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文檔簡介
1、20116June 2011鈮微合金化控冷工藝生產 HRB500 抗震鋼筋強韌化機理陳偉 1, 2,施哲 1,趙宇 2(1. 昆明理工大學 冶金與能源工程學院,云南 昆明,650093;2. 武鋼集團昆明鋼鐵股份 技術中心,云南 昆明,650302)摘要:采用 Nb 微合金化和控冷工藝開發 HRB500 抗震鋼筋,通過金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X 線衍射儀及拉力試驗機對鋼筋取樣金相顯微組織、析出相、力學性能及強韌化機理進行分析研究。研究結果表明: 采 用 Nb 微合金化和控軋控冷工藝生產 HRB500 抗震鋼筋,最主要的強化機制為細晶強化,其對強度貢獻超過 40%; 采用該工藝,鋼筋鐵素
2、體晶粒度達 11.0 級以上,晶粒細化效果明顯;鐵素體基體、晶界及位錯線上形成和分布著 尺寸為 1020 nm 的大量細小彌散的 Nb(CN)析出相,起到了較好的沉淀強化及細化晶粒作用;晶粒細化使沖擊轉 折溫度下降 150 ,使鋼筋在獲得較高強度的同時,仍具有較好的塑韌性。關鍵詞:HRB500 抗震鋼筋;細晶強化;Nb(CN);沉淀強化;塑韌性中圖分類號:TF762+.3,文獻標志碼:A文章編號:16727207(2011)06160407Strengthening and toughening mechanism of HRB500 anti-seismic rebarswith Nb mi
3、croalloyed and controlled cooling processCHEN Wei1, 2, SHI Zhe1, ZHAO Yu2(1. Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2. Technology Center, Wukun Steel Co Ltd, Kunming 650302, China)Abstract: Development of HRB500 anti-seism
4、ic rebars by Nb microalloyed and controlled cooling process wasintroduced. The microstructure, educt, mechanical properties, strengthening and toughening mechanism were researched and analyzed by means of metallographic microscopy, scanning electron microcopy, transmission electron microscopy, X-ray
5、 diffraction apparatus and tensile testing machine. The results show that fine-grain strengthening is the primary mechanism of strengthening and toughening for HRB500 rebars produced by Nb microalloyed and controlled cooling process, contribution of its strength is more than 40% of total strength; f
6、errite grain grade of rebars is more than 11.0, obvious effect of grain refinement is obtained. A large number of small and diffuse of Nb(CN) educts sized 1020 nm are formed and distributed on ferrite matrix, grain boundary and dislocation lines, good effect of precipitation strengtheningand grain r
