国际低合金会议论文02钒作为一种合金元素在结构钢中的作用.docx

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国际低合金会议论文02钒作为一种合金元素在结构钢中的作用

DifferentRolesforVanadiumasaMicroalloying

ElementinStructuralSteels

钒作为一种合金元素在结构钢中的作用

HUTCHINSONBevis

（SwereaKIMAB,SwedishCorrosionandMetalsResearchInstitute,Box55970,SE-10216Stockholm,Sweden）

Abstract:

Vanadiumisthemostversatileofthemicroalloyingelementsusedinsteels.Thepresentpaperdescribesthreeseparatewaysinwhichvanadiumisusedtooptimizemechanicalpropertiesindifferentproducts.Firstly,precipitationofV（C,N）duringtheγ→αtransformationorinferriteduringcoolingprovidesstrengtheningthatisespeciallyusefulinlongproductsandforgings.Additionally,VNparticleswhichprecipitateinausteniteactasefficientintra-granularnucleantsforferrite,contributingimprovedstrengthandtoughnessinsuitableprocessroutessuchasseamlesspipeproduction.Thirdly,vanadiumissupremelyeffectiveinpreventingrecoveryinmartensiteandbainite.Inthiswayitcanbeappliedtomaintainstrengthandreducesvariabilityofpropertiesinhotrolledstripsteels.

Keywords:

vanadium,precipitation,strength,toughness

摘要：

钒在钢中使用的合金元素中用途最广。

本文描述钒被用于优化不同产品的机械性能的三种独立的方法。

首先，γ→α转换过程中V（C，N）析出或冷却期间铁素体中V（C，N）析出提供强化作用，在长形产品或锻件中这种作用尤其明显。

第二，奥氏体中析出的VN粒子充当有效的铁素体晶间成核粒子，有助于在合适的工艺路线中，比如无缝管生产中，提高强度和韧性。

第三，钒对防止马氏体和贝氏体中的回复特别有效。

这样，钒可以被用于保持强度，减少热轧带钢性能的可变性。

关键词：

钒，析出，强度，韧性

Theimportantmicroalloyingelementsvanadium,niobiumandtitaniumareoftenconsideredasbeinginter-changeableinsteelsbutthatisseldomthecaseinrealityforreasonsthatdependontheirrespectiveaffinitiesfortheinterstitialelementscarbonandnitrogen[1].ThiscanbeunderstoodonthebasisofFig.1whichshowsthesolubilityproductsoftheircarbidesandnitridesinausteniteasafunctionoftemperature.Titaniumformsanextremelystablenitridethatpersistsasparticlesinthesteelevenclosetothemeltingpoint.Thesemaybeusedtoresistgraingrowthinaustenitebuttheyhavevirtuallynoeffectonstrengthandmaybedisadvantageouswithrespecttotoughness.Titaniumcarbide,ontheotherhand,hasahighsolubilityandformsprincipallyinsidetheferritephasewhereitgivessignificantprecipitation

hardeningalthoughattheexpenseofsomelossoftoughness.Niobiumcarbidesandnitridesarerathersimilarinstabilityandmostfrequentlyexistcombinedtogetherascarbonitrides,Nb（C,N）,atlowertemperaturesinaustenite.Niobiumisvaluablebecauseofitsabilitytointerferewithrecrystallisationinthelaterstagesofhotrolling[2]andsoencourage‘pancake’grainstructuresintheaustenite.Thisleadstograinrefinementintheresultingferriteaftertransformation,whichincreasesstrengthandtoughnessbutisrestrictedinpracticetoflatrolledproductswithlowfinishrollingtemperatures.Somefurtherstrengtheningmayalsobeobtainedfrom

precipitationintheferritephase.

