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氮的原子半徑（0.075nm）比較小（Fe 0.172nm），較容易侵入母相晶格的間隙中，在鋼中形成間隙式固溶體，導(dǎo)致晶格產(chǎn)生畸變，其影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于置換式固溶原子。在體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe中，氮原子侵入八面體中的位置如圖1所示，為bcc單位晶胞各棱的中央和各面的中心位置。在α-Fe中通過間隙型溶質(zhì)原子的作用，產(chǎn)生了非對(duì)稱的應(yīng)變，具有非常強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用。

圖1  間隙式固溶N或C原子在α-Fe晶格中占據(jù)的位置

由于氮原子的侵入，α-Fe在<100>方向被擴(kuò)張。Α-Fe晶體雖然共有3個(gè)等價(jià)的<100>方向，但是氮或碳原子只在其中1個(gè)特定的方向侵入，通常這個(gè)方向就規(guī)定為[001]方向，結(jié)果導(dǎo)致α-Fe晶格在[001]方向產(chǎn)生伸長的正應(yīng)變，與刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用。間隙式固溶體的交互作用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于置換式固溶體的作用范圍。α-Fe的C原子與刃型位錯(cuò)的結(jié)合能約為8×10^-20Ｊ，碳、氮原子在位錯(cuò)芯附近偏析，形成科垂耳氣團(tuán)固定位錯(cuò)。當(dāng)偏析的N或C原子達(dá)到飽和時(shí)，其沿著位錯(cuò)線以碳氮化物的形式析出，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致間隙式固溶原子產(chǎn)生的強(qiáng)化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于置換式固溶原子。

圖2給出了在低碳鐵素體鋼中的固溶強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖可以看出，各種合金元素加入鋼中對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度有較大的影響，以硅為代表的置換型固溶原子雖然可顯著提高鋼的屈服強(qiáng)度，但是與氮和碳間隙型固溶原子相比其強(qiáng)化能力是較小的，即間隙型固溶原子具有更大的強(qiáng)化作用。由圖可以看出，其強(qiáng)化作用約為置換型固溶原子的10~100倍。間隙型固溶原子與位錯(cuò)之間有強(qiáng)烈的交互作用，比較容易在位錯(cuò)附近偏析，此時(shí)的強(qiáng)化效果還會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。強(qiáng)化作用的大小與溶質(zhì)原子的1/2次方成正比。

圖2  低碳鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)鋼中的固溶強(qiáng)化

圖3給出了在奧氏體不銹鋼中的固溶強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可以看出，在奧氏體不銹鋼中氮的間隙型固溶強(qiáng)化效果非常顯著，利用氮能大量固溶于奧氏體不銹鋼中的特點(diǎn)，已研制出屈服強(qiáng)度超過2000MPa的超高強(qiáng)度鋼；利用間隙原子氮具有強(qiáng)烈形成、穩(wěn)定奧氏體并擴(kuò)大奧氏體區(qū)的作用，節(jié)約了較貴重的鎳元素，降低了奧氏體不銹鋼的制造成本，研制出一系列經(jīng)濟(jì)型不銹鋼，了不銹鋼的應(yīng)用范圍；利用間隙原子氮提高奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能的優(yōu)點(diǎn)，特別是耐局部腐蝕性能，如耐晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕，研制出一系列高強(qiáng)度、高耐蝕性能的高牌號(hào)不銹鋼。

圖3  在奧氏體不銹鋼中的固溶強(qiáng)化

在各種微合金化元素中，釩是最適合產(chǎn)生穩(wěn)定強(qiáng)烈析出的元素，因?yàn)槠涮嫉锏娜芙舛确e很大，固溶溫度比較低，在高溫下的溶解能力大。與鈮相比，釩的主要特征是釩的氮化物的溶解度比碳化物低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這可使氮在含釩鋼中在沉淀強(qiáng)化方面起非常重要的作用，鋼中的氮能與釩形成大量彌散的細(xì)小碳氮化釩粒子，通過析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化顯著提高鋼的強(qiáng)度，改善或保持鋼的良好塑性和韌性。

