第二章400MPaIII級熱軋鋼筋生產技術

第一節熱軋鋼筋及其性能要求

555.熱軋鋼筋是怎么分級的？

鋼筋鋼是指建筑行業鋼筋混凝土結構配筋用的專用鋼材品種，屬于軋制中小型材，表面設計呈

光面、月牙肋或等高肋的螺旋狀花紋。低等級鋼筋屬于碳素鋼類，中高等級鋼筋選用微合金化鋼生

產，目前都采用轉爐或電弧爐冶煉，經連鑄成方坯、熱送或直接軋制成各種類型和不同規格的鋼筋。

鋼筋鋼包括鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋、高強度精軋螺紋鋼筋、熱處理鋼筋、冷拉低碳鋼絲及

預應力混凝土用鋼絲等幾大類。以熱軋帶肋鋼筋為主體，列入了屈服強度235MPa工級鋼筋、屈服

強度335MPaII級鋼筋、屈服強度400MPaIII級鋼筋、屈服強度540MPaW級鋼筋。其中，III級鋼筋

含有屈服強度為400MPa的普通級、440MPa的余熱處理級和440~540MPa的較高質量級三個級別，

見背面表2-2o

表2-2熱軋鋼筋分類

鋼筋直徑屈服強度抗拉強伸長率冷彎性能標準強度設計強度

鋼材牌號表面設計性能應用范圍

型號/mm/MPa度/MPa/%內徑一角度/MPa/MPa

低強，延性極好，可小型構件受力筋，箍

I級

2.5d180cC軋制光面焊易加工，錨固性能筋,聯結件，吊鉤分布

鋼筋Q2358~2023537025235210

差，須加彎鉤筋,構造筋

低強，延性好,可焊，

n易加工，錨固強度

20MnSi5103d18O5普通混凝土結構

普通8-25月牙肋高，劈裂方向性，咬

級33516335310

20MnNb28-404904d180P受力鋼筋

鋼合齒易斷錨固延性

筋差

較高

8-254d+45°~23°同上，強度稍高，延同上，宜用于抗震結構

質量20MnSi335~46051018月牙肋335310

28-4025d+450~23°性好,強屈比1.25中的受力鋼筋

中強，延性好,可焊,

20MnSiV易加工，錨固強度

8~253d90P普通混凝土結構受力

普通20MnTi40057014月牙肋400360高，劈裂方向性，咬

m28-404d90P鋼筋

25MnSi合齒易斷錨固延性

級

差

鋼

筋余熱8~253d90P同上，強度稍高，焊同上，不宜用于疲勞荷

K20MnSi44050014月牙肋400360

處理28-404d90P接后強度降低載構件

20MnSiV8-255d+450~23°同上，強度稍高，延同上，宜用于抗震結構

440-54059014月牙肋400360

20MnTi28-406d+45。~23°性好,強屈比1.25中的受力鋼筋

較高強，延性好，易

W4OSi2MnV加工，錨固強度高,預應力混凝土結構

10-255d9CT等高肋

級普通45SiMnV54083510540400

28-326d90P但咬合齒易斷，后期受力鋼筋

鋼45Si2MnTi

錨固延性差

筋

較高

40Si2MnV10-255d9CP同上，強度稍高，

質量>59088510等高肋540400同上

45SiMnV28-326d90P延性好

556.我國鋼筋標準是怎么演變的？

我國最早制定的《鋼筋混凝土結構用熱軋螺紋鋼筋》（重III一55）沿用A3鋼，品種單一，無等級，

至YB171—63列入16Mn鋼筋，由于強度不足，后調整為20MnSi鋼。至YB171—69,形成了由

屈服強度235MPa的I級鋼筋至屈服強度590MPa的IV級鋼筋，還包括屈服強度：1420MPa的預應

