含铌钢的概述

当前，微合金化技术已广泛应用于低合金高强度钢的研发与生产中，微合金化钢也已成为工业化生产及装备制造业发展的重点材料，其具有成本低、工艺简单、综合力学性能好、耐磨性及抗疲劳性优良等特点，为我国工业企业带来了巨大的经济效益，在工业生产中突显出巨大的优越性。

铌（Nb）作为最有效的微合金化元素之一，将其添加到钢铁中，并与控轧控冷工艺相结合，通过细晶强化和弥散强化作用可实现钢铁材料的强化与韧化，这样便可在低成本投资下，获得优良力学性能匹配以及焊接性能良好的钢材。

然而，热处理工艺的不同通常会导致钢铁中的Nb以不同形式存在，而不同形式的Nb会对钢材的性能产生不同的影响。

例如，固溶态的Nb通过溶质拖曳细化晶粒、细化组织，进而起到固溶强化作用；析出态的Nb通过钉扎晶粒、钉扎组织以及阻碍位错运动等，进而起到弥散强化作用。

含铌钢的特点及应用领域

含铌钢既具备较高强度、良好的韧性以及优良的塑性，又具备优良的焊接性和较低的冲击转变温度，因而，其可应用于低温地区，如西伯利亚等地。

同时，在高寒地区和水下作业环境中，高压大口径输油气管线通常会对钢材的塑性、韧性和焊接性能要求严格，通常利用控轧工艺制备的含铌钢可满足如此苛刻的要求，因而，含铌钢成为特种管线用钢的首选。

此外，含铌钢与普通钢材相比，具有较强的抗硫化腐蚀特点。

含铌钢的主要应用领域如下：

管线钢管线钢是制备石油及天然气输送管道的钢材，为制备大口径、厚壁焊管，同时满足超高压输送过程的安全需求，设计者对钢材的强韧性、焊接性、抗氢脆断裂性能（HIC）及抗低温冲击性能提出了较高的要求，当前使用较多的管线钢牌号有X52、X60、X70、X8和X120等。

近年来，研究人员采用合理的加工工艺和控制冷却措施获得了针状铁素体Mn-Nb-Mo管线钢，该产品具备高强、高韧、优良焊接性能和低的Bauschinger效应。

C-Mn-Mo-Nb管线钢经过控轧控冷后，得到了精细的针状铁素体+等轴铁素体组织，且晶粒度达到13级，抗拉强度达到690-720MPa，-20℃低温冲击吸收功达到350J，由于该钢材具备较高的低温冲击韧性和抗动态撕裂性能，已在我国“西气东输”工程中得到应用。

汽车用钢板近年来，随着汽车行业的迅猛发展，对车用紧固件、弹簧和表面硬化零件等结构钢件的力学性能要求不断提高，通常而言，在非调质钢中加入Nb、Ti、V等元素是目前获取综合力学性能的有效办法之一。

由于含Nb结构钢件在热加工时可以使金属材料的晶粒细化，使钢材的综合力学性能有大幅的提升，因而得到广泛使用。

经多年发展，汽车用钢板强度不断提升，主要产品有HSLA钢、双相钢、TRIP钢、TWIP钢[66]及贝氏体高强钢，这些钢材中几乎都应用了铌合金化技术手段来提高力学性能。

当中，HSLA钢和双相钢利用铌合金化达到了弥散强化及细晶强化的目的；在添加微量Nb的TRIP钢中，残余奥氏体含量及其稳定性得到提高，最终满足高强度、高塑性要求；TWIP钢及贝氏体高强钢利用同样技术手段，获得了800MPa以上强度以及高抗冲击性能。

高强度焊接结构钢当前，建筑行业对钢筋的强度要求甚为严格，而含铌钢因为具备强度高、弯曲性能好、焊接性能佳等优点，被普遍应用于钢筋生产中。

例如，含铌钢筋优良的焊接性能决定了其适用于连续浇注混凝工程，如道路铺设及机场跑道建设等；含铌钢筋良好的弯曲性能也满足了海上石油钻井平台以及大型水电站等工程的施工要求。