氮含量對(duì)鋼的強(qiáng)度有很大影響。圖4給出了氮對(duì)20MnSiV鋼強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氮含量的增加，V(C,N)析出的密度增大，析出顆粒尺寸減小，也就是說析出反應(yīng)的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力增加，導(dǎo)致形核率增大。當(dāng)鋼中的氮含量由0.0085%增加到0.018%時(shí)，在其他成分均保持不變的情況下，則鋼的屈服強(qiáng)度提高118MPa，抗拉強(qiáng)度提高135MPa，即增加鋼中的氮含量具有明顯的強(qiáng)化效果。

 圖4  氮含量對(duì)20MnSiV鋼強(qiáng)度的影響

在中碳非調(diào)質(zhì)鋼的情況下，氮含量對(duì)強(qiáng)度的影響也是非常顯著的。圖5是氮含量對(duì)中碳非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)鋼中的氮含量從0.004%增加到0.016%時(shí)，屈服強(qiáng)度提高110MPa，由此可見，在中碳非調(diào)質(zhì)鋼的情況下增氮的強(qiáng)化效果也是很明顯的。在實(shí)際生產(chǎn)中，為提高中碳非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度并改善鋼的韌性，采用適當(dāng)增加鋼中的氮含量的方法，通過碳氮化釩的析出，促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的生成，細(xì)化鐵素體晶粒，提高中碳非調(diào)質(zhì)鋼的綜合性能，是鋼中充分利用廉價(jià)元素氮的典型實(shí)例。

 圖5  氮含量對(duì)中碳非調(diào)質(zhì)鋼(0.32%C-0.25%Si-1.45%Mn-0.06%V)強(qiáng)度的影響

氮對(duì)鋼強(qiáng)度的影響與鋼中的釩含量有關(guān)。圖6給出了不同氮含量和不同釩含量對(duì)鋼強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可以看出，盡管鋼中的釩含量不同，但隨著氮含量的提高，鋼的屈服強(qiáng)度均能顯著提高；在氮含量相同的情況下，隨著釩含量的提高，鋼的屈服強(qiáng)度顯著提高；當(dāng)鋼中的氮含量從0.005%增加到0.015%，釩含量從0.07%增加到0.15%時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度則從350MPa提高到550MPa。鋼中的釩和氮具有復(fù)合強(qiáng)化效果。

 圖6  氮對(duì)不同釩含量鋼(0.17%C-1.04%Mn)屈服強(qiáng)度的影響

鋼中添加釩可以很好地結(jié)合鋼中的游離氮，阻止鋼的應(yīng)變時(shí)效脆化現(xiàn)象，當(dāng)鋼中的V/N比達(dá)到4:1時(shí)，可完全消除應(yīng)變時(shí)效脆化現(xiàn)象。

釩微合金化鋼中的碳含量對(duì)鋼的強(qiáng)度也有影響。由于VN比VC的溶解度低，在各種氮含量的情況下，先形成的V(C,N)總是富氮的，只有當(dāng)鋼中幾乎所有的氮全被消耗后，碳氮化物中的碳才開始增加。為進(jìn)一步產(chǎn)生連續(xù)的析出強(qiáng)化，鋼中必須有足夠的固溶碳和化學(xué)驅(qū)動(dòng)力形成新的V(C,N)核心。以前人們認(rèn)為，鋼中的碳含量對(duì)微合金化碳氮化物的影響很小或根本沒有影響。但最近的研究結(jié)果表明，釩微合金化鋼的析出強(qiáng)化效果與鋼中總碳含量有關(guān)，隨鋼中總碳含量的增加，鋼的強(qiáng)度明顯增大，碳含量每增加0.01%，則析出強(qiáng)化增量增加5.5MPa。這是由于含釩鋼中碳含量的增加延遲了珠光體（鐵素體＋滲碳體）轉(zhuǎn)變，奧氏體/鐵素體相平衡所決定的鐵素體中較高的碳含量能維持更長的時(shí)間所致。

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，采用回歸分析方法，可以得出釩微合金化鋼中氮和釩對(duì)屈服強(qiáng)度（MPa）貢獻(xiàn)的數(shù)學(xué)表達(dá)公式：

R_eL＝140×ω(Mn)＋770×ω(C)＋7630×ω(N)

由上式可以看出，鋼中每增加0.001%的氮可使屈服強(qiáng)度增加7~8MPa。