微合金化元素的強(qiáng)化作用來自細(xì)小碳,、氮化物的彌散析出強(qiáng)化和碳、氮化物阻止晶粒長大的晶粒細(xì)化,，或者是兩者綜合作用的結(jié)果,。從晶粒細(xì)化角度考慮，為使相變前奧氏體晶粒保持細(xì)小尺寸,，要求碳,、氮化物粒子在奧氏體中部分不溶或在熱軋過程中有部分析出。而從析出強(qiáng)化來考慮,，要求微合金化元素固溶在奧氏體中,，這樣在奧氏體/鐵素體相變過程中或相變后能夠發(fā)生析出，獲得細(xì)小析出物（即粒子直徑為3～5nm）以實(shí)現(xiàn)彌散強(qiáng)化效果,。

微合金元素碳化物和氮化物在奧氏體和鐵素體中的溶解度通常以微合金化元素和碳,、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固溶度積來表示。不同微合金化元素碳化物和氮化物固溶度積的比較如圖1所示,。

微合金碳氮化物第二相沉淀析出相變屬于形核—長大型的擴(kuò)散型相變，其主要規(guī)律完全可以用經(jīng)典形核長大理論來分析,。

根據(jù)Avrami方程,，將不同溫度下相變開始時(shí)間和相變完成時(shí)間在溫度-對數(shù)時(shí)間坐標(biāo)上分別連線可得到相變過程的動(dòng)力學(xué)曲線，稱為TTT（相轉(zhuǎn)變量-溫度-時(shí)間）曲線,。對冷卻過程的相變,，多數(shù)情況下其TTT曲線呈“C”形，人們也稱之為“C” 曲線,。對沉淀析出反應(yīng),，習(xí)慣上稱為PTT曲線,。

Zajac通過實(shí)驗(yàn)測得未變形奧氏體中V(C,N)析出的PTT曲線，試驗(yàn)鋼中釩含量為0.12％,，氮含量為0.0082％,。由圖2的結(jié)果可知，V(C,N)在未變形奧氏體中的析出過程是非常緩慢的,。V(C,N)奧氏體中析出的鼻點(diǎn)溫度約在850～900的溫度范圍,。850℃的鼻點(diǎn)溫度下保溫10000s，以V(C,N)形式在奧氏體中析出的V僅為0.01％,。

圖2  含釩鋼未變形奧氏體中V(C,N)析出的PTT曲線

在變形條件下,，微合金化元素碳氮化物的析出過程大大加快。圖3顯示了V,、Ti,、Nb微合金化鋼中碳氮化物在變形奧氏體中析出的PTT曲線。圖中可見,，變形條件下各種微合金化碳氮化物在奧氏體中析出過程明顯加快,，鼻點(diǎn)溫度縮短到約10s。比較V,、Nb,、Ti鋼在變形奧氏體中析出的PTT曲線可以看出,，三種微合金鋼在奧氏體中形變誘導(dǎo)析出行為存在明顯差異,，Nb鋼在較高的溫度下（約1000℃） 就開始產(chǎn)生形變誘導(dǎo)析出Nb(C,N)；而V(C,N)在奧氏體中產(chǎn)生誘導(dǎo)析出的溫度要低得多,，約在900℃,；TiC的形變誘導(dǎo)析出溫度與V(C,N)相似，但其孕育期的時(shí)間明顯要比Nb鋼和V鋼的更長,。

圖3  Nb,、V、Ti鋼形變奧氏體中析出的PTT曲線

a—V鋼,，b—Nb鋼,，c—Ti鋼

由于V(C,N)在奧氏體中的固溶度積較大，軋制過程時(shí)間較短,，V(C,N)很難在奧氏體中完全沉淀析出,，大量的釩在隨后冷卻過程中將以相間析出方式或位錯(cuò)線上形核析出方式在鐵素體中沉淀析出，產(chǎn)生強(qiáng)烈的析出強(qiáng)化效果,。深入了解和掌握V(C,N)在鐵素體中的沉淀析出行為具有非常重要的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用意義,。