此外，含铌钢筋也更广泛地应用于耐高压结构件领域。铌微合金化技术也在螺纹钢筋、桥梁用型钢以及其它焊接结构钢中得到应用。

高性能HRB500E螺纹钢便是利用TMCP技术在螺纹钢筋中添加微量Nb制备出的，其屈服强度可达500MPa，远高于通常采用的HRB335钢筋，高性能HRB500E螺纹钢现已大量用于基础设施建设之中。

一种Nb-Ti高性能桥梁用钢因具备较高的屈服强度，现已批量生产。

非调质钢我国的非调质钢技术经过多年来的发展，形成了Mn-V系、Mn-V-B系、Mn-Si-V系等众多牌号。

为优化非调质钢的冲击性能，研发人员采用降低碳含量的方法，先后研发出49MnVS3、46MnVS3、38MnVS6、19MnVS6等系列牌号，同时研发出铁素体+贝氏体型、贝氏体型、马氏体型非调质钢[73]，例如，在27MnSiVS6钢中，适当添加Nb、Ti，采用控轧技术研发的非调质钢拥有铁素体+贝氏体/马氏体组织，其抗拉强度可达1000MPa，断面收缩率高于40%。

Nb-V-Ti合金化非调质钢的抗拉强度可达900MPa，室温冲击性能高于50。

其它产品铌合金化手段还应用于耐候钢、超临界汽轮机叶片用钢等特种领域。

例如，添加Nb的LF9合金，经固溶处理及二次时效处理，得到了含有大量短片状的η相组织，使得该合金具备优异的室温和高温强度。

在耐候钢中添加Nb可提高晶粒度级别，使其强度达到700MPa，并改善韧性。

在制备高压气缸及主阀体的超临界汽轮机用钢中添加Nb，得到了板条状马氏体+细小MC、M23C6的混合组织，大大改善了汽轮机用钢的强韧性及高温蠕变强度。

含铌钢的强化机制

细晶强化作用在一定尺寸范围内，细化晶粒既能提高钢材的强度，又能同时提高其韧性。

大量研究发现，Nb具有突出的细化晶粒、阻碍再结晶的作用，其主要体现在两个方面：析出钉扎、溶质拖曳。

含铌钢中的析出相钉扎位错、阻碍亚晶界的迁移，抑制了晶粒长大，从而细化晶粒。

Nb微合金化的中碳钢经正火处理后，Nb主要以Nb(C,N)形式析出，析出相直径大约20-40nm；Nb(C,N)将原奥氏体晶粒由35μm细化至15μm，低温冲击功由7J提高至19J，低温屈服强度也提高了75MPa。

而且相粒子对奥氏体晶界的钉扎力取决于基体内析出相粒子的体积分数和析出相粒子的半径。即析出相粒子所占体积分数越大，半径越小，则其对奥氏体晶界的钉扎力越大，奥氏体晶界运动的阻力则越大，奥氏体晶粒尺寸便越细小。

在热变形过程中，受到温度的影响，奥氏体中固溶的Nb通常会向晶界偏聚，并且伴随着晶界移动，这便降低了晶界迁移速率。

因而，Nb较强的溶质拖曳效应对奥氏体晶界的迁移产生了阻碍作用，使得奧氏体再结晶与回复变得困难，同时也起到了细化晶粒作用。在轧后空冷FGBA/BGA复相钢中，原奥氏体晶粒在0.02wt%Nb的拖曳效应下，晶粒尺寸由40μm细化至20μm。

并且钉扎效应与溶质拖曳效应显著细化了奥氏体晶粒。含Nb钢在高温热轧时，基体中Nb的拖拽作用有效阻碍了原奥氏体晶粒的长大，在随后的热轧及缓慢冷却过程中，含Nb析出相颗粒钉扎晶界，同时未析出的Nb偏聚在晶界处，再次产生拖曳效应，二者共同细化了变形奥氏体晶粒。

