轧温度下有更多数量的同溶铌，这些固溶铌随后可以通过在铁索体中的析出而产生进一步的强化。     铌的突出特点足提高了奥氏体的再结晶温度而使奥氏体晶粒细化，热加工时在非再结晶区用大的形变量增加总的晶界面积，同时由于应变诱导沉淀的作用使这些界面成为相变时的择优形核地点，为γ-α相变晶粒细化奠定基础。     铌的另一重要作用是取得沉淀强化效果。沉淀强化是除晶粒细化之外微合金钢中最重要的强化方式。添加微量合金元素，就可获得成百兆帕的强度。铌的碳氮化物析出相作为障碍物与可动位错的交互作用是造成析出强化的本质。根据析出相的强度及其与基体相的共格程度不同，位错采取切过机制和Orowan绕过机制运动。铌的碳氮化物具有高硬度和低塑性，为强障碍物，无论析出相与基体共格与否，位错均难以切过析出相。在含铌钢中析出的碳氮化物基本上都以Orowan机制对钢材起强化作用。析出相的性质、形状、尺寸、分布及其与基体相的共格程度决定了析出强化对材料强度的贡献。当析出相为均匀弥散分布的细小球状颗粒时，能够改善钢的塑性。