雍岐龍等人基于碳氮化釩在鐵素體中形核長大機(jī)理的理論研究成果，建立了碳氮化釩在鐵素體中析出動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算方法,。圖4為V(C,N)在鐵素體中位錯(cuò)線上析出且形核率迅速衰減為零的情況下的沉淀析出PTT曲線的計(jì)算結(jié)果,?？梢钥闯觯撝械克綄(C,N)在鐵素體中沉淀析出的PTT曲線有很大影響,。氮含量較高時(shí)（大于0.01％）,，V(C,N)在鐵素體中沉淀析出的PTT曲線為單調(diào)曲線，溫度越高,，析出開始時(shí)間越短,。計(jì)算結(jié)果表明，高氮含量的情況下,，基體中無論是否發(fā)生珠光體相變,，對V(C,N)在鐵素體中析出的PTT曲線的影響很小。然而,，對于0.005％ N的低氮鋼,，V(C,N)在鐵素體中析出的PTT曲線具有明顯的“C” 曲線特征。此時(shí),，基體中是否發(fā)生珠光體相變對V(C,N)在鐵素體中析出的PTT曲線有明顯影響,。在未發(fā)生珠光體相變時(shí)由于第二相析出相變的自由能數(shù)值較大，因而其PTT曲線的鼻點(diǎn)溫度較高,，且析出時(shí)間也相對較短,；與發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的情況相比較，其PTT曲線上鼻點(diǎn)溫度下的析出時(shí)間提前約2個(gè)數(shù)量級,。

圖4  氮含量對V(C,N)在鐵素體中沉淀析出PTT曲線影響的計(jì)算結(jié)果

圖5示出了不同碳含量的0.10％V-0.005％N鋼中V(C,N)在鐵素體中的沉淀析出行為的計(jì)算結(jié)果,。計(jì)算時(shí)假設(shè)V(C,N)在奧氏體溫度區(qū)域未發(fā)生析出。隨鋼中碳含量的升高,，V(C,N)在鐵素體中析出的PTT曲線不斷向左上方移動(dòng),。因此，中,、高碳鋼中,，V(C,N)很容易在鐵素體區(qū)沉淀析出并發(fā)揮重要作用。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)了上述理論計(jì)算所得到的V(C,N)在鐵素體中析出的規(guī)律性,。

圖5  碳含量對V(C,N)在鐵素體中沉淀析出PTT曲線影響的計(jì)算結(jié)果

對于給定成分的微合金化鋼,，根據(jù)溶解度數(shù)據(jù)可計(jì)算出未溶解的碳氮化物的數(shù)量、平衡狀態(tài)下固溶的微合金元素含量和碳氮間隙元素含量,、微合金碳氮化物完全溶解溫度等,。鋼中未溶解的碳氮化物將對再加熱過程中奧氏體晶粒長大行為產(chǎn)生顯著影響。

微合金化元素的最顯著特征之一是它們對變形過程中再結(jié)晶的影響,，通常有如下兩種方式：其一是可有效地阻止變形奧氏體再結(jié)晶并獲得“扁平”的變形奧氏體晶粒,，由奧氏體向鐵素體的相變過程中，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體晶粒,。另一種方式是盡量減小對變形奧氏體再結(jié)晶的影響,，并使變形奧氏體在多道次變形時(shí)可反復(fù)再結(jié)晶，以此獲得細(xì)化的奧氏體組織并最終得到細(xì)化的鐵素體組織,。

微合金化元素強(qiáng)烈影響形變奧氏體的再結(jié)晶行為,，各種微合金化元素對形變奧氏體再結(jié)晶終止溫度的影響存在很大差異。釩對鋼的再結(jié)晶終止溫度的影響很小,，即使在很低的變形溫度下,，如850℃,，0.15％V鋼也能發(fā)生再結(jié)晶,。

V、Nb,、Ti微合金化元素對奧氏體-鐵素體相變開始溫度（Ar3）有一定的影響,。與Nb相比，固溶V幾乎對Ar3相變開始溫度沒有影響,。Ti對Ar3相變開始溫度的影響效果介于Nb與V之間,。

在V鋼和V-Ti鋼中，在奧氏體有效晶界面積相同的情況下,，形變的未再結(jié)晶奧氏體相變后所得到的鐵素體晶粒尺寸與等軸的再結(jié)晶奧氏體相變得到的鐵素體晶粒尺寸基本相同,。由此可以看出，含釩微合金化鋼相變后的鐵素體晶粒尺寸與奧氏體晶粒形狀和生產(chǎn)工藝方法無關(guān)。只要奧氏體有效晶界面積足夠大,，釩鋼也可以達(dá)到與鈮鋼相同的細(xì)化效果,，即獲得大約49μm的細(xì)小晶粒。