力混凝土用熱處理鋼筋的系列。GB1499—91將III級帶肋鋼筋的屈服強度由370Mpa調至400MPa。

20世紀60年代末至70年代初，是我國鋼筋新品種開發的高峰期，除Si—Mn外，研制了Si一

V、Si—Ti、Si—Nb、Mn—Si—V、Mn—Si—Nb等五個鋼種系列近20個牌號，具有中國特色的是對

硅元素的情有獨鐘，微合金化元素開始應用于鋼筋生產。在以后的三十多年的二段時期內，20MnSi

鋼筋幾乎一統天下，固步不前。

進入改革開放階段，鋼筋生產開始導人微合金化技術，并試生產調質型鋼筋和軋后余熱處理鋼

筋，GB1499—98基本上與國際相接軌。但之后的若干年內生產與應用335MPaII級鋼筋的習慣傾向

十分強烈，400MPaIII級鋼筋的比例僅數十萬噸，示范工程的推廣阻力極大。在將400MPaIII級鋼筋

納入國家標準《混凝土結構設計規范》，并編制相應的設計手冊后，我國鋼筋生產的更新換代跨出了

極其重要的一步，以不同工藝生產（表2-1）,年增長率達85%。

表2-1400MPa熱軋鋼筋不同生產工藝情況

工藝方法牌號使用情況

已在40余家企業生產，產品

微合金化2OMnSiV

已得到市場認可

目前僅有少數鋼廠生產，產品

微合金化20MnSiNb

已得到市場認可

微合金化20MnTi尚沒有企業生產

許多企業可以生產，并出口國

余熱處理2OMnSi

外,但國內市場尚不認可

超細晶粒碳素

Q235目前尚在進一步試驗中

鋼軋制

557.2DMnSi鋼筋合金設計有哪些不足？

20MnSi鋼筋的化學成分規范見表2-3。微合金化III級鋼筋源自20MnSi鋼，但20MnSi鋼筋的

合金設計的不足之處在哪兒呢？

表2-3JOMnSi鋼筋的化學成分規范%

CSiMnPS

0.17-0.250.4~0.81.2~1.6WOO45近0.045

首先是碳，其碳含量較高，對加工性和焊接性有不利的影響，現代合金設計已摒棄增碳作為高

強度的主要手段。

第二是硅，硅在鋼中不形成碳化物，而以固溶體的形式存在于奧氏體或鐵素體中，它的主要作

用如下：

⑴固溶強化，由0.25%增至0.8%使抗拉強度的增量達到25MPa；(2)促進鐵素體的粗化；⑶

促進柱狀晶發展；(4)冷作硬化傾向；(5)降低焊接性。

第三是銃，錦與碳的結合力略強于鐵，一部分形成(Fe,Mn)3C,存在于珠光體內，更主要的是

進入固溶體，起固溶強化作用，每增加0.01%錦大致產生IMPa的強度增量。類似于硅的作用，在

高溫下促進晶粒的粗化，抑制鐵素體形成而促進中溫轉變。

所以，20MnSi的成分并不合理，以其為基礎生產III級鋼筋并不理想，應當改變觀念，將碳、硅、

錦含量往下限調，加人微合金化元素，以晶粒細化和析出強化機制取代固溶的強化方式。

558.我國每年生產多少鋼筋？

建筑業是我國國民經濟重要的基礎產業之一，熱軋帶肋鋼筋又是建筑業使用量最大的鋼材品種。

近十年國家在房地產開發方面的投資逐年增長，占固定資產總投資的比重也逐年增加，2002年房地

產業開發投資達7736億元，比重為17.9%。1998—2002年國內鋼筋的消費量合計為1.5656億3

僅2002年混凝土構件用鋼筋消費即為4560萬3占建筑業當年鋼材總消費的41.68%,占我國同

期鋼材總消費的22.92%,見表2-4。其中400MPa級及400MPa級以上的鋼筋還不到200萬3僅

占鋼筋的總產量的4%,而國外發達國家這個比例為75%,差距甚大。據不完全統計，2003年我國

400MPaIII級鋼筋的產量雖增長很快，但也只有580萬t?