7、efinement are received; impact transition of temperature reduces by 150 by grain refinement, and higherstrength for rebars is acquired. Meanwhile, rebars still have good plasticity and toughness.Key words: HRB500 anti-seismic rebars; fine-grain strengthening; Nb(CN); precipitation strengthening; pla
8、sticity and toughness隨著我國城市建設的不斷發展和社會進步,為了提高大型建筑物的安全性,開發高強度、焊接性能好 的 500 MPa 抗震鋼筋成為了鋼鐵行業提升技術水平和產品結構調整的重要任務。目前,國家及地方相關部門相繼出臺了一系列文件促進 HRB500 高強度抗震鋼 筋的研制和推廣應用1。國內 HRB500 高強度鋼筋主收稿日期:20100315;修回日期:20100607基金項目:云南省科技計劃項目(2009BA008)通信 陳偉(1973),男,云南昆明人,博士研究生,高級工程師,從事鋼鐵冶金新工藝及新產品研發; E-mail:kgchen
9、wei163 1605第 6 期陳偉,等:鈮微合金化控冷工藝生產 HRB500 抗震鋼筋強韌化機理要采用釩氮微合金化熱軋工藝生產,成本較高,影響了高強度鋼筋的生產和推廣應用。為了降低高強度鋼 筋生產成本,近年來國內開始研究采用微合金化結合 軋后快速冷卻技術生產高強度鋼筋,充分利用和發揮 微合金碳氮化物沉淀析出強化和控冷細晶強化作用, 進一步提高鋼的強度,改善其塑韌性。該工藝利用棒 材軋機高速連續大變形產生的應變積累,在較高溫度 下實現控制軋制軋后快速冷卻,獲得粒徑較小和強 烈硬化的形變奧氏體晶粒2。王國棟3介紹了以超快速 冷卻為核心的新一代 TMCP 技術在鋼材生產中的應用 和由此導致鋼材性能
10、的提升。蔣艷菊4 研究了利用20MnSiNb 鋼軋后快速冷卻工藝,使鋼的屈服強度增 加 50100 MPa,即達到了級螺紋鋼筋的強度。陳偉 等5 針對國內某廠鈮微合金化和控冷工藝開發的 HRB500 抗震鋼筋,對其力學性能、抗震性能、焊接 性能及時效性等進行了深入研究。為適應市場形勢和 技術革新發展的需求,2009 年昆明鋼鐵股份 開始研究采用 Nb 微合金化和軋后快速冷卻工藝試制 HRB500 抗震鋼筋。為此,本文作者通過金相顯微鏡、 掃描電鏡、透射電鏡、X 線衍射儀及電解萃取分離等方 法對該工藝生產的 HRB500 鋼筋強韌化機理進行研究。HRB500 鋼筋 , 其化學成 分 ( 質量分
11、數 ) 為: C ,0.20%0.25%;Si,0%0%;Mn,1.32%1.55%; P,0.040%;S,0.040%;Nb,0.0255%,; 余量為 Fe。CR控制軋制;AcC控制冷卻;R粗軋;F精軋圖 1 各種軋制工藝的模式圖 Schematic illustration of different rolling technologies1.2試驗方法根據國家標準 GB/T 2282002金屬材料室溫拉 伸試驗方法從鋼筋上截取長度為 400450 mm 試樣, 采用 SHT5306 萬能拉力試驗機進行拉伸試驗;試樣經 研 磨拋光 、 4% 硝酸 酒精溶 液進行 腐蝕 后,采 用 Le
