微合金元素对钢筋机械性能的影响

1、微合金元素对钢筋机械性能的影响Shunichi HASHIMOTO1) Morifumi NAKAMURA2)摘要：钢筋是建筑用重要材料之一，其强度水平已高达345、390、490等级别。为获得高强度钢筋，已成功运用了V微合金化工艺，而目前Nb微合金化工艺也已进行大量的尝试，但是，有关Nb微合金化钢的热轧和冷却条件对其机械性能的影响还未见报道。本文论述了再加热温度以及轧后冷却速度对0.25C-0.5Si-1.5Mn钢和0.25C-0.5Si-1.2Mn-0.05Nb(+0.05V)钢（质量百分数%）组织与性能影响的试验结果。将0.05%Nb或0.05%Nb+0.05%V添加到0.25C-0.5

2、Si-1.2Mn钢中能有效地提高其强度，尤其在较高的再加热温度下。该强化作用是沉淀强化和细晶强化的结果。轧后加速冷却至700能有效提高钢的强度和屈服延伸。关键词：棒材；钢筋；铌；钒；碳氮化物沉淀；晶粒细化。1 前言可焊性钢筋是广泛应用于城市建筑的重要材料之一，为了满足对较轻自重产品的需要，即要求较低的碳当量来保证可焊性以及便宜的价格，采用诸如Nb,Ti,V微合金元素14）或采用加速冷却工艺即所谓“余热处理工艺”5）或称为添加微合金元素的钢筋余热处理工艺6）来生产高强度可焊性钢筋。尽管V是最常用的元素，但V价格的波动使得钢筋市场发起以Nb代V的运动。文献14）所述Nb在钢筋中的应用表明添加Nb能

3、有效提高屈服强度和抗拉强度，尤其在同时提高两种强度的效果上还更甚于V。但是工艺参数，比如再加热温度、轧后冷却速度等对钢筋机械性能的影响还未见报道。关于以下试验结果，即添加Nb以及再加热温度、轧后冷却速度等工艺参数对0.25C-0.5Si-1.2Mn-(0.05%Nb，0.05%Nb+0.05%V)钢显微组织和机械性能的影响，将在本文中进一步讨论。2 试验方案表1中的钢在空气中熔融后再浇铸，0NB是基础钢号，为0.25C-0.5Si-1.2Mn，0.05%Nb和0.05%Nb+0.05%V被分别添加到基础钢号0NB中，被命名为5NB和5NV，其碳当量(Ceq)大约为0.56。表1 钢化学成分（质

4、量百分比%）CSiMnPSAlNbVNCeq0NB0.2490.471.190.0230.0020.0400.00650.5545NB0.2480.511.220.0240.0020.0420.0510.00790.5655NV0.2440.511.260.0260.0030.0360.0500.0450.00710.569Ceq=C(%)+Si(%)/7+Mn(%)/5+Cr(%)/9铸坯热锻成50t×40wmm后再加热，然后在实验室轧机上经两道次热轧至10mm厚，每道次压缩比约为50%。本试验中采用板状试件进行轧制。控制微合金钢机械性能最重要的工艺参数是再加热温度，其影响Nb固溶

5、体含量和奥氏体晶粒尺寸。如图1(a)所示，RT（再加热温度）在10501250范围内考察其影响，钢在每种再加热温度下都保温30min。为保证试验的精度，通过第二道次的入口温度来控制终轧温度，第二道次入口温度与过程温度几乎一致，为900。轧后热轧板试件空冷至室温，轧后加速冷却是控制显微组织的一个重要参数，在900700范围内通过改变水雾浓度使冷却速度由40/S降至20/S来考察其影响，而空冷速度为0.8/S用于比较。图1(b)给出了热轧和冷却条件。图1 考察(a)RT（再加热温度）和(b) 在900、700之间CR（冷却速度）影响的热轧工序示意图水淬试样应能观察到原始奥氏体晶粒，该方法应能对每个

6、试样截面进行分析、解释。应根据JIS 14 A在轧后10天内进行拉伸试验，试样直径、标距长度分别为8mm和50mm，拉伸速度为5mm/min。轧后56天的试样进行拉伸试验以检验其时效影响。采用硝酸酒精浸蚀或硝酸溶液(2%HNO3)浸蚀，在光学显微镜下观察成品的显微组织以及原始奥氏体晶粒。3 结果3.1 RT（再加热温度）的影响图2给出微合金元素、RT（再加热温度）对LYP（下屈服强度）和TS（抗拉强度）的影响。5NB钢随再加热温度的增加其下屈服强度由1050或1150下的440Mpa提高到1250下的485Mpa；5NV钢比5NB钢的下屈服强度高约3060Mpa，下屈服强度由1050下的470