表2-41998~2002年間用于建筑業鋼材用途細分單位:萬t

1998年1999年2000年2001年2002年

全國合計4366.855289.66237.947810.079148.01

一、土木工程建筑業4119.644924.375867.277324.558468.8

房屋3637.524281.855010.276295.027434.66

礦山16.9512.933.4435.1344.87

鐵路公路隧道橋梁286.61408.9568.87658.47660.5

堤壩電站碼頭115.92156.05153.9188.45167.9

其他土木工程62.6564.7100.78148.49160.87

二、線路管道設備安裝業221.68315.49322.95473.09553.48

線路管道安裝業89.84157.76157.08191.21242.55

設備安裝業131.84157.73165.87218.19310.93

三、裝修裝飾業25.5249.7547.7275.13125.73

在未來20年內，國民經濟的持續高速發展，城鎮化的加強，需要鋼鐵業在鋼材數量品種和質量

等各方面的保證，鋼材消費的品種結構會有不少變化，鋼結構的比重將不斷增大，但鋼筋混凝土結

構仍會占有不可替代的主體地位，預測2005年我國鋼材總消費規模約2.8億t,建筑業鋼材需求為

13925萬32010年我國鋼材總消費將達到3.1億t,建筑業用鋼量將增至15640萬t。同期對鋼筋

的總需求為9200萬t和12500萬t,其中400MPaIII鋼筋的比例分別按8%和24%估算，總需求規模

將在800萬t和3000萬t左右。

559.為什么鋼筋要與混凝土相結合使用？

在未來的發展中，鋼結構的比例會有增長，但鋼筋混凝土結構仍是建筑的主體。一方面節能的

余熱處理鋼筋和高強度的熱處理鋼筋會有所進展，但微合金化鋼筋將繼續以主流工藝發展。優先采

用鋼筋混凝土有它的重要原因：

(1)在一定長度內，混凝土與鋼筋間相互發生負荷轉移；

(2)鋼筋必須有高彈性模量，以便使整個結構具備高度剛性；

(3)混凝土與鋼筋間不得有任何有害的物理、化學現象產生；

(4)鋼筋必須具備各種交付形狀和長度，能滿足各種不同建筑結構的要求；

(5)具有寬闊的結合空間，而板材與棒材相比使用性較差，因為后者形式多樣且能在較大范圍內

滿足鋼筋截面計算值的要求；

(6)鋼筋還必須能與建筑物形狀完全相配，因而需具有較大靈活性及較易彎曲；

(7)鋼筋能夠通過搭接或焊接等連接技術形成機械連接件；

(8)鋼筋能承受運輸、倉儲、捆扎及現場存放的惡劣條件而性能沒有較大退化，微小損傷不影響

其性能；

(9)預應力建筑結構須保證在遭受腐蝕時不突然倒塌或斷裂；

(10)鋼筋能夠為建筑物提供足夠的疲勞抗力，而混凝土不能承受動態承載力；

(11)鋼筋能為建筑物提供足夠的延性；

(12)鋼筋能承受剪應力、拉力及壓力；

(13)預應力鋼筋的松弛必須適度；

(14)鋼筋能在較大溫度范圍(一60℃?+80℃)正常使用。如需在極限溫度條件下使用，其性能可

以預測；

(15)鋼筋的質量通常條件下能彌補建筑物的一些微小缺陷。

560.對熱軋鋼筋有哪些基本性能要求？

(1)強度是鋼筋最基本的性能。一般受力鋼筋強度越高，性能就越好，但也有一定限度。由于鋼

材彈性模量基本為一常值(Es^2.0X105MPa),強度過高時高應力引起的大變形(伸長)將影響正常

使用(撓度、裂縫)。故混凝土結構中鋼筋設計強度限為360MPa,太高的強度沒有意義。提高強度主

要靠材質改進(合金化)；也可通過熱處理和冷加工提高強度，但延性損失太大；變形鋼筋的基圓面積

率(扣除間斷橫肋后承載截面積與公稱面積之比)對強度也有一定影響。

(2)延性是鋼筋的變形能力，通常用拉伸試驗測得的伸長率來表達，強屈比也反映了其延性。但

目前通用的伸長率指標(也、bio、Soo)因標距不同，只反映頸縮區域的局部殘余變形，且斷口拼接測

量誤差較大，難以真正反映鋼筋的延性。目前，國際上已開始用最大拉力下的總伸長率(均勻伸長率

占說)來描述鋼筋的延性，是比較科學的指標，見表2-5。影響鋼筋延性的因素是材質，碳當量加大

雖能提高強度，但延性降低。鋼筋冷加工后醞值呈數量級減小(麗由加工前超過20%降到加工后的

2%左右)，而且隨時效仍有發展，面縮率較大時尤具脆性。抗震結構對受力鋼筋有明確的延性要求。

表2-5國外對鋼筋的延性要求分級

指標Rm/Re8gt/%鋼筋類型

中等延性鋼1.052.5冷加工鋼筋

熱軋鋼筋(熱處理、

高延性鋼1.085.0

微合金化鋼筋)

抗震鋼1.15熱軋鋼筋(熱處理、

8.0

/?e.ad//?e.c<1.3微合金化鋼筋)