12、ica5000 型金相顯微鏡觀測其顯微組織,根據國家標 準 GB/T 6394 金屬平均晶粒度測定法并采用 Leica5000 自帶的分析軟件測量鐵素體晶粒級別及平 均直徑;在金相試樣上切取厚度為 0.2 mm 的薄片, 采用電解萃取分離法,通過 S4300 型掃描電鏡、 JEM200FX 型透射電鏡、JEM2010F 型場發射高分 辨透射電鏡及 XRD7000 X 線衍射儀分析鋼中 Nb 的 析出相。1試驗材料與方法1.1試驗材料制備試驗材料以優質鐵水、廢鋼為原料,經 50t LD轉爐吹煉后,加入復合脫氧劑、高碳錳鐵、硅鐵、鈮鐵、增氮劑等脫氧合金化材料,熔煉成鋼水,出鋼溫 度為 1 6701
13、 685 ;鋼水經半徑為 9 m 直弧型 5 機 5 流小方坯鑄機澆鑄成斷面 150 mm×150 mm 小方坯, 中包澆鑄溫度為 1 5251 540 ;鑄坯經蓄熱式加熱 爐加熱 5060 min, 加熱溫度控制為 1 1001 150 ; 加熱爐出鋼后采用 18 機架的全連續式棒材軋機軋制, 開軋溫度為 1 0201 070 ,在速度為 0.71.3 m/s 的 軋制條件下粗軋 6 個道次,軋制時間為 5075 s;之后 在速度為 3.74.5 m/s 的軋制條件下中軋 6 個道次,軋 制時間為 6080 s;最后在速度為 716 m/s 的軋制條 件下精軋 26 個道次,軋制時
14、間為 5575 s,終軋溫度 控制為 9501 000 。終軋后鋼材采用快速冷卻控冷 工藝,冷卻水量為 300350 m3/h,控冷后終止溫度(上 冷床)大于 750 ,之后置于空氣中自然空冷至室溫, 即獲得 HRB500 高強度抗震鋼筋。試驗鋼軋制工藝見圖 1 中的 CR 和 AcC 模式。試 驗材料取自上述工藝所生產的 18 mm 和 20 mm試驗結果2本試驗材料采用 Nb 微合金化和控軋控冷工藝生產,在鋼中添加少量鈮,利用控軋控冷過程中強碳氮 化物形成元素鈮所形成的碳氮化物的彌散析出相細化 晶粒,以提高鋼的強度和韌性,并改善鋼的焊接性能。 其理想的顯微組織是:晶粒細小,基體上分布著高度
15、 彌散的 Nb 的碳氮化物的鐵素體67。采用軋后快速冷 卻工藝,通過冷卻速度及終冷溫度控制終軋后再結晶 的晶粒長大及相變冷卻后的晶粒長大。其基本原理為: 在精軋連軋過程中,軋件溫度處于再結晶區,在較高 或很高的變形速度下,軋件的奧氏體組織產生強烈大 變形,形成細的、強烈硬化的、具有大量缺陷的奧氏1606中南大學學報(自然科學版)第 42 卷體晶粒;對上述奧氏體施以快速冷卻,直到相變溫度附近,從而抑制奧氏體晶粒長大,盡量保持奧氏體的 硬化狀態;與此同時,細小的奧氏體晶粒在適當的冷 卻條件下,促進鐵素體形核點增加,轉變為晶粒細小 的鐵素體和珠光體8,在提高鋼筋屈服強度和抗拉強 度的同時,保持或改善
16、其塑韌性。2.1 試樣顯微組織采用 Leica5000 型金相顯微鏡對上述工藝生產的20 mm HRB500 高強度抗震鋼筋金相組織進行檢驗分 析,結果見圖 2。從圖 2 可以看出:中心部位組織為 針狀鐵素體+珠光體少量貝氏體(4%),鐵素體晶粒 呈彌散分布,組織均勻,無聚集長大現象;外層組織 為珠光體+鐵素體+少量貝氏體(5%);邊緣部位組織為 鐵素體+珠光體,鐵素體晶粒存在二次結晶。心部的 鐵素體晶粒度為 11.0 級,晶粒粒度為 µm,過渡層 鐵素體晶粒度為 11.5 級,晶粒粒度為 µm,晶粒細 化效果明顯,有利于鋼筋強度提高和綜合性能的改善。2.2 試樣微合金析出
17、相采用電解萃取分離的方法分析鋼筋中 Nb 的析出 相,通過 S4300 型掃描電鏡、JEM2010F 型場發射 高分辨透射電鏡及 X 線衍射儀分析析出相尺寸和數 量,結果見圖 3。從圖 3 可以看出:鋼中加入鈮鐵合 金后,通過控制合適的軋制溫度和冷卻速度,形成了 大量 Nb 的析出物,其大部分在晶界、晶內位錯線及 鐵素體基體上析出,呈細小彌散分布,粒度為 1020 nm;衍射斑點分析結果(見圖 4)表明析出相為面心立 方結構,主要為 Nb(CN)。從析出數量(見表 1)來看,Nb(CN)析出量占鋼中 總鈮量的 69.69%,固溶 Nb 存在的比例為 18.18%。 Nb 與鋼中的 C 和 N
