徐志東 徐 志 范植金

(武漢鋼鐵(集團)研究院 湖北 武漢：430080)

氮元素對400MPa級鋼筋組織性能的影響

徐志東 徐 志 范植金

(武漢鋼鐵(集團)研究院 湖北 武漢：430080)

采用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡以及能譜儀等手段，研究不同的氮含量對400MPa級鋼筋的微觀組織與力學(xué)性能的影響。試驗表明，隨著氮含量的增加，鋼筋的強度有明顯的提高，但斷后伸長率變化不大，這與鋼中析出物尺寸大小、彌散度以及氮的固溶強化有關(guān)。

氮；400MPa級鋼筋；析出物；組織性能

帶肋鋼筋俗稱螺紋鋼筋，主要用于制造鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件，是建筑行業(yè)最重要的原材料之一，其用量占我國鋼材表觀消費量的13%以上[1]，在我國建筑用鋼材中占有重要地位。HRB400熱軋帶肋鋼筋(俗稱Ⅲ級鋼筋)強度高、韌性好、可焊接性優(yōu)良，適合用于現(xiàn)代高層、抗震結(jié)構(gòu)等重要建筑工程。用它替代HRB335熱軋帶肋鋼筋，可節(jié)約鋼筋材料13%左右。傳統(tǒng)生產(chǎn)400MPa鋼筋時，往往都添加了少量的釩，利用微合金化元素V在鋼筋中形成的細小彌散的氮化物、碳化物或碳氮化物來抑制奧氏體晶粒長大，從而獲得細小的奧氏體晶粒并起到提高合金強韌性作用；對含釩的微合金鋼，氮是一個有效的合金元素[2-4]，可提高釩在20MnSi鋼筋中的強化效果,從而達到減少釩的目的。本文通過研究不同氮含量對HRB400V鋼筋的顯微組織和拉伸性能的影響，旨在獲得合適的氮含量范圍，為生產(chǎn)低成本高質(zhì)量HRB400鋼筋提供理論依據(jù)。

1 實驗材料及方法

試驗用鋼采用120噸轉(zhuǎn)爐冶煉，經(jīng)過氬站、LF爐全程吹氬后，上連鑄機澆鑄成200mm×200mm的方坯，其成品化學(xué)成分見表1。方坯在加熱至1200±50℃，加熱時間100min后，在棒材連軋機上軋制成Ф28的熱軋帶肋鋼筋，終軋溫度約1100℃。每個號取兩根400mm長試樣在WAW32000型拉伸機上進行室溫拉伸性能測試；從拉伸斷裂樣上每個號取一小段橫截面試樣，經(jīng)過金相研磨、拋光以及3%硝酸酒精腐蝕處理后，在OPLYMPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡下觀察組織；利用二次碳(萃取)復(fù)型法對金相樣進行萃取制樣，用JEM-2100F透射電鏡對析出物進行分析，然后用EDAX能譜分析儀對析出物進行能譜定性分析。把實驗鋼筋機加工成Ф12×120mm的棒狀樣進行電解析出相分析，定量分析析出物成分。

表1 實驗鋼的化學(xué)成分/%

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

從圖1中可以看出，鋼筋橫截面試樣都有中心偏析組織，偏析組織中鐵素體成網(wǎng)狀分布，且珠光體含量比鐵素體含量多，中心偏析組織外圈有一圈鐵素體量比珠光體量多的區(qū)域，向外延伸，組織逐漸正常。對比四個隨著氮含量的增加越來越嚴重，增氮后的鋼筋，在鋼中的氮元素以及其形成的氮化物在奧氏體晶界上形成聚集，降低了界面能，使奧氏體晶粒長大的驅(qū)動力減小，在加熱和冷卻過程中，使碳及其它元素的擴散速度不一樣，從而引起局部成分不均勻，產(chǎn)生中心組織偏析。鋼中的釩氮形成的彌散強化相以及其它的氮化物作為第二相質(zhì)點扎釘晶界并阻礙晶界移動，可以看出，N含量最多的鋼中正常部位組織晶粒度要比N含量最少的組織要大0.5級。

圖1 不同氮含量下金相組織

2.2 析出物及化學(xué)相分析

將試驗鋼筋加工成Φ12×120mm的棒狀樣經(jīng)磨光后，電解溶樣得到V(C，N)和AlN的粉末，然后對粉末進行化學(xué)相分析，其結(jié)果見表2。

從表2看到，未增氮的0#樣中的N，有一半(50%)與加入的Al結(jié)合形成氮化物AlN，與其他沒有加Al的鋼相比，結(jié)合的N含量最大相差41%。鋼中V的析出，與N有密切關(guān)系。不同N含量鋼，在C、V含量相近時，而析出量相差達20個百分點之多。高氮鋼中V的析出量占加入鋼中總V量的53.0%，而低氮鋼中V的析出量只占到加入鋼中總V量的33.3%，表面低氮鋼中加入的V沒有充分起到沉淀強化的作用，在某種意義上說這是V元素的浪費。