7、Mpa提高到1250下的535Mpa。另一方面，0NB钢的下屈服强度随再加热温度的升高而下降约10Mpa。0NB钢和5NB钢在较低再加热温度下其下屈服强度相差20Mpa，在1250下相差75Mpa。0NB钢和0NV钢在较低再加热温度下其下屈服强度相差50Mpa，在1250下相差130Mpa。而抗拉强度也显示出与下屈服强度相似的特点，随再加热温度由1050升高到1250，5NB钢和5NV钢的抗拉强度分别提高约40MPa和50Mpa，但0NB钢则接近于0。图2 微合金元素、RT（再加热温度）对LYP（下屈服强度）和TS（抗拉强度）的影响图3 微合金元素、RT（再加热温度）对El和YPEl（屈服延伸

8、）的影响图3给出微合金元素、再加热温度RT对El（总延伸）和YPEl（屈服延伸）的影响。尽管屈服延伸在JIS中没有定义，但其值对于在钢筋混凝土中的应用是必要的，尤其在地震区域。延伸随再加热温度的增加而降低，但延伸在所有再加热温度下都大于28%（只有一个温度点除外）。微合金钢的屈服延伸随再加热温度的升高而略有下降，但仍要大于1.8%，该值是必须要满足的，因为实际贸易中货物接受的条件之一是有屈服点。在整个再加热温度范围内，微合金钢显示出比0NB钢具有更高的屈服延伸值。强度与延伸的关系一般表示为LYP×El，图4给出计算好的LYP×El。可以看出，0NB钢的值最小，5NV钢的值最

9、大，而5NB钢的值为两者的平均值。该结果意味着钢中添加Nb或Nb+V比无Nb钢具有更好的强度延伸的匹配。显微组织对于理解钢强度与屈服延伸的行为是重要的，图5给出1150再加热温度下微合金元素对其光学显微组织的影响。钢的显微组织为铁素体+珠光体，没有发现贝氏体或其它低转变率的产物。5NB、5NV钢的铁素体晶粒尺寸明显小于0NB钢。图4 微合金元素、RT对LYP×El表示的强度延伸平衡的影响图5 1150再加热温度下微合金元素对其显微组织的影响为了定量分析，图6给出通过图像分析得到的铁素体晶粒尺寸以及珠光体体积分数。所有钢的珠光体体积分数都大约为30%，当0NB钢再加热温度由1050升高

10、到1250，其铁素体晶粒尺寸由10m增加到13m。0NB钢在1250出现粗大的显微组织是由于奥氏体晶粒尺寸粗大引起的，而微合金钢在所有再加热温度范围内都表现出较小的晶粒尺寸，5NB钢在全部再加热温度范围内表现出较小的晶粒尺寸，但0NB钢随再加热温度的增加表现出相反特性。图6 微合金元素、RT对珠光体晶粒尺寸和体积分数的影响3.2 CR（冷却速度）的影响一些先进的棒材生产厂采用轧后穿水冷却工艺获得细晶强化。本试验通过改变水的浓度来检验900700范围内冷却速度对机械性能的影响，而再加热温度被固定为1150或1250，添加Nb对0NB钢的影响在1150再加热温度下进行比较，添加V对5NB钢的影响在

11、1250再加热温度下进行比较。下屈服强度和抗拉强度的结果见图7。随冷却速度由0.8/S（无水冷，仅仅空冷）提高到40/S，所有钢在所有再加热温度下的下屈服强度都升高。随冷却速度的提高，0NB和5NB钢的下屈服强度都升高2030Mpa，而5NV钢在1250再加热温度下的下屈服强度提高60Mpa，5NV钢获得的下屈服强度最大值为600Mpa。抗拉强度随冷却速度的增加具有与下屈服强度相似的特性，但其增量要小于下屈服强度。图7 微合金元素、再加热温度和CR（冷却速度）对LYP和TS的影响图8给出冷却速度对延伸和屈服延伸的影响。所有钢在所有再加热温度下，随冷却速度的增加延伸没有发生显著变化，而屈服延伸则

12、明显增加。图8 微合金元素、再加热温度和CR（冷却速度）对El和YPEl的影响图9表明随冷却速度的增加LYP×El升高，5NV钢的值最高，0NB钢的值最低，5NB钢在所有冷却速度下受再加热温度的影响较小，结果显然说明轧后加速冷却是提高下屈服强度、确保屈服延伸的一种有效途径。图9 微合金元素、再加热温度和CR（冷却速度）对LYP×El表示的强度延伸平衡的影响图10 Nb和CR对1150再加热温度下显微组织的影响Nb和冷却速度对显微组织的影响见图10，随冷却速度的提高以及Nb的加入，铁素体晶粒尺寸减小，所有钢的显微组织都为铁素体珠光体，没有观察到贝氏体或其它的低转变率产物。图像