(3)冷彎性能是為滿足鋼筋加工的要求。在彎折、彎鉤或反復彎曲時，鋼筋應避免裂縫和折斷。

延性好的鋼筋彎弧內徑小，施工適應性強。

(4)焊接性能是鋼筋應用時應考慮的問題。碳當量較高時焊接性能變差，超過0.55%時不可焊。

通過熱處理、冷加工而強化的鋼筋，焊接會引起焊接區鋼筋強度的降低，使用時應予以注意。

(5)錨固性能及錨固延性(大滑移時仍維持錨固)是鋼筋在結構中與混凝土共受力的基礎。光面鋼

筋靠膠結及摩擦，受力性能較差；變形鋼筋以咬合作用持力，與其外形有關，取決于鋼筋的橫肋高

度，肋面積比(橫肋投影面積與表面積之比)以及混凝土咬合齒的形態。

(6)質量的穩定性對受力鋼筋十分重要。規模生產的鋼筋產品一般均質性好，質量穩定。小規模

作坊式生產的冷加工鋼筋一般離散度大，力學性能不穩定，不合格率高。在母材不穩定和缺乏管理

和檢驗的情況下將十分嚴重，往往影響結構的安全可靠性。

561.鋼筋的使用性能有哪些？

(1)疲勞強度。顯示較低載荷反復作用下的疲勞強度是鋼筋研發階段和制訂設計規范前必須考核

并做出評價的性能之一，影響疲勞強度的主要因素有應力集中、組織不均勻性以及環境條件，表面

平滑的鋼筋抗疲勞性能較好，表面形狀變化較大的鋼筋易在形狀突變處應力集中而誘發疲勞破壞。

(2)應力松弛性能。鋼筋在長時受力下應力松弛的現象，將增大結構變形、降低結構耐久性，本

質上是由于鋼材內部位錯的消散和間隙原子的脫溶引起的。

(3)低溫性能。隨著環境溫度下降，鋼筋的拉伸性能、沖擊韌性的變化，尤其是對焊接的適應性

及焊接接頭性能的變壞，將嚴重影響鋼筋混凝土結構的穩定性和耐久性。

(4)耐蝕性。因混凝土摻水而引起鋼筋的銹蝕，最終導致結構的損毀。對于特殊環境下的結構，

如碼頭、橋墩、海底建筑等，設計部門的主導意見是對鋼筋進行鍍鋅處理，或采用不銹鋼鋼筋，設

計壽命則由30年延至100年。

(5)耐久性。耐久性影響結構的工作壽命，直徑較細的鋼筋對銹蝕比較敏感。影響銹蝕的主要因

素是環境、混凝土保護層和鋼筋表面狀態(是否有防護層)。港工、水工、化工、市政工程對耐久性有

較高要求。

(6)交貨狀態。交貨狀態對施工影響很大。直徑12mm及以上的鋼筋以直條交貨，在結構配筋中

形成許多接頭。細鋼筋一般以盤條交貨，減少了接頭，但使用前須增加調直工序，對強度有一定影

響。

鋼筋性能與應用要求的相關性見表2-6?

