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【摘 要】钒、钛、铌等微合金元素都可以通过细化晶粒和沉淀强化来提高钢的强度，但由于其作用机理及强化强度受到本身特性和工艺条件的影响而不同，且对抑制再结晶的能力表现不同，具体表现为铌>钛>钒。
【关键词】微合金化元素；作用机理；析出；裂纹
1.引言
微合金元素如钒、钛、铌等，在钢中由于其碳氮化物可以调节形变奥氏体的再结晶行为和阻止晶粒长大，间接起到细化晶粒的作用，并对钢产生沉淀强化，从而提高钢材的强度和韧性，因此在钢材生产中得到了越来越多的应用。但是，控制不好，AlN和（Nb、Ti、V）的碳氮化物大量在晶界析出，会促使钢的塑性降低，产生表面横裂纹。因此研究微合金元素在钢材中行为变化及对钢材性能的影响规律，为实际生产中提供一定的理论基础。
2.微合金化元素对钢性能的影响
“微合金化”是指这些元素在钢中含量较低，通常低于1%（质量分数）[l]，目前大量使用的是铌、钒、钛等，其特点是能与碳、氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出。其作用表现在：在加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大；在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；在低温时起到强析出强化的作用。通过合金元素的固溶及其固态反应，影响微结构乃至结构、组织和组分，从而使金属获得要求的性能[2]。国内外许多学者对微合金元素在钢中的应用做了大量的研究工作，己经基本掌握了微合金元素在钢中的作用规律[3]，如表1所示。
2.1钒
2.1.1 钒微合金化理论基础
钒在微合金钢中单独加入时主要形成VC、VN和V（N、C），属中间相，其化学式可在VC～V4C3之间变化。钒在钢中的固溶量随温度的升高而迅速增大，而VC、VN的量则相应下降，但在较低的加热温度下，其碳化物可以完全溶解（至少是绝大部分）到奥氏体中，因此V的利用率高，对沉淀强化的贡献大，成为非调质钢中的主要的和常用的微量添加元素，为钛和铌所不及。
钒的碳化物土要以相间沉淀的形式析出，在α相区内析出量不多，并与α相保持共格关系。相间析出物呈点带状分布，每条点带近似平行，析出物以相界为析出源，点带间距随冷却速度的增加而减小。V可使沉淀相体积分数增加，沉淀相的密度增加和间距减小，从而能提高钢的综合性能。
2.1.2 钒在生产上的应用
钒由于在奥氏体中固溶度大，在常规的加热温度下，钒易溶于钢中，且其可以实现粗大奥氏体组织完全再结晶碎化，因此，钒适宜于钢材直扎的工艺特性。
任浩的研究表明：当N<0.005%时，钒对横向裂纹影响很小，但是，当氮含量高（0.02%）时，横向裂纹可能在含钒0.15%的钢种出现，然而在浇铸50mm的薄板时，钒氮钢的表面质量要优于含铌钢[4]；而由于钒对形变奥氏体基体的再结晶过程阻碍作用较小，并且奥氏体再结晶温度区间较宽，钒微合金钢广泛采用再结晶控制轧制工艺。
2.2钛
2.2.1 钛微合金化理论基础
钛容易形成氧化物，在脱氧完全的情况下，先后形成氮化物、碳硫化物、碳氮化物和碳化物，在钢中主要以TiC或Ti（C、N）的形式存在。当钛含量较低时，钛首先结合钢中的氮，几乎全部形成TiN，钢中的硫以MnS形式存在，当含量增加到3.4N%时，开始形成Ti4C2S2，此时MnS和Ti4C2S2共存。当钛含量增加到可将钢中的氮和硫全部固定时，MnS全部被Ti4C2S2代替，其沉淀强化作用很小。而钛含量继续增加，多余的钛与碳结合形成TiC，细小而弥散的TiC在低温时析出起沉淀强化作用。
钛的固溶度非常低，在钢材Ti含量适宜（0.01%～0.02%）时才能同时满足各方面的要求，更低的Ti含量将不能得到足够体积分数的TiN来有效阻止晶粒粗化。虽较高的Ti含量将导致粗大的液析TiN的出现而不能起到阻止晶粒长大的作用，但超出Ti/N理想化学配比的Ti将以固溶Ti形式或以细小TiC质点形式而显著阻止再结晶。
2.2.2 钛在生产上的应用
在低合金高强度钢中加入微量钛，可以提高钢的强度，改善钢的冷成形性能和焊接性能。钛在细化晶粒的同时，还能提供可观的沉淀强化效果，且其活性较大，易于和氮、氧、硫、碳等形成化合物。与铌、钒微合金技术相比，目前钛微合金技术没有得到广泛应用，主要原因是钛微合金钢性能波动较大，其强化机理还不清楚，限制了钛微合金技术在实际生产上的推广应用。
2.3铌
2.3.1 铌微合金化理论基础
铌在钢中核心作用是细化晶粒来提高钢材的强度和韧性。其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，Nb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，表现为在低温区能有效抑制奥氏体再结晶，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；在较宽温度区间尽可能地实现薄饼化，并促使晶粒内部产生大量的变形带等具有铁素体形核能力的缺陷位置，最终得到均匀细小的铁素体组织。
