铌元素对奥氏体耐热钢的影响有哪些

 铌在钢中主要以固溶态和析出相的形式存在，其存在方式的不同对钢的最终组织和性能的影响也不同。研究人员对含铌钢研究很多，铌在钢中强化方式如图所示。铌的原子半径大于铁的原子半径，因此钢中固溶态的铌能够引起钢的晶格畸变，提高材料的常温和高温强度，同时也有利于提高奥氏体不锈钢的蠕变性能。铌在钢中固溶度与钢中的碳、氮含量有关，浙江至德钢业有限公司将钢溶解并通过电感耦合等离子光谱发生仪测定钢中铌的固溶量，发现提高合金中碳元素和铌的总含量，会增加铌在合金中的固溶量。通过对高铌微合金钢研究发现合金的热变形激活能与固溶的铌含量之间存在，如图的所示的线性关系。铌能与碳，氮结合生成MX相，从而达到稳定碳、氮的作用，减少M23C6在晶界析出，同时铌、氮在高温下会在生成Z相，M23C6会在Z相上附生，减少晶界处M23C6的含量，从而改善晶界腐蚀性。细小弥散的铌(碳,氮)相能够在高温下抑制再结晶晶粒的长大，达到细化晶粒的作用，提高材料性能。同时，铌(碳,氮)相较为稳定在长时间下也不会异常长大，可有效地提高材料的蠕变能力。

 通常认为铌(碳,氮)的析出强化效果比固溶态铌的强化效果高很多。钢铁材料屈服强度与第二相粒子尺寸的关系如图所示，析出相尺寸较小时主要是通过Orowan绕过机制提高材料的屈服强度，而当析出相尺寸较大时主要是通过位错切过机制提高材料的屈服强度。因此，铌(碳,氮)析出相对材料强度的贡献受其尺寸的影响。当奥氏体耐热钢中加入的铌含量较低时，铌(碳,氮)主要以固态相变形式从基体中析出，尺寸较小，而当奥氏体耐热钢中加入过多的铌，就会在从液相中析出大量的铌(碳,氮)相，大块的铌(碳,氮)相会严重的降低材料的性能。

 未变形的奥氏体中的铌(碳,氮)析出很慢，在900℃的孕育时间至少需要103秒，但析出尺寸较大，可达100~300nm。而在热变形中析出的铌(碳,氮)尺寸较小，有研究发现铌(碳,氮)析出尺寸10nm左右对材料屈服强度提高最大，因此热变形中析出的铌(碳,氮)能够显著提高材料的强度。变形过程中铌(碳,氮)的析出有两种方式，一种是变形速度很低时在变形过程中析出，另一种是变形后停留一段时间使铌(碳,氮)静态析出。大部分学者赞同以下观点：

 1. 大变形量时，析出量随时间增长而增加，直至饱和。

 2. 铌(碳,氮)在变形温度910℃左右时析出最快。

 3. 材料中碳与铌的添加量越多，铌(碳,氮)析出量越多。