18、元素形成大量細小彌散的 Nb(CN) 析出相, 這些碳氮化物存在于鐵素體基體、位錯線及 晶界上,起到第二相強化和晶粒細化的作用。2.3 試樣鋼筋力學性能采用 Nb 微合金 化和控軋控 冷工藝生產 的HRB500 抗震鋼筋試驗樣力學性能見表 2。從表 2 可以看出:屈服強度(ReL)和抗拉強度(Rm)控制較好,兩 者和 GB/1499.22007 規定的 HRB500 強度下限值相 比均有一定富余空間,抗風險能力強;從伸長率看,(a) 中心部位;(b) 外層;(c) 邊緣部位圖 2 Nb 微合金化和控冷工藝生產的 20 mm HRB500 鋼筋 金相顯微組織 Microstructures of
19、 HRB500 rebars (d20 mm) with Nb microalloyed and controlled cooling process(a) 晶界;(b) 晶內位錯線;(c) 鐵素體基體圖 3 HRB500 鋼筋中 Nb 析出物 TEM 形貌 TEM morphology of Nb educt for HRB500 rebars1607第 6 期陳偉,等:鈮微合金化控冷工藝生產 HRB500 抗震鋼筋強韌化機理圖 4 Nb 細小析出相的衍射斑及其標定 Electronic diffraction spot and calibration of Nb small educt表
20、1 控冷工藝生產含鈮 HRB500 抗震鋼筋中鈮的析出物定量分析結果Table 1 Quantitative analysis results of Nb educt for HRB500 rebars with controlled cooling processNbC 析出相Nb(CN)析出相固溶 Nb樣本數/個鋼中鈮質量分數/%比例/%粒度/nm比例/%粒度/nmw/%比例/%w/%w/%1310250.0231020表 2Nb 微合金化和控冷工藝生產 HRB500 抗震鋼筋力學性能Table 2Mechanical property of HRB500 anti-seismic reb
21、ars with Nb microalloyed and controlled cooling process質量分數/%力學性能公稱直徑/mm統計批數屈服抗拉最大力總伸長 率 Agt/%特征值伸長率A/%Rm實/ReL實ReL實/ReL標強度 ReL/ 強度 Rm/CSiMnPSNbFeMPaMPa最小余量5356974118最大余量568736平均余量548719最小11余量5377012620最大余量566732平均余量5477161.11最低斷后伸長率 A19.0% ,平均斷后伸長率 A24.5%,最低最大力總伸長率 Agt12.0%,平均 Agt 為%,鋼筋塑韌性較好;從抗震性能看,
22、Rm 實/ReL 實1.25,ReL實/ReL標1.30,滿足抗震要求。總體來看,采冷工藝生產的 HRB500 抗震鋼筋金相顯微組織為細小針狀鐵素體+珠光體+少量貝氏體(4%),在鐵素體基 體、晶界及位錯線上形成和析出了大量細小彌散的 Nb(CN)沉淀相質點;從檢驗批次力學性能來看(見表2),該工藝生產的鋼筋具有較好的強韌性,抗震合格 率達 100%。在本試驗條件下,根據化學成分、顯微 組織及碳氮化物析出相試驗結果分析,該工藝鋼筋強 度的提高主要是細晶強化、沉淀強化和固溶強化 3 種 強化機制復合作用的結果。根據所研究鋼的化學成分 及所采用的工藝制度,若忽略不計其他強化因素的影 響,其強化機制
23、經驗方程式9如下:用上述工藝生產的 HRB500較好。抗震鋼筋綜合性能控制分析和討論3上述檢驗結果表明:采用 Nb 微合金化和控軋控1608中南大學學報(自然科學版)第 42 卷ReL=i+y+p+k·d1/2淀析出強化效果;此外,軋后快速冷卻工藝改變了相變前奧氏體的組織,溫度降低,減小相變前奧氏體的 晶粒尺寸,在形變奧氏體中形成較多的形變帶,增加 了奧氏體向鐵素體轉變時鐵素體晶粒的形核位置及形 核速率1012。隨著變形溫度的降低,Ar3 點的溫度升高, 降低了奧氏體的穩定性,當 Ar3 的溫度與變形溫度重 合時發生誘導鐵素體相變,從而細化了鐵素體晶粒, 使轉變后的鐵素體含量增加。上