铌在钢中可形成NbC～NbC0.87间隙中间相。在再结晶过程中，因NbC、NbN对位错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，Nb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。当Nb和V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V固溶温度低，可以起沉淀强化作用，而Nb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，从而改善微合金的性能。
2.3.2 铌在生产上的应用
由于铌微合金钢的强度、冲击韧性、成形性能、焊接性能均能达到传统流程同类产品的实际水平，促使研究工作者开展了大量铌微合金钢的生产，但许多文献表明[5]：加铌会促进横向裂纹的形成，形成横向裂纹所需铌含量很低，铌含量达到0.01%时，裂纹就急剧增加，因此对铌微合金元素虽然能够提高钢材的性能，但对于生产中技术难点也需以克服。
而结合钢厂生产铌微合金钢遇到的质量问题，我认为，铌微合金钢横向裂纹形成机理为：一方面横向裂纹形成早期阶段，可能位于结晶器内，由于热流不稳定，造成的坯壳收缩不均匀，结晶器振动造成的振痕，因为振痕下的晶粒尺寸较粗大，且凹口形的几何形状也会使应力集中，但缺陷变大，变多主要是在结晶器之后，由于钢材的延展性受到微合金元素影响剧烈，铸坯在出结晶器后，受到各种渠道的应力作用，特别是板坯矫直时的应力作用，当这些应力出现在延展性差的温度范围内，横向裂纹形成严重；另一方面由于铌合金钢的碳氮化物沉淀存在，正好处在铸坯的顶弯和矫直温度范围内产生一个塑性低谷，造成铸坯产生横裂纹等质量问题。因此从工艺条件上来说，应优化连铸冷却工艺，避免板坯边部和表面温度落入高温塑性低谷区，优化保护渣，保证热流的稳定。
3.结束语
经过多年基础理论研究，钒、钛、铌等微合金元素已成功用于钢材生产，形成了成套的生产技术，产品已广泛应用于国民经济相关行业，取得了良好的经济效益和社会效益。但是由于钒、钛、铌等不同的合金元素的作用机理不尽相同，导致钢材的成材性能也不尽相同。因此在生产中应加强对钒、钛、铌等微合金元素对钢材性能的研究以及其不同的工艺条件对钢材性能的影响的研究，提高钒、钛、铌等微合金钢的竞争力，为钢材工业结构调整做出更大的贡献。
【关键词】微合金化元素；作用机理；析出；裂纹
1.引言
微合金元素如钒、钛、铌等，在钢中由于其碳氮化物可以调节形变奥氏体的再结晶行为和阻止晶粒长大，间接起到细化晶粒的作用，并对钢产生沉淀强化，从而提高钢材的强度和韧性，因此在钢材生产中得到了越来越多的应用。但是，控制不好，AlN和（Nb、Ti、V）的碳氮化物大量在晶界析出，会促使钢的塑性降低，产生表面横裂纹。因此研究微合金元素在钢材中行为变化及对钢材性能的影响规律，为实际生产中提供一定的理论基础。
2.微合金化元素对钢性能的影响
“微合金化”是指这些元素在钢中含量较低，通常低于1%（质量分数）[l]，目前大量使用的是铌、钒、钛等，其特点是能与碳、氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出。其作用表现在：在加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大；在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；在低温时起到强析出强化的作用。通过合金元素的固溶及其固态反应，影响微结构乃至结构、组织和组分，从而使金属获得要求的性能[2]。国内外许多学者对微合金元素在钢中的应用做了大量的研究工作，己经基本掌握了微合金元素在钢中的作用规律[3]，如表1所示。
2.1钒
2.1.1 钒微合金化理论基础
钒在微合金钢中单独加入时主要形成VC、VN和V（N、C），属中间相，其化学式可在VC～V4C3之间变化。钒在钢中的固溶量随温度的升高而迅速增大，而VC、VN的量则相应下降，但在较低的加热温度下，其碳化物可以完全溶解（至少是绝大部分）到奥氏体中，因此V的利用率高，对沉淀强化的贡献大，成为非调质钢中的主要的和常用的微量添加元素，为钛和铌所不及。
钒的碳化物土要以相间沉淀的形式析出，在α相区内析出量不多，并与α相保持共格关系。相间析出物呈点带状分布，每条点带近似平行，析出物以相界为析出源，点带间距随冷却速度的增加而减小。V可使沉淀相体积分数增加，沉淀相的密度增加和间距减小，从而能提高钢的综合性能。
2.1.2 钒在生产上的应用
钒由于在奥氏体中固溶度大，在常规的加热温度下，钒易溶于钢中，且其可以实现粗大奥氏体组织完全再结晶碎化，因此，钒适宜于钢材直扎的工艺特性。