因此，原奥氏体晶粒尺寸越小，晶界数量越多，会提高含Nb析出相颗粒的形核率，从而为细化组织提供了有利的条件。

研究表明，含0.021wt%Nb的中碳马氏体钢，在热轧变形过程中，Nb的添加有效细化了原奥氏体晶粒，最终造成马氏体组织的细化。

其他强化作用Nb在钢基体中主要以固溶和析出两种形式存在，因而可通过不同的强化机理提高钢材强度。

含Nb钢中除细晶强化作用外，弥散强化和固溶强化也是极为重要的强化方式。

在Fe-0.04C-0.2Si-0.72Mn-0.4Cr低碳钢中加入0.013wt%Nb，Nb原子以固溶态形式存在于钢基体中，经相同TMCP工艺变形后，含Nb钢的屈服强度比不含Nb钢的屈服强度提高约55MPa，其原理在于Nb以固溶态形式存在时，固溶Nb原子吸附在刃型位错周围，形成柯氏气团，阻碍位错迁移，降低位错迁移速率，起到钉扎作用。

此外，奥氏体中固溶的Nb同时阻碍变形奥氏体的回复与再结晶。为900℃时奥氏体再结晶开始时每1%溶质原子的阻碍率。

由于Ni、Cr及Mn原子半径、电负性和Fe相似，故它们阻碍奥氏体再结晶能力较弱；然而Nb的原子半径为0.1456nm，Fe的原子半径为0.126nm，二者相差15.56%，由于Fe和Nb的原子半径和电负性存在较大差异，导致Nb易于切割位错，并且阻碍奥氏体晶粒再结晶。

钢基体中固溶的Nb原子通过拖曳作用阻碍位错迁移，并抑制变形奥氏体的再结晶及回复，同时增加了铁素体的形核位置，细化晶粒，从而提高了钢材的屈服强度。

钢材中的Nb更多情况下是以第二相形式存在，起到析出强化作用，同时含Nb析出相钉扎位错，阻碍位错迁移，从而提高钢材强度。

在Fe-0.47C-0.42Si-0.78Mn-0.22Cr中碳钢中加入0.7wt%的Nb，经正火处理后，析出纳米级Nb(C/CN)颗粒，由于析出强化作用，该中碳钢的屈服强度提高了32MPa。

含Nb析出相对基体的析出强化的实质是第二相作为障碍物与可动位错之间产生了交互作用，因为基体与第二相的共格程度不一致，位错形成了绕过第二相机制（Orowan机制）和切过第二相机制两种运动机制。

含Nb第二相是位错运动的强障碍物，主要是因为其硬度高、塑性低，无论含Nb第二相与基体是否共格，位错都很难切过其继续迁移，因此，在含Nb钢中，Orowan机制为主要强化机制。

近年来，Nb元素多添加在耐热钢中。

通常，耐热钢是指在高温（600℃以上）环境中服役，并且具有持久强度、良好的抗高温氧化性及耐腐蚀能力的钢种。

根据耐热钢的定义，不难看出耐热钢需具备两方面性能，即高温强度以及高温化学稳定性。

高温强度需要保证耐热钢在高温服役时具备较高的强度同时不会发生大的变形或断裂，高温化学稳定性则需要耐热钢满足高温下具备优良的抗氧化及抗介质腐蚀的要求。

参考文献：

【1】朱博玲.Nb对高压输气管线用钢热变形行为影响的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2010.

【2】王玥.工业纯超细晶钽和钨的塑性变形及断裂行为研究[D].南京:南京理工大学,2019.

【3】张浩.具有层片组织形态的Ti Al基合金高温变形行为研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.

【4】董志刚.汽车排气系统热端用15Cr型铁素体不锈钢析出行为及其对高温力学性能影响 的研究[D].云南:云南大学,2012.