為了獲得細晶粒，最重要的是通過相變盡量多形核。為增大形核速度，就必須增加形核密度，增大形核驅(qū)動力。在低碳鋼和低合金鋼中，在γ→α相變時，為細化鐵素體晶粒，主要采用圖1所示的四種方法：（1）盡量細化相變前母相奧氏體的晶粒；（2）改變相變前母相奧氏體的狀態(tài)，使處于形變硬化狀態(tài)的奧氏體產(chǎn)生相變；（3）使奧氏體晶粒內(nèi)彌散分布適當(dāng)?shù)奈龀鑫锖蛫A雜物；（４）盡量增大冷卻速度。由上述的四種方法可以看出，（1）、（2）、（3）都是增加鐵素體形核位置的方法，第（４）項盡量增大冷卻速度的方法，就是增大過冷度，增大相變時形核驅(qū)動力的方法。根據(jù)鋼中采用的微合金化元素的不同，上述方法的選擇和組合也不同。對采用鈮、鈦微合金化鋼來說，選擇（2）+（４）組合比較合適；但對采用釩、氮微合金化的鋼來說，則選擇（1）+（3）+（４）組合比較合適。相對而言，前者更適用于扁平鋼材，如中厚鋼板，后者更適用于長形鋼材，如鋼筋、鋼棒和角鋼等。 圖1 通過相變細化鐵素體晶粒的四種方法（（1）~（4）） V-N微合金化是利用V和N的一項復(fù)合微合金化技術(shù)，是發(fā)展量大面廣微合金化鋼的一項具有普遍性的技術(shù)，具有其他微合金元素（Nb、Ti）所沒有的一些特點。 （1）容易實現(xiàn)奧氏體再結(jié)晶細化。在高溫奧氏體再結(jié)晶區(qū)熱軋時，釩鋼的奧氏體再結(jié)晶阻力比較小，容易產(chǎn)生奧氏體的再結(jié)晶，隨著高溫下熱軋的反復(fù)進行，奧氏體將發(fā)生反復(fù)的再結(jié)晶，可有效破碎原始奧氏體晶粒，使原始奧氏體母相細化，增加單位體積中的晶界總面積。通過這種細化方法可使原始奧氏體晶粒細化到20μm。原始組織的細化對鋼的最終性能將產(chǎn)生很重要的影響。 在V-N微合金化鋼中，氮對細化原始奧氏體晶粒也有重要作用。圖2示出了氮對釩鋼奧氏體晶粒尺寸的影響，由圖可以看出，氮含量對奧氏體晶粒尺寸有顯著影響。隨著氮含量的增加，在不同的釩含量下，奧氏體晶粒尺寸都明顯減小。 圖2 氮對釩鋼細化奧氏體晶粒尺寸的影響 （2）氮促進釩的析出及晶內(nèi)鐵素體形核。與鈮、鈦相比，釩具有更高的溶解度，這表明在較低的溫度下釩都能溶解。當(dāng)鋼中的氮含量高于0.010%時，VN可在奧氏體中析出，析出最快溫度為860~900℃，這增加了奧氏體母相中彌散分布的析出物和夾雜物（在此條件下為析出物），增加了相變后鐵素體的形核位置和形核密度，為細化鋼的組織奠定了基礎(chǔ)。 利用夾雜物（或析出物）作為額外的鐵素體形核位置促進鐵素體形成，通常被稱為夾雜物冶金學(xué)，被認為是繼控制軋制和加速冷卻工藝之后的一種新型組織細化工藝，引起了廣泛的關(guān)注。根據(jù)錯配理論，析出物（夾雜物）對鐵素體形核的促進能力取決于析出物（夾雜物）與鐵素體之間界面的晶格共格性。對不同析出物（夾雜物）與鐵素體之間的界面能及形核驅(qū)動力進行了計算，如圖3所示，在各種析出物（夾雜物）中，VN和TiN促進鐵素體的形核能力最高。