表2 析出物電解分析

注：(1)0#為對照爐號，未增氮，加入了Al合金；(2)N/AlN，指AlN中的N含量；

通過透射電鏡觀察，對試樣中的析出相進行了觀察分析，由于煉鋼時加入的廢鋼帶來的雜質(zhì)元素，鋼種除了有大量細小的V的析出物，還有大量細小的V+Ti的析出物和很少的大顆粒的CuS，大顆粒的CuS主要是以Ti+V與AlN及CuS復(fù)合物形式存在。析出物形態(tài)呈矩形或不規(guī)則形，尺寸以5～45nm和65～150nm為主，其中5～25nm的析出相主要成分為V，25～45nm的析出相主要成分為V+Ti，65～150nm的析出相主要為Ti+V與AlN及CuS的復(fù)合析出。如圖2為析出物形貌和能譜成分。

圖2 析出物形貌及能譜成分

圖3 不同氮含量析出物形貌

對比分析這幾爐鋼的成分可以看出C的含量相差不多， C對析出物的影響不是主要因素。從圖3中可以看出，釩含量一定時，V的析出物隨著氮含量的增加而增大，但當(dāng)?shù)砍^一定的范圍時，V的析出物不會增加，但會使析出更彌散均勻，這與電解夾雜中V(C，N)和AlN析出隨N含量增加到一定范圍后，析出物重量變化不大結(jié)論相同。4#試樣雖然析出物最多，但是分布不均勻、不彌散，存在的纖維狀析出相破壞了基體的連續(xù)性。

2.3 力學(xué)性能

從圖4中可以看出，氮含量對鋼筋的強度和伸長率的影響具有不同的趨勢。隨著氮含量的增加，屈服強度和抗拉強度顯著增加，在0.0128%到0.0138%之間時，增加幅度減緩，當(dāng)?shù)坷^續(xù)增加時，增加幅度增大。而增氮鋼筋斷后伸長率隨著氮含量的增加而下降；出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是N的固溶強化提高強度的同時降低了鋼基的塑性。

對氮元素與屈服強度、抗拉強度進行相關(guān)性和回歸分析，建立回歸模型。如表3所示，屈服強度、抗拉強度與鋼中氮含量的對應(yīng)關(guān)系，P值均小于0.05，說明屈服強度與抗拉強度與鋼中氮含量存在一定的相關(guān)性，且呈正相關(guān)。每增加10ppm氮含量可增加6～8MPa以上，與文獻中記載基本一致[5]。

圖4 屈服強度、抗拉強度與氮含量的關(guān)系

表3 回歸分析

回歸分析：屈服強度與鋼中氮含量回歸分析：抗拉強度與鋼中氮含量回歸方程為Rel=402+0．711N回歸方程為Rm=562+0．711N自變量系數(shù)系數(shù)標(biāo)準誤TP自變量系數(shù)系數(shù)標(biāo)準誤TP常量401．6810．8636．980．000常量562．1795．054111．240．000鋼中氮含量0．711130．080898．790．003鋼中氮含量0．605260．0376416．080．001S=8．58590R-Sq=96．3%R-Sq(調(diào)整)=95．0%S=8．58590R-Sq=96．3%R-Sq(調(diào)整)=95．0%方差分析方差分析來源自由度SSMSFP來源自由度SSMSFP回歸15696．85696．877．280．03回歸14126．94126．9258．580．001殘差誤差3221．273．7殘差誤差347．916．0合計45918．0合計44174．8

3 結(jié)論

(1)鋼筋的強度隨著氮含量的增加而增加，并存在一定的相關(guān)性；

(2)氮含量的增加對組織晶粒度影響不明顯，只有0.5級；

(3)隨著氮含量的增加，鋼中析出物逐漸增加，但是超過一定含量時，數(shù)量不會繼續(xù)增加，而是使析出物分布更均勻。

[1] 王厚昕,李正邦.中國熱軋帶肋鋼筋的發(fā)展和現(xiàn)狀[J].中國冶金，2006(6):6-8.

[2] Zajac S, Lagneborg R,Siwechi T.The Role of Nitrogen in Microal loyed Steels.Proc .Int.conf.Micoalloying’95,Pittsburgh,PA,ISS,1995:321.

[3] Korchynsky M and Glodowski R. The Role of Nitrogen in Microalloyed Forging Steel,Ⅱ International Conference of Forging/Brazil，Proto Alegre-RS，Oct.1998:12.

[4] balliger N K and honeycomb W K.The effect of Nitrogen on Precipitation and Transformation Kinetics in Vanadium Steel ，Metallurgy. Trans，11A，1980,421.

[5] 楊才福,等.釩、氮微合金化鋼筋的強化機制[J].鋼鐵,2001,36(5):55-57.

(責(zé)任編輯：李文英)

Effect of Nitrogen on Structures and Properties of 400MPa Grade Rebar

XU Zhidong XU Zhi FAN Zhijin

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

The effect of Nitrogen with various vanadium on structures and properties of 400MPa Grade Rebar was studied by means of optical microscopy, transmission electron microscope and spectrometry analytical tools. The results show that impact strength increases remarkably with the increase of N content, but no obvious change in elongation at break appears, which is related to precipitate phase size and、dispersion, and solid solution strengthening of nitrogen.

nitrogen； 400MPa grade rebar； precipitation； structures and properties

2014-11-13

2015-05-19

徐志東(1985～)，男，碩士，工程師.E-mail:519011541@qq.com

TG115

A

1671-3524(2015)02-0027-04