表2-6鋼筋性能與應用要求的相關性

應用要求鋼筋應具備的性能

鋼筋的市場競爭力屈服強度盡量高

結構分析：

線性彈性及動量分布高屈服強度

高屈服強度及高延性

塑性方式高屈服強度及高延性

非線性

足夠高的屈服強度及最大延性

抗震設計

高屈服強度及疲勞抗力

疲勞

維護性能滿足裂紋控制要求及能夠接

結構的耐久性受的變形抗腐蝕

鋼筋的處理彎曲性，再彎能力,焊接性

562.建筑市場對鋼筋需求有哪些變化？

(1)目前，我國正經歷計劃經濟到市場經濟的過渡期，經濟環境已由物資匱乏轉向市場調控。建

筑鋼材供應已由長期緊缺到已形成積壓，供需矛盾已由對數量的要求轉向對高質量的期望。

(2)由于經濟發展和國力增強，建筑結構的安全度將逐步提高，鋼筋消耗量將有較大增長。建筑

費用中結構造價尤其是鋼筋材料所占比例已經很小，因此為適當提高安全度而增加配筋將不會引起

造價的較大波動，近期修訂的荷載規范和設計規范試行的結果,鋼筋用量已較過去有較明顯的增長。

(3)對鋼筋性能的要求已由單純追求強度到考慮綜合性能，特別是對延性的要求。工程事故和震

害調查表明，結構安全隱患往往并非強度不足而多為變形能力差(脆性)。止匕外，塑性內力重分布、極

限設計等也對鋼筋的延性提出了更高的要求。因此，延性已成為鋼筋的主要性能，其重要性并不亞

于強度，而且更甚。

(4)均勻伸長率和強屈比已成為衡量鋼筋延性的重要指標。若干國際標準中鋼筋不僅有強度等級，

已明確提出按均勻伸長率和延性分級要求。對受力鋼筋的最低要求是而22%?2.5%,高延性鋼

筋則要求通'5%?6%。在我國均勻伸長率的簡易測定方法已經列入有關的鋼筋標準中，新修訂的

設計規范也明確提出抗震結構中鋼筋實測強屈比不小于1.30的延性要求，隨著技術發展，今后對

鋼筋延性的要求將更為明確。

(5)由于結構體型加大，荷載增加，混凝土強度普遍提高，要求受力鋼筋具有更高的強度。目前，

我國主導鋼筋仍為低強的I、II級(235MPa、335MPa)鋼筋，往往造成了構造不便和施工困難。先進

工業國家已普遍采用400MPa級鋼筋；500MPa級鋼筋的應用也已開始，新修訂的混凝土結構設計規

范將400MPa的III級鋼筋作為主導受力鋼筋，引導設計者采用強度較高的鋼筋。

(6)大型土木工程(水壩、橋墩、海洋平臺等)對直徑大于40mm的粗鋼筋提出需求。而住宅產業

成為建筑市場的主體以后，墻、板配筋及分布筋、構造筋的需求將會大幅度增長。因此，直徑12rmn

以下的細鋼筋的市場將明顯擴大。

(7)隨著建筑業工廠化程度的提高，對鋼筋制成品(網片、骨架)的需求將增加。這一方面可減少

現場工作量，加快施工速度；另一方面，工廠化的產品質量可靠。路面、樓蓋、墻板配筋以及結構

表面的抗裂鋼筋都為鋼筋網片的廣泛應用提供了市場。

(8)與鋼筋配套的鋼筋機械連接技術(各種型式的機械連接接頭)，以及用于惡劣環境條件下的鋼

筋防腐處理技術(環氧樹脂涂層、涂鋅等)，已開始應用并有較大的市場前景。

563.各國對熱軋鋼筋有什么不同要求？

對高強度鋼筋的需求是出于設計方面的考慮。更高強度等級需求的主要目的是高強度鋼筋的使

用可減少建筑成本，鋼重量的減輕可節約成本。用鋼量的減少不應被煉鋼成本的上升所抵消。因為

在某種程度上，鋼的價格是建立在成本之上的，所以應該仔細分析制造成本來確定制造這些新的高

強度規格鋼筋的最節約有效的方法。

表2-7是幾個國家的鋼筋規格標準。除高強度要求以外，許多建筑規范要求鋼筋可焊接?？珊?/p>

接鋼筋的特點是限制碳含量，通常在0.25%或更低。同時，對碳當量也有限制，碳當量影響可焊

接性，碳當量的計算是以碳含量(％)加上某一比例的其他影響可焊接性元素的系數的公式確定的(表

2-8)。對碳和碳當量的限制使達到高強度更加困難，因為大多數這些元素，尤其是碳可使鋼的強度增

加。這種限制迫使生產商改用其他強化工藝來獲得高強度。

強化工藝包括冷加工、熱處理和微合金化。冷加工和熱處理需在現有鋼筋生產設備的基礎上添

加新設備。如使用現有設備，微合金化是生產高強度鋼筋的最合理的選擇。

564.我國混凝土結構設計新規范中有什么主要變化？

(1)鋼筋的強度標準值應具有不小于95%的保證率。

熱軋鋼筋的強度標準值系根據屈服強度確定，用觸表示。

普通鋼筋的強度標準值應按表2-9采用。

(2)普通鋼筋的抗拉強度設計值今及抗壓強度設計值應按表2-10采用；

(3)鋼筋彈性模量Es應按表2-11采用。

(4)以應力幅值計鋼筋疲勞強度以設計值或溫應分別按表2-12采用。

表2-7鋼筋標準的力學性能要求

最低屈服最低拉伸強屈比

國家標準鋼種伸長率/%

強度/MPa強度/MPaTS/YS

HRB3353354901.25?16

中國GB1499-1998HRB4004005701.25014

HRB5005006301.25012

Gr25025022

英國BS4449-1988

Gi46046012

BSt4204205001.0510

德國DIN488SBSt500S5005501.0510

BSt500M5005501.058

11J2?