任浩的研究表明：当N<0.005%时，钒对横向裂纹影响很小，但是，当氮含量高（0.02%）时，横向裂纹可能在含钒0.15%的钢种出现，然而在浇铸50mm的薄板时，钒氮钢的表面质量要优于含铌钢[4]；而由于钒对形变奥氏体基体的再结晶过程阻碍作用较小，并且奥氏体再结晶温度区间较宽，钒微合金钢广泛采用再结晶控制轧制工艺。
2.2钛
2.2.1 钛微合金化理论基础
钛容易形成氧化物，在脱氧完全的情况下，先后形成氮化物、碳硫化物、碳氮化物和碳化物，在钢中主要以TiC或Ti（C、N）的形式存在。当钛含量较低时，钛首先结合钢中的氮，几乎全部形成TiN，钢中的硫以MnS形式存在，当含量增加到3.4N%时，开始形成Ti4C2S2，此时MnS和Ti4C2S2共存。当钛含量增加到可将钢中的氮和硫全部固定时，MnS全部被Ti4C2S2代替，其沉淀强化作用很小。而钛含量继续增加，多余的钛与碳结合形成TiC，细小而弥散的TiC在低温时析出起沉淀强化作用。
钛的固溶度非常低，在钢材Ti含量适宜（0.01%～0.02%）时才能同时满足各方面的要求，更低的Ti含量将不能得到足够体积分数的TiN来有效阻止晶粒粗化。虽较高的Ti含量将导致粗大的液析TiN的出现而不能起到阻止晶粒长大的作用，但超出Ti/N理想化学配比的Ti将以固溶Ti形式或以细小TiC质点形式而显著阻止再结晶。
2.2.2 钛在生产上的应用
在低合金高强度钢中加入微量钛，可以提高钢的强度，改善钢的冷成形性能和焊接性能。钛在细化晶粒的同时，还能提供可观的沉淀强化效果，且其活性较大，易于和氮、氧、硫、碳等形成化合物。与铌、钒微合金技术相比，目前钛微合金技术没有得到广泛应用，主要原因是钛微合金钢性能波动较大，其强化机理还不清楚，限制了钛微合金技术在实际生产上的推广应用。
2.3铌
2.3.1 铌微合金化理论基础
铌在钢中核心作用是细化晶粒来提高钢材的强度和韧性。其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，Nb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，表现为在低温区能有效抑制奥氏体再结晶，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；在较宽温度区间尽可能地实现薄饼化，并促使晶粒内部产生大量的变形带等具有铁素体形核能力的缺陷位置，最终得到均匀细小的铁素体组织。
铌在钢中可形成NbC～NbC0.87间隙中间相。在再结晶过程中，因NbC、NbN对位错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，Nb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。当Nb和V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V固溶温度低，可以起沉淀强化作用，而Nb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，从而改善微合金的性能。
2.3.2 铌在生产上的应用
由于铌微合金钢的强度、冲击韧性、成形性能、焊接性能均能达到传统流程同类产品的实际水平，促使研究工作者开展了大量铌微合金钢的生产，但许多文献表明[5]：加铌会促进横向裂纹的形成，形成横向裂纹所需铌含量很低，铌含量达到0.01%时，裂纹就急剧增加，因此对铌微合金元素虽然能够提高钢材的性能，但对于生产中技术难点也需以克服。
而结合钢厂生产铌微合金钢遇到的质量问题，我认为，铌微合金钢横向裂纹形成机理为：一方面横向裂纹形成早期阶段，可能位于结晶器内，由于热流不稳定，造成的坯壳收缩不均匀，结晶器振动造成的振痕，因为振痕下的晶粒尺寸较粗大，且凹口形的几何形状也会使应力集中，但缺陷变大，变多主要是在结晶器之后，由于钢材的延展性受到微合金元素影响剧烈，铸坯在出结晶器后，受到各种渠道的应力作用，特别是板坯矫直时的应力作用，当这些应力出现在延展性差的温度范围内，横向裂纹形成严重；另一方面由于铌合金钢的碳氮化物沉淀存在，正好处在铸坯的顶弯和矫直温度范围内产生一个塑性低谷，造成铸坯产生横裂纹等质量问题。因此从工艺条件上来说，应优化连铸冷却工艺，避免板坯边部和表面温度落入高温塑性低谷区，优化保护渣，保证热流的稳定。
3.结束语
经过多年基础理论研究，钒、钛、铌等微合金元素已成功用于钢材生产，形成了成套的生产技术，产品已广泛应用于国民经济相关行业，取得了良好的经济效益和社会效益。但是由于钒、钛、铌等不同的合金元素的作用机理不尽相同，导致钢材的成材性能也不尽相同。因此在生产中应加强对钒、钛、铌等微合金元素对钢材性能的研究以及其不同的工艺条件对钢材性能的影响的研究，提高钒、钛、铌等微合金钢的竞争力，为钢材工业结构调整做出更大的贡献。