24、述分析表明:控軋控冷和鋼中大量細小彌散的Nb(CN)析出相使晶粒細化作用明顯增強。3.2析出相沉淀強化析出相沉淀強化主要來源于微合金碳氮化物等析 出物的作用,是沉淀物顆粒和位錯之間相互作用的結 果。采用 Nb 微合金化和控軋控冷工藝生產 HRB500 抗震鋼筋時,第二相沉淀強化也是主要強化機制之一, 其沉淀強化作用的關鍵取決于 Nb(CN)的析出行為。通 過掃描電鏡、透射電鏡及 X 線衍射儀觀察(圖 3),試 驗鋼中析出了大量細小彌散的 Nb(CN)沉淀相質點,這 些第二相質點均勻分布在晶界、位錯線及鐵素體基體 內部,促進 相變產生13;此外,試驗鋼終軋后采 用了快速冷卻工藝,促進了針狀鐵素體
25、的形成,細小 彌散的 Nb(CN)質點以均勻形核沉淀或位錯形核沉淀 在鐵素體基體上析出,無論是相間沉淀還是基體沉淀 Nb(CN)質點都是基本均勻的,因此,起到了顯著的強 韌化效果。根據微合金碳氮化物沉淀強化的 Orowan 機制, 沉淀強化增量可采用 OrowanAshby 方程1415表示:(1)式中:ReL 為實測屈服強度;i 為晶格摩擦阻力項;y為固溶強化項;p 為沉淀強化項;k 為比例系數,試 驗鋼取值為 17.5 MPa·mm1/2;d 為鐵素體晶粒直徑, mm;k·d1/2 為細晶強化項。對于 C-Mn 鋼來說,i=104.1MPa;y=32.6w(Mn)+84
26、w(Si)。因此,ReL=104.1+32.6w(Mn)+84w(Si)+p+k·d1/2(2)由表 2 可知:試驗鋼 w(Mn)均值為 1.42%,w(Si)均值為 0.50%,因此測算出固溶強化值 y 為 88.3 MPa, 式(1)中前 2 項 i+y 之和為 192.4 MPa,占試驗鋼屈服 強度 ReL 的 35%。測算結果表明:試驗鋼性能強度的大幅度提高主要歸因于細晶強化項和化項。3.1細晶強韌化Nb 的析出強細晶強化作為鋼中最重要的強化方式之一,在提高強度同時,還使韌脆轉變溫度降低,使塑性、韌性 都有較大程度改善,是最有效的強韌化機制之一。相 關研究表明9,細晶強化對屈
27、服強度的貢獻可按下式 計算,即 :G=k·d1/2(3)由式(3)可知:鋼筋晶粒越細小,強度就越高。由圖 2 可知:試驗鋼采用了軋后快速冷卻工藝,晶粒細 化作用明顯,鐵素體晶粒度達到 11.5 級,粒度為 5.9µm,按式(3)測算其細晶強化量達 228 MPa,其對強度 貢獻超過 40%,使鋼筋強度大幅度提高。試驗用鋼采 用 Nb 微合金化和控軋控冷工藝,其晶粒的細化是通 過控軋控冷與鋼中 Nb(CN)析出相的良好配合來實現 的。材料制備過程通過控制軋制加熱溫度(1 150 ) 和未熔的 Nb(CN)質點來阻止加熱時奧氏體晶粒長 大;通過控制開軋溫度(1 070 )及總壓
28、下率,保證 變形滲透至心部和在再結晶區通過奧氏體反復變形及 再結晶過程,使奧氏體晶粒得到細化,為獲得細小鐵 素體晶粒組織創建了條件;之后控制較低終軋溫度(1 000 )及總壓下率,通過形變誘導析出的 Nb(CN)對再結晶起抑制作用,實現未再結晶控制軋制。由圖3 可知:鐵素體基體、晶界及位錯線上析出了大量細 小彌散的 Nb(CN),起到了較強的抑制再結晶的作用。 控制較低的終軋溫度及采用較大的壓下率,有利于形 變奧氏體中形成大量形變帶,使 轉變的形核點大 大增加,同時,形變產生的儲存能也加速了 轉變 的形核率,從而大大增強了 相變的細化效果。終 軋后采用快速冷卻工藝,有效地控制 相變 Nb(CN
29、) 析出行為,從而進一步細化了鐵素體晶粒,提高了沉p=(0.538Gbf1/2/X)ln(X/(2b)(4)式中:G 為剪切模量(MPa),對于鐵基合金為 GPa;b 為柏氏矢量(mm),對于鐵素體為 0.248 nm;f 為析出 相粒子的體積分數;X 為析出相粒子的直徑(mm)。對 試驗鋼而言,Nb(CN)析出相顆粒粒度細小(1020 nm), 且析出相的體積分數較大(69.69%),因此,沉淀強化 效果顯著。上述分析表明,析出相沉淀強化作用的關鍵取決 于 Nb(CN)在低溫鐵素體區大量細小彌散的析出。試驗 鋼中析出了大量細小彌散的 Nb(CN)析出相,其絕大部 分在鐵素體中沉淀析出并與鐵素