ASTM615Gi42300500

G1604206207,8.90

美國

Gr755207906、70

ASTM706Gi€04205501.2510、14②

①補充要求;②最小伸長率隨直徑大小而改變。

表2-8鋼筋標準的化學成分要求%

國家標準鋼種CSiMnPSN

HRB3350.250.801.600.0450.0450.52?

中國GB149^—1998HRB4000.250.801.600.0450.0450.54?

HRB5000.250.801.600.0450.0450.55?

Gr2500.250.0600.0600.012?0.42?

英國BS4449—1988

GH600.250.0500.0500.01200.51?

BSt420s0.220.0500.0500.012?

德國DIN488BSt500S0.220.0500.0500.012?

BSt500M0.150.0500.0500.012②

Gi42報告報告0.060報告

ASTM615Gf60報告報告0.060報告

美國

Gr75報告報告0.060報告

ASTM706Gr600.300.51.50.0350.0450.55?

①如果最小鋁含量是0.020%或足夠的吸附氟的元素存在?策的最大值不適用。

②)此值是就全部氯含量而言。如有足夠的氯固定元素存在,則允許更大值。

③J=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15o

④J=C+Mn/6+Cu/40+Ni/20+Cr/10-Mo/50-V/10o

表2-9￥通鋼筋強度標準值N/mn?

種類符號d/mmA

HPB235(Q235)6-50235

熱軋HRB335(20MnSi)96~50335

鋼筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnR)6-50

400

RRB4OO(2OMnSi)8-40

表2-10普通鋼筋強度設計值N/mra2

種類符號/r

HPB235(Q235)210

熱軋HRB335(20MnSi)(p300

鋼筋HRB400(20MnSiV,20MnSiNbs20MnTi)

360

RRB4OO(2OMnSi)

注：1.在鋼筋混凝土結構中，軸心受拉和小偏心受拉的鋼筋抗拉強度設計值大于SOON/mm2時,仍應按SOON/mm2取用;

2.構件中配有不同種類的鋼筋時，每種鋼筋根據其受力情況應采用各自的強度設計值。

表2-U鋼筋彈性模?N/mm2

種類E.

HPB235級鋼筋2.1x105

HRB335級鋼筋、HRB400級鋼筋、RRB400級鋼筋、熱處理鋼筋2.Ox105

消除應力鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲2.05x105

鋼絞線1.95x105

注:必要時鋼絞線可采用實測的彈性模量。

表2-12鋼筋混凝土結構中鋼筋疲勞強度設計值N/nnd

疲勞應力比值

HPB235級鋼筋HRB335級鋼筋HRB400級鋼筋

-1.0wPf<-0.4160

-0.4<Pf<0150

OwNvO.l145165165

0.1^Pf<0.2140155155

注:1.當縱向受拉鋼筋采用閃光接觸弧對X接頭時，其接頭處鋼筋疲勞強度設計值應按表中數值乘以系數0.8;