13、分析观察到的铁素体晶粒尺寸和珠光体体积分数见图11，由于5NB钢再加热到1250时其显微组织为非多边形铁素体珠光体的混合物，在图11中忽略了该数据。所有钢在所有再加热温度下，随冷却速度由0.8/S提高到40/S，其铁素体晶粒尺寸变小，特别在0.8/S20/S范围内晶粒细化很明显。对于5NB钢，其铁素体晶粒尺寸由0.8/S下的9m减小到20/S下的6；而5NV钢在1250再加热，其铁素体晶粒尺寸由0.8/S下的9m减小到20/S下的7m。珠光体体积分数随冷却速度的提高下降约5个百分点。图11 微合金元素、CR对珠光体晶粒尺寸和体积分数的影响图12 时效对机械性能的影响，空心标记0NB；实心标记5

14、NB3.3 时效对机械性能的影响钢筋拉伸试验一般在时效后进行，为了理解时效后机械性能的差异，在室温下时效56天的钢试样进行拉伸试验，并与上述结果中轧后10天时效的试样进行对比。所用试样为0NB钢和5NB钢，再加热到1150然后空冷，图12表明两种钢的下屈服强度和屈服延伸略有增加，但抗拉强度和延伸没有改变；时效后5NB钢的屈服延伸增加要大于0NB钢，结果表明轧后时效一段时间对于提高下屈服强度和屈服延伸是有益的。尽管本试验中延伸并没有改变，但也说明由于氢含量的降低时效后可获得较高的延伸7）。本试验屈服没有出现明显提高，这一情况可能是由于试样尺寸较小、或10天时间的时效已足够从而超出可比试样的范围。

15、4 讨论4.1 下屈服强度的冶金影响因素对于5NB钢和0NB钢，试验中获得的下屈服强度的差异见图13。图13 添加Nb、V细晶强化和沉淀强化对LYP差的影响Pickering7）推荐铁素体珠光体钢的YS可表示为公式（1）。 （1）其中： 铁素体分数Mn,Si ：含量（质量百分比%）d ： 铁素体晶粒尺寸（mm）S0 ： 珠光体片层间距（mm），以0.0002mm为单位进行插入N0 ： 固溶N含量（质量百分比%），以0.001%为单位进行插入该公式表明，屈服强度YS由,Mn,Si,d,S0和N0决定，因为Mn,Si含量基本不变，两种钢中S0和N0按同一数值插入，分别为0.0002mm和0.001

16、%，因此造成屈服强度YS不同的只能是晶粒尺寸d和铁素体分数的不同。由公式（1）计算得到的不同屈服强度作图见图13的空心标记，因为试验中变化不大，因此屈服强度YS主要由铁素体晶粒尺寸d决定。随再加热温度的升高，由于晶粒细化其LYP由20Mpa增加到40Mpa，结果表明在较低再加热温度范围内，加入Nb的钢其屈服YP的增加主要是由于晶粒细化。Pickering建议的公式（1）没有考虑沉淀强化，但是含Nb钢必须讨论沉淀强化，在讨论的基础上，采用热力学计算式计算化学成分中固溶Nb含量并在图14中给出，固溶Nb含量在再加热温度范围内变化明显，沉淀强化作用主要由铁素体中沉淀物得到，这与奥氏体中固溶Nb有很大

17、关系911）。热力学计算结果证实较高的再加热温度可得到较高的沉淀强化，因此在较高再加热温度范围内，除了细晶强化作用外，沉淀强化作用也对下屈服强度的提高有贡献。随再加热温度的增加由细晶强化和沉淀强化预估的下屈服强度增量与试验结果十分吻合。图14 5NB钢由热力学计算得到的温度与固溶Nb关系图图13也给出了5NV钢和0NB钢之间的LYP，由1050下的50Mpa提高到1250下的130Mpa。5NB钢和5NV钢之间的LYP的差别是由于VCN沉淀强化所致，因此5NV钢具有更高的LYP是由于细晶强化以及NbCN、VCN的沉淀强化所致。4.2 屈服延伸的冶金影响因素众所周知，铁素体晶粒尺寸减小、铁素体体

18、积分数减少能有效地提高屈服延伸12），图8的结果也支持随冷却速度的升高屈服延伸将提高的冶金理论基础，也就是说，随冷却速度的增加屈服延伸提高可由冷却速度增加导致铁素体晶粒细化、铁素体体积分数增加来获得解释。4.3 显微组织的冶金影响因素图15给出轧后加速冷却的作用，当轧后冷却速度较低时，铁素体在较高温度开始转变，因此铁素体晶粒尺寸较大，晶粒数目较少，具体见图15。在高温低冷却速度的铁素体转变期间，如图15，新的铁素体开始生长，如图15，产生了较大的铁素体转变。另一方面，加速冷却能使晶粒细化并形成大量铁素体，见图15。当钢在低温铁素体区进行冷却时，图15中形核的铁素体很难长大，该区域中新转变的铁素体就很细小，如图15所示。另外，微合金钢的原始奥氏体晶粒细化对最终晶粒细化也有贡献。再加热保温30min后进行水淬，其试样可观察到奥氏体显微组织