重要的微合金化元素V、Nb、Ti经常被视为在钢中可以内部更换的，但是由于事实上却很少有这样的情况，原因是这取决于，它们各自对于间隙元素C和Ni的密切关系[1]。

这可以在图1的基础上理解，图1为作为温度的一个函数的奥氏体中碳化物和氮化物的溶度积。

Ti形成非常稳定的、一直作为钢中的粒子的氮化物，即使接近熔点。

这些元素可被用于阻止奥氏体中晶粒长大，但它们对强度几乎不产生影响，可能对韧性不利。

另一方面，碳化钛具有较高的溶解度，主要在铁素体相内形成，在那里碳化钛产生强大的沉淀强化作用，尽管以损失一部分韧性为代价。

铌碳化物和氮化物在稳定性方面非常相似，最常结合在一起，作为碳氮化物Nb（C,N），在较低温度下存在于奥氏体中。

由于在热轧后期Nb具有干扰再结晶的能力，Nb非常有价值，因此促使奥氏体中扁平状原奥氏体出现。

这导致相变后的铁素体中的晶粒细化，提高强度和韧性，但对于低终轧温度的轧制扁材在实践中受到限制。

在奥氏体相中也可能获得进一步的强化。

VanadiumdiffersinthatitsnitrideisconsiderablymorestablethanitscarbidebutVNisstillmoresolublethanNb（C,N）.Accordingly,vanadiumhaslittleeffectininhibitingrecrystallisationinaustenite[2]althoughparticlesofVNcanformundersuitablecircumstancesandthesemaysubsequentlyactasnucleantsforferriteaswillbeshownbelow.Forthis,andperhapsalsoforotherreasons,vanadiumandnitrogenadditionshaveamarkedbeneficialeffectofgrainrefinementinferritepearlitesteels.However,mostofthevanadiumisretainedinsolidsolutionuntilitprecipitatesasVNornitrogen-richV（C,N）atlowertemperaturesinferritewhereitprovidesahighdegreeofstrengthening.Afurtherbenefitofvanadiumisinsteelswithacicularbainiticormartensiticmicrostructureswherebyrecoveryofthedislocationnetworksisstronglyinhibited,soprovidingasignificantadvantageinstrengthandprocessabilityasdescribedbelow.

V的氮化物比其碳化物更为稳定，但是VN可溶性仍比Nb（C,N）更强。

因此，尽管VN粒子可以在合适的环境下在奥氏体中形成而且这些粒子可以充当铁素体成晶粒子，V对抑制奥氏体中再结晶影响还是很小。

由于这个原因和其它原因，添加V和Ni对铁素体珠光体钢的晶粒细化产生显著的有利影响。

但是，大多数V被保留在固溶体中，直到作为VN或富NiV（C,N）在较低温度时在铁素体中析出，产生高级别的强化效果。

V的另一个益处是通过针状贝氏体或马氏体显微组织对位错网络恢复产生强烈的抑制作用，因此对强度和加工性能非常有利。

图1不同温度下重要的碳化物和氮化物的溶度积

ThestabilityofVNphasemeansthattheefficacyofvanadiuminsteelisintimatelyconnectedwiththenitrogencontentsothereisnopointinpressingnitrogenlevelstothelowestvaluesthatmodernsteelworkscanachieve.Typicallevelsfromelectricarcfurnacesof~0.01%Nrepresentapracticaloptimumand,wherenecessary,additionofnitrogentoaroundthislevelisrecommended.Infact,invanadiumsteels,nitrogenshouldbeconsideredasacomplementarymicroalloyingelement[3,4].

VN相的稳定性意味着钢中V的效力与Ni含量密切相关，因此将Ni水平压低到现代钢厂能达到的最低数值没有意义。

~0.01%N电弧炉典型水平代表一种实际优化，如果必要，推荐添加接近此水平的Ni。

实际上，在V钢中，Ni应被视为一种补充合金元素。

1Strengtheningandgrainrefinementinferrite-pearlitesteels

1铁素体-贝氏体钢中强化和晶粒细化

Sincevanadiumhasarelativelyhighsolubilityinaustenitethereislittleadvantageinpursuingastrategyoflowtemperature‘controlledrolling’inthesesteels.Infact,lowrollingtemperaturesarenotapplicableformanyproductsanditisherethatvanadiumoffersamajoradvantage.Examplesareprofilesandotherlongproductssuchasrebarsaswellasclosed-dieforgingswherehighworkingloadsanddiewearoftennecessitatedeformationtemperaturesof950ºCorhigher.Evenforplateproductsthereareoftenpracticalreasonsforadoptingahighfinishrollingtemperaturesincethisallowsfasterrollingschedulesandsohigherproductivity.Inthesesituations,vanadiumcanbeutilisedwithgreateffectforstrengthening.Thefactorsthataremostinfluentialforprecipitationhardeninginferrite-pearlitesteelsareV-content,N-content,coolingrateorisothermalholdtemperatureand,perhapsmoresurprisingly,theC-content[1].