2.RRB100級鋼筋須經試驗后，方可用于需做疲勞試驗的構件。

第二節鋼筋的微合金化及強韌化機制

565.鋼筋生產為什么要實行微合金化？

用鋁來細化鋼的晶粒，從而改善鋼的強韌性，已有半個世紀歷史。從廣泛意義上講，微合金元

素有七八種，但是，研究得最多，用得最廣的是鈦、機和鋁。硼參與復合合金化在個別高強度鋼中

應用。磷能影響織構演變，因而用于沖壓鋼板。錯、鈦能改變硫化物形態，但目前已有更經濟有效

的夾雜物形態控制手段，因此未獲實際應用。至于鈣和稀土元素，由于在最終產品中對它們的含量

沒有明確的規定，因此一般不認為是合金元素。

微合金元素與鋼中碳、氫、氧及硫形成多種化合物，從而對性能產生多種影響。鈦是最活潑的

微合金元素，與氧、硫、碳、氮有很強的親和力，但是能夠生成碳、氮化物并有析出強化作用的只

有鈦、鋼、鋁。微合金元素能夠影響主要顯微組織的參數是：

（1）晶粒尺寸，晶粒形狀；（2）各種尺寸的析出物；（3）基體組織（鐵素體、貝氏體、馬氏體）；（4）位

錯密度。

566.銅資源能否長期穩定供應？

以往的20年中，世界范圍內鋁的開發及應用充滿了活力，主要的鋁資源在巴西和加拿大，以巖

礦和沉淀礦兩種分布形式的燒綠石礦為主。巴西鋁資源以Nb205計算的品位在1.57%。3.0%,

總儲量達14億t；加拿大礦品位在0.67%?1.34%,儲量為2200萬t。鋁產品包括標準鋁鐵、氧

化銀、Ni—Nb合金、真空級鋁鐵及錫金屬。在非洲赤道地區、俄羅斯的西伯利亞凍土地帶也存在大

量的鋁沉淀礦脈。發現含鋰新礦區還有烏干達、尼日利亞、挪威、格陵蘭，此外在澳大利亞西部留

花崗巖礦山中也有少量的銀副產品。我國也有銅一稀土混生礦，主要集中于內蒙古的白云鄂博地區，

總儲量雖可觀，但品位僅0.07%,在采選技術難度和生產成本上無法在國際市場上競爭。

世界銅資源的生產和供應有三大特點：

（1）資源集中，僅巴西CBMM的儲量足夠全世界消費400年以上；

（2）世界目前銀產品（折合成Nb205）年產量穩定在3.5萬3隨時可以擴大產能，價格穩定；

（3）工業發達國家以粗鋼總產量平均銀的消費強度在40?80g/3世界平均為20?30g/t。

我國鋁的應用在近二十年大為擴大，尤其是在微合金化技術的成功開發和應用后，20世紀90

年代末需求更為強勁。進口CBMM（巴西礦冶公司）銀鐵的數量逐年增長，至2003年底年進口量已達

3600余3消費強度為12g/t。

567.銅在鋼中的應用狀況如何？

鋁資源主要消費領域是鋼鐵工業，微合金化的HSIA鋼生產成為最重要的應用領域。微合金化

鋼生產占世界粗鋼產量的10%,約8000萬t,消費了幾乎是80%的世界銅產品。

含銀微合金化鋼最大的消費市場是汽車制造業，廣泛地用于熱軋和冷軋薄板，以及屈服強度高

于400MPa的中厚鋼板中，典型化學成分為0.06%C、0.5%?1.5%Mn、0.03%?0.06%Nb,

更高強度的鋼中需再添加鋼，在冷軋鋼中需加人0.015%?0.04%Ti和0.05%?0.12%P。鋼中

加入胃在于細化晶粒和補充析出強化，鈦的加入作為氮的吸附劑，又可使鐵素體中NbC析出能力加

強。為了使汽車鋼板具有更優的深沖性，通過真空脫氧生產出碳、氮含量0.001%-0.003%的以

Nb—Ti微合金化的III鋼。

從20世紀60年代起，油氣輸送管線用鋼的80%以上采用含鋁鋼，高等級的X70一X80管線

鋼要么采取Nb—V復合，要么含鋰量達到0.10%以上。鋁應用量處于第三、第四位的是造船板

和橋梁板的生產，第五位是建筑鋼結構用中厚板、H型鋼和400MPaIII級以上的鋼筋生產。

鋁還廣泛用于鍛造和冷鍛用棒線材生產，在鑄鋼件中鋁的應用在于顯著改善鑄件的疲勞失效問

題，也提高高溫強度和使用壽命。近年來，銀在不銹鋼生產中的應用日見普遍，如汽車排氣管的鐵

素體不銹鋼，烘干機、冰箱、醫療設備用的抗菌不銹鋼等。

568.銅的未來消費在哪些方面？

雖然胃的發現已有200年的歷史，但它作為工業材料使用才只是近40年的事情。銀因為本身特

有的技術性能，幫助人類解決了大量工程技術難題。包括油氣管線、汽車工業、高層建筑、飛機發

動機和醫療設備。隨著鋁的特性的開發，今后它的應用領域將不斷開拓。由于鋁在管線、汽車和結