30、體呈半共格關系;析 出相主要分布在鐵素體基體、晶界及位錯線上,產生 了較強的析出強化作用。根據式(1)(4)測算,試驗鋼 中 Nb(CN)析出相沉淀強化量超過 120 MPa。細小、彌 散的 Nb(CN)質點與鐵素體基體結合力強,分布較為均 勻,且本身強度又比鐵素體的高,對韌性危害很小;1609第 6 期陳偉,等:鈮微合金化控冷工藝生產 HRB500 抗震鋼筋強韌化機理與此同時,由于采用了控軋控冷工藝,產生了較強的細化晶粒作用,最大程度地彌補了沉淀相對韌性的不 利影響,使其對韌性的危害減至最低程度。3.3鋼筋的塑韌性隨著鋼筋強度的提高,必然影響到材料的塑性和 韌性。材料的塑性和韌性實際上是由屈
31、服強度和裂紋 形核應力及裂紋擴展臨界應力之間的相對大小來決定 的,因此,隨著材料強度的提高,塑性和韌性不一定 降低。就試驗鋼而言,其固溶強化主要是由 Si 和 Mn 形成的置換式固溶強化,引起晶格畸變小,因此,強 化作用較弱,對韌性的削弱也不明顯;從沉淀強化看, 在屈服強度提高的同時,脆性轉變溫度升高,伸長率 降低,不利于鋼材塑韌性的提高,但試驗鋼中所形成 的大量細小彌散的 Nb(CN)質點在起到沉淀強化作用 的同時,還具有細化晶粒的作用,使鋼材強度和韌性 都得到提高。相關研究表明16:當晶粒細化產生的強 化量大于或等于屈服強度的 40%時,晶粒細化對韌性 的有利作用可抵消其他機制對韌性的不利
32、作用,不會 對材料的韌性產生不利影響,反之,將使鋼材韌性下 降,斷裂傾向增加。在本試驗研究中,韌性的影響關 鍵要看在總的強度中細晶強化和其他強化之間的比 例。降低韌脆轉變溫度有利于改善鋼的塑韌性,韌脆 轉變溫度 Trs 和晶粒尺寸 d 存在如下關系式1718:HRB500 抗震鋼筋,細晶強化為最主要的強韌化機制,其對強度貢獻超過 40% ,強化效果通過控制鋼中Nb(CN)析出相沉淀強化的良好配合來實現。(2) 鐵素體晶粒度達 11.0 級以上,晶粒細化效果 明顯,有利于鋼筋強度提高和塑韌性的改善。(3) 鐵素體基體、晶界及位錯線上形成和分布著 大量粒度為 1020 nm 彌散的 Nb(CN)析
33、出相,起到了 較好的沉淀強化及細化晶粒作用,有利于鋼筋強度提 高和塑韌性的改善。(4) 較強的晶粒細化作用使沖擊轉折溫度下降150 ,鋼筋在獲得較高強度的同時,仍呈現較好的 塑韌性。參考文獻:1王信君. 高強鋼筋的研究及使用現狀J. 四川建筑, 2009,29(3): 219220.WANG Xin-jun. Research and application of high strength reinforced rebarsJ. Sichuan Architecture, 2009, 29(3):219220.王有銘, 李曼云, 韋光. 鋼材的控制軋制和控制冷卻M. 北 京: 冶金工業出版社
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38、為晶界抵抗脆性裂 紋傳播的常數,取值為 11.5 /mm1/2。根據前面分析,試驗鋼的 項主要由固溶強化和 沉淀強化構成,它們在引起強化的同時,使轉折溫度 有所升高,但總的影響不顯著,而由于晶粒細化將使 轉折溫度大幅度下降。由上述試驗結果可知,采用 Nb 微合金化和控軋控冷工藝,形成了大量細小彌散的 Nb(CN)析出相,獲得了細小的鐵素體晶粒組織,細晶 強化量對強度貢獻超過 40%,按式(5)測算晶粒細化使 沖擊轉折溫度下降 150 ,其對強度的貢獻和轉折溫 度的大幅度下降較好地彌補了其他強化機制對韌性的 不利影響,使試驗鋼在獲得較高強度的同時,仍呈現 較好的塑韌性。456結論47(1) 采用
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