既然V在奥氏体中具有较高的溶度积，对这些钢采取低温控制轧制策略没有有利条件。

实际上，低轧制温度对很多产品不适用。

这正是V主要优势所在。

型材和长材，比如钢筋和闭膜锻件是这样的例子，高工作载荷和模具使950ºC或更高的变形温度成为必需。

即使对于板材，也常常存在采用高终轧温度的实际理由，因为这允许较快的轧制制度和较高的生产率。

对铁素体-贝氏体钢中析出硬化影响最大的因素是V含量、N含量、冷却速率或等温保温时间以及，可能更令人吃惊的是C含量。

图2带相间析出和随机析出近似区域的低碳钢CCT图

Precipitatesaretypicallyformedduringcoolingafterhotworkingandmayadoptdifferentmorphologiesdependingonthesteelchemistryandcoolingschedule.ThisisshownsomewhatschematicallyinconnectionwiththeCCTdiagraminFig.2.Athighertemperaturesduringisothermalholdingorslowcooling,inter-phaseprecipitationtakesplace[5,6]atthemovingα/γphaseboundaryresultinginsheetsofparticlesthatappearasrowsinelectronmicrographs.Theparticledensitybecomeslargerandtheprecipitaterowspacingsmallerasthenitrogencontentofthesteelincreases,Fig.3（a）to（c）.ThisisaresultofthegreaterthermodynamicstabilityofVNthanVCwhichcausesmoreprofusenucleationoftheprecipitatesandleadstosignificantlyhigherstrengthwithhighernitrogencontents[4,6].Atlowertemperatures,homogeneousprecipitationwithrandomdistributionsofparticlesoccurswithintheferritephaseafteritformsandtheprecipitatedispersionbecomesincreasinglyfinewithreductionintemperature.

析出物在热加工后冷却期间形成，可能呈现出取决于化学和冷却进度表的不同形貌。

高温时，等温或缓冷过程中，在α/γ相界相间出现析出，这导致粒子片成排出现在电子显微图片中。

钢中Ni含量增加时，粒子密度增大，析出物行距变小，图3（a）—（c）。

这是VN热力学稳定性比VCQ强的结果，这导致更丰富的析出物成核和更高的强度和更高的Ni含量。

低温时，在铁素体相内，出现粒子分布不规则的均匀沉淀。

随着温度的下降，沉淀弥散变得越来越细小。

图3显示0.12%V钢的V（C,N）析出行列的TEM图像（a）0.005%N,（b）0.008%N,（c）0.026%N,（d）0.01%N。

C含量为：

（a）—（c）中0.1%C，（d）中0.04%C

ItisworthnotingalsothatV（C,N）precipitationisnotrestrictedtopro-eutectoidferrite.Thesameparticlesmayalsoformwithintheferriticphaseinpearlite[7].Thisisutilised,forexample,infullypearliticrailsteelswherethewearresistancecanbeenhancedandalsoinhighcarbonsteelrodsandwires.

值得注意的是，V（C,N）析出不局限于先共析铁素体。

贝氏体中铁素体相内也可能形成同样的粒子。

这被用于完全贝氏体轨钢，在这种钢中，耐磨性可被提高，在高碳钢棒和钢丝中也是这样。

Thesizeofprecipitatesandtheirvolumefractiondeterminetheextrastrengthlevelthatvanadiummicroalloyedsteelsofferincomparisonwithplaincarbonsteelsofsimilarcomposition.Thiscanbeevaluatedfromexperimentalmeasurementsofyieldstressaftercorrectingfortheeffectsofsolidsolutionhardeningandgrainsize.TheresultingparameterexpressedasΔRpisthestrengtheningduetoprecipitatesinunitsofMPa.Variousexperimentalresultsshowinghowprecipitationhardening,ΔRp,dependsonsteelchemistryandprocessingarepresentedinthefollowingfigures[1].

析出物的尺寸和体积比决定V微合金钢超出化学成分相似的普碳钢的强度水平。

这可以根据固溶硬化效应和晶粒度纠错之后进行的屈服应力试验测量评判。

下图显示出各种试验结果，这些试验结果显示析出硬化ΔRp如何取决于钢的化学成分和加工。

Theeffectofdifferentnitrogencontentsinatypicalplatesteelcomposition（0.12%C,0.35%Si,1.35%Mnand0.095%V）isdemonstratedinFig.4.Raisingthenitrogenfrom0.006%Nto0.018%Nproducesabout80%greaterprecipitationhardeningduetotheprogressiverefinementoftheprecipitatesasdemonstratedinFig.3.ItcanalsobeseenthatlowtemperaturecontrolledrollingactuallysomewhatreducestheprecipitationhardeningsincesomeofthevanadiumbecomescombinedasVNalreadyintheausteniteduringdeformation.Theseparticlesarelargerthantheonesthatnucleateandgrowinferriteandsocontributemuchlessstrengtheningtothesteel.

图4显示出一个典型钢板成分中不同Ni含量的影响。

由于图3所示的析出物的逐步细化，将Ni含量从0.006%N提高到0.018%N增加大约80%析出硬化。

也可以看出，由于在变形过程中奥氏体中一些V合并为VN，低温控制轧制实际上某种程度上减少了析出硬化。

这些粒子比在铁素体中成核和长大的粒子大，因此对钢的强化起着较小作用。

图4具有两种不同的模拟轧制表的钢板中V（C，N）引起的析出硬化，

作为Ni含量的一个函数

Somemechanicalpropertiesonindustriallyhotrolledplates[8]aresummarisedinFig.5.Thesesteelshadbasecompositionsof0.09%C,1.5%Mn,0.08%V,0.0