構鋼三大主要微合金化鋼中的地位沒有受到其他材料的挑戰，將來銅的大部分還將用在鋼鐵業。

另外可以預料，未來在所有熱機械處理的高強度結構鋼中，死將是首選的微合金化元素。在鋼

鐵以外的領域里，死將主要用于高附加值產品。如在汽車、飛機發動機、汽輪發電機用鎂基高溫合

金及各種耐磨、耐蝕性能的材料。由于經濟、技術條件的變化，鋁還可能在電子工業、醫學、光電

材料和化工等領域的應用取得更大的發展。

569.為什么銅是一種很好的微合金化元素？

鋁處在元素周期表中4、5、6周期的III?VI族，其中鋁與其他元素的區別在于：

（1）與碳、氮的高親和力；（2）在奧氏體中充分溶解；（3）在奧氏體和鐵素體中的析出能力；（4）在鐵

素體中的沉淀強化；（5）與氧無不利作用。

鋁本身特點決定了它比其他元素更適合作為微合金化元素，特別是在晶粒細化、延遲再結晶、

析出強化及凈化基體方面。死的作用是如此巨大，以至于1/10000的濃度就能達到性能的預期改善。

銀作為微合金化元素在鋼的物理冶金、鋼材新品種以及應用技術方面取得了重大進展。在這里

要強調的是，由于微合金化與控制軋制相結合，生產了優質的管線用鋼。此后由于微合金化技術進

步和更大的市場份額，所以控軋一控冷幾乎全面代替了傳統的正火等熱處理。

570.銅是如何調節奧氏體的？

在20世紀80年代前，控制軋制技術還不完善，工藝十分復雜和混亂，而微合金化的作用也隨

控軋制度不同而難以捉摸。20世紀90年代中期提出了奧氏體調節的概念，切中了要害，粗軋階段

的熱變形初期，有奧氏體再結晶，也有銅的析出問題，又都是為精軋階段做鋪墊、做準備，精軋階

段變形最終目的是得到適宜尺寸的奧氏體晶粒。奧氏體調節的第二層含義是為獲得Y/a相變后細小

鐵素體晶粒尺寸，需要高的鐵素體形核速率和低的晶粒長大及粗化速率。為此，才從理論上解析非

丫一再結晶區變形的重要意義，從而也歸結出了高溫再結晶控軋（RCR）和低溫傳統控軋（CCR）兩類控

軋工藝，如圖2-1所示。前一類必須使均熱溫度與T95之間窗口增大，后一類則需要使T5與終軋溫

度之間區間擴大，含鋁鋼十分有利于CCR控軋。

圖2-1不同的變形條件下產生

的奧氏體組織示意圖

571.經高溫冷卻后銅先形成碳化物還是氮化物？

含銀微合金化鋼坯在高溫均熱下冷卻，在鋼中先形成碳化物還是先形成氮化物，取決于固溶度

積的規律[Nb%][C%]和[Nb%][N%],也取決于鋼中的碳和氮的含量，在900℃、1100℃和1300℃三

種加熱溫度情況下，存在NbN—NbC的平衡溶解度線。在隨后冷卻過程中，當時，優先形成

NbC；當時，則具有先析NbN的傾向。先析NbN或NbC之后，基體鋼趨向于碳、氮的對等

固溶。對于含碳量較低的電爐鋼，主導析出強化的是WoN,也是導致拉伸應力/應變曲線呈連續屈

服特征的重要原因之一。較高碳含量的熱軋鋼筋具有明顯的屈服平臺，析出強化相對要弱于NbN。

572.銅溶質原子如何拖曳和阻止晶粒粗化？

在奧氏體中的銀，要么為溶質(間隙原子)，要么形成析出物，二者具有不同的作用。奧氏體中要

發生析出，必須有足夠大的過飽和度和足夠長的道次間隙時間，所以說中板和非連續大型材軋制條

件下，Nb(C,N)在奧氏體中大范圍的靜態析出是十分理想的，而在快速加工的板帶連軋和棒線材連

軋的條件下，道次間隙時間短，變形升溫高，不利于析出，這種情況下鋸將大量保持固溶狀態。

奧氏體中固溶和析出鋁有兩種重要機制，即質點釘扎和溶質原子的拖曳，奧氏體再結晶依靠晶

界運動的粗化傾向，可以被降低和消除掉。從圖2-2可見，質點阻止晶粒長大的效果，存在著質點

大小與體積分數的配合，這就是為什么阻止粗化依靠的是溶質原子，其拖曳力大于再結晶的驅動力。

銀的析出物阻止粗化作用較小。

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圖2-2質點阻止晶粒長大的效果

573.銅是如何影響奧氏體轉變的？

鋸的自身作用在于使鋼獲得更低的相變溫度和低溫轉變產物，提高鋁的加人量，尤其在低碳含

量和高的均熱溫度下，還有在加速冷卻的條件下，上述的效果就更加突出，見圖2-3和圖2-4。

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