VN的晶體結(jié)構(gòu)與鐵素體非常接近，可以降低鐵素體形核的界面能，促進晶內(nèi)鐵素體（IGF）的形成。VN與鐵素體（100）晶面的錯配度比較小，也就是說，VN與晶內(nèi)鐵素體（IGF）有良好的共格關(guān)系，因此VN對晶內(nèi)鐵素體（IGF）的形成是非常有利的。利用V-N微合金化技術(shù)，通過VN在奧氏體和V(C,N)在鐵素體中析出，促進晶內(nèi)鐵素體（IGF）的形成，細化鐵素體晶粒，在提高強度的同時改善鋼的韌性，這種組織細化的新型工藝在很多鋼中已獲得廣泛的應(yīng)用。在V-N微合金鋼中，若同時存在大量細小的MnS和較高的氮含量時，在MnS周圍形成貧錳區(qū)，可進一步促進VN在MnS上析出，增加晶內(nèi)鐵素體的形核位置，細化鋼的組織，提高鋼的韌性，易切削非調(diào)質(zhì)鋼就是一個典型的實例。 圖3 不同析出物（夾雜物）與鐵素體之間的界面能對形核驅(qū)動力的影響 σγx—γ相與析出物（夾雜物）的界面能； σαx—α相與析出物（夾雜物）的界面能； （3）采用加速冷卻方法，盡量增大冷卻速度。V-N微合金化鋼，在再結(jié)晶細化原始奧氏體晶粒和VN在奧氏體中析出的基礎(chǔ)上，通過熱軋后的加速冷卻，盡量增大冷卻速度，增大過冷度，就可增大相變時的生核驅(qū)動力，提高相變后鐵素體的生核密度，細化鐵素體晶粒。 通過上述介紹，綜合采用：（1）奧氏體再結(jié)晶細化，細化原始奧氏體晶粒；（2）VN或富氮的 V(C,N)在奧氏體中析出，增加相變過程中和相變后鐵素體的生核位置；（3）加速冷卻，增大相變時的生核驅(qū)動力等方法，V-N微合金化鋼同樣可獲得與鈮微合金化鋼相同的鐵素體晶粒細化水平（約4μm）。通常，為改善鋼的焊接性和阻止高溫奧氏體晶粒的粗化，V-N微合金化鋼通常添加0.01%Ti，優(yōu)化為 V-Ti-N微合金化鋼，利用鋼中形成的細小TiN粒子，可有效阻止熱軋道次間和軋制后奧氏體晶粒的長大，同時，細小TiN粒子非常穩(wěn)定，在1350℃的焊接熱循環(huán)下也不分解和粗化，有效阻止在該溫度下奧氏體晶粒的長大，顯著改善焊接熱影響區(qū)（HAZ）韌性，因此，V-Ti-N微合金化不僅細化了鋼的鐵素體晶粒，而且改善了鋼的韌性和焊接性等綜合性能。采用再結(jié)晶控軋工藝生產(chǎn)的V-N鋼和V-Ti-N鋼，均可獲得與鈮微合金化鋼相同的鐵素體晶粒細化水平。兩者相比，V-N微合金化鋼還有許多技術(shù)優(yōu)勢：V-N微合金化鋼加熱溫度低，終軋溫度高，生產(chǎn)效率高，熱軋工藝更經(jīng)濟；與鈮鋼、鈦鋼相比，釩鋼的再結(jié)晶終止溫度最低，適于高溫再結(jié)晶控制軋制，通過反復(fù)再結(jié)晶細化原始奧氏體晶粒；V-N微合金化顯著提高了奧氏體→鐵素體轉(zhuǎn)變的相變比率，進一步細化了相變后的鐵素體晶粒，在相同的奧氏體晶粒尺寸下，V-N微合金化鋼的相變細化率遠遠高于C-Mn鋼，這表明即使奧氏體晶粒尺寸相同，最終V-N微合金化鋼的鐵素體晶粒也要細小得多。
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