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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，其影響遠遠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)生了非對稱的應(yīng)變，具有非常強烈的固溶強化作用。

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>方向被擴張。Α-Fe晶體雖然共有3個等價的<100>方向，但是氮或碳原子只在其中1個特定的方向侵入，通常這個方向就規(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，與刃型位錯和螺型位錯發(fā)生強烈的交互作用。間隙式固溶體的交互作用范圍遠遠大于置換式固溶體的作用范圍。α-Fe的C原子與刃型位錯的結(jié)合能約為8×10^-20Ｊ，碳、氮原子在位錯芯附近偏析，形成科垂耳氣團固定位錯。當(dāng)偏析的N或C原子達到飽和時，其沿著位錯線以碳氮化物的形式析出，阻礙位錯運動，導(dǎo)致間隙式固溶原子產(chǎn)生的強化作用遠遠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化實驗結(jié)果，由圖可以看出，各種合金元素加入鋼中對鋼的屈服強度有較大的影響，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度，但是與氮和碳間隙型固溶原子相比其強化能力是較小的，即間隙型固溶原子具有更大的強化作用。由圖可以看出，其強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之間有強烈的交互作用，比較容易在位錯附近偏析，此時的強化效果還會進一步增強。強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)鋼中的固溶強化

圖3給出了在奧氏體不銹鋼中的固溶強化實驗結(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，已研制出屈服強度超過2000MPa的超高強度鋼；利用間隙原子氮具有強烈形成、穩(wěn)定奧氏體并擴大奧氏體區(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，特別是耐局部腐蝕性能，如耐晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕，研制出一系列高強度、高耐蝕性能的高牌號不銹鋼。

圖3  在奧氏體不銹鋼中的固溶強化

在各種微合金化元素中，釩是最適合產(chǎn)生穩(wěn)定強烈析出的元素，因為其碳氮化物的溶解度積很大，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數(shù)量級，這可使氮在含釩鋼中在沉淀強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小碳氮化釩粒子，通過析出強化和晶粒細化強化顯著提高鋼的強度，改善或保持鋼的良好塑性和韌性。

氮含量對鋼的強度有很大影響。圖4給出了氮對20MnSiV鋼強度影響的試驗結(jié)果。試驗結(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，在其他成分均保持不變的情況下，則鋼的屈服強度提高118MPa，抗拉強度提高135MPa，即增加鋼中的氮含量具有明顯的強化效果。

 圖4  氮含量對20MnSiV鋼強度的影響

在中碳非調(diào)質(zhì)鋼的情況下，氮含量對強度的影響也是非常顯著的。圖5是氮含量對中碳非調(diào)質(zhì)鋼強度影響的試驗結(jié)果，當(dāng)鋼中的氮含量從0.004%增加到0.016%時，屈服強度提高110MPa，由此可見，在中碳非調(diào)質(zhì)鋼的情況下增氮的強化效果也是很明顯的。在實際生產(chǎn)中，為提高中碳非調(diào)質(zhì)鋼的強度并改善鋼的韌性，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，促進晶內(nèi)鐵素體的生成，細化鐵素體晶粒，提高中碳非調(diào)質(zhì)鋼的綜合性能，是鋼中充分利用廉價元素氮的典型實例。

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

氮對鋼強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鋼強度影響的試驗結(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，鋼的屈服強度則從350MPa提高到550MPa。鋼中的釩和氮具有復(fù)合強化效果。

 圖6  氮對不同釩含量鋼(0.17%C-1.04%Mn)屈服強度的影響

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)變時效脆化現(xiàn)象，當(dāng)鋼中的V/N比達到4:1時，可完全消除應(yīng)變時效脆化現(xiàn)象。

釩微合金化鋼中的碳含量對鋼的強度也有影響。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。為進一步產(chǎn)生連續(xù)的析出強化，鋼中必須有足夠的固溶碳和化學(xué)驅(qū)動力形成新的V(C,N)核心。以前人們認為，鋼中的碳含量對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，鋼的強度明顯增大，碳含量每增加0.01%，則析出強化增量增加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間所致。

根據(jù)試驗研究結(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屈服強度（MPa）貢獻的數(shù)學(xué)表達公式：

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%的氮可使屈服強度增加7~8MPa。