氮含量对500MPa级V-N微合金化高强钢筋性能的影响

通过生产试验研究了氮含量对500MPa级V-N微合金化高强钢筋力学性能的影响，研究结果表明，氮含量由81PPM增加至269PPM，钢筋晶粒尺寸无明显变化，钢筋屈服强度由526MPa增加至607MPa，屈服强度增加了15.4%；抗拉强度由678MPa增加至738MPa，抗拉强度增加了8.8%；强屈比由1.29降低至1.22。氮在V-N微合金化高强钢筋中的强化作用主要为沉淀强化，沉淀强化是造成V-N钢筋强屈比下降的主要原因。

1引言

2012年1月，住建部、工信部联合发文，提出加快应用高强钢筋的指导意见：2015年底，高强钢筋的产量占螺纹钢筋总产量的80%，对大型高层建筑和大跨度公共建筑，优先采用500MPa级螺纹钢筋。随着我国经济建设的需要，建筑结构对500MPa级高强钢筋的需求越来越大。由于钢筋这类长型材产品生产速度快，轧制温度高，终轧温度通常在1000℃以上，其工艺特点决定了钢筋的合金设计适宜采用钒微合金化技术[1]，增氮是实现钒微合金化钢筋强化的主要手段，有利于减少钒的用量，节约钒资源[2-4]。V-N微合金化技术作为目前国内外发展高强度可焊接钢筋的主流生产工艺技术已经得到广泛应用。大量研究表明[1-9]，V-N微合金化技术主要靠增氮促使钒以碳化钒、氮化钒或碳氮化钒等形式析出，形成细小弥散的第二相粒子产生强烈的沉淀强化作用来提高钢的强度。但过度增氮会造成钢筋产生其他性能上的缺陷，尤其对钢筋抗震性能指标强屈比的影响较大，本文通过生产试验研究了氮含量对500MPa级V-N微合金化钢筋力学性能的影响，重点分析了氮在V-N微合金化钢筋中的强化机理以及氮对V-N微合金化钢筋强度、强屈比的影响规律，为V-N微合金化高强抗震钢筋的开发

与生产提供依据。

2试验材料与方法

为了开发性能稳定的500MPa级高强钢筋，集团公司炼钢厂先后冶炼了三种不同氮含量的V-N微合金化钢，采用相同的螺纹钢生产工艺（轧后自然冷却）试验生产500MPa级钢筋，将三种钢分别命名为1#、2#、3#，其主要化学成分见表1。

精炼三种氮含量不同的钢连铸成规格150mm×150mm×6000mm方坯，送集团公司棒材厂轧制成规格为Φ25mm钢筋，对1#、2#、3#的钢筋试样进行拉伸试验，分别测试三种钢的屈服强度、抗拉强度，计算1#、2#、3#钢筋的强屈比，并观察三者的金相组织。

根据1#、2#、3#钢筋的拉伸试验结果绘制成图1所示的曲线。图1曲线表明，随着氮含量增加，钢筋的屈服强度、抗拉强度依次增加。1#钢筋的屈服强度为526MPa，抗拉强度为678MPa；2#钢筋的屈服强度为553MPa，抗拉强度为698MPa；3#钢筋的屈服强度为607MPa，抗拉强度为738MPa。氮含量由81PPM增加到269PPM，钢筋屈服强度由526MPa增加到607MPa，增幅为81MPa，屈服强度增加比例为15.4%；同时，抗拉强度由678MPa增加到738MPa，增幅为60MPa，抗拉强度增加比例为8.8%。

根据1#、2#、3#钢筋的屈服强度和抗拉强度值，分别计算三者的强屈比，并绘制成图2所示的曲线。图2曲线表明，随着氮含量的增加，钢筋的强屈比依次降低。其中1#、2#、3#钢筋强屈比依次为1.29、1.26、1.22。

3.2氮含量对钢筋晶粒尺寸的影响

图3为1#、2#、3#钢筋的金相显微组织，三者的金相显微组织情况详细信息见表2。表2列出了1#、2#、3#钢筋的相组成物及组织晶粒尺寸情况，三种钢组织均为铁素体+珠光体，1#钢筋铁素体晶粒度约为9-9.5级，2#钢筋铁素体晶粒度约为9.5级，3#钢筋铁素体晶粒度约为9-9.5级。表2的数据表明，随着氮含量的增加，钢筋的组织晶粒尺寸无明显变化，或者说增氮对V-N微合金化钢筋组织无明显细化作用。

4分析与讨论

4.1氮在500MPa级V-N微合金化钢筋中的强化机理分析

本文的试验结果显示，500MPa级V-N微合金化钢筋中氮含量由81PPM增加到269PPM，钢筋的组织晶粒度均在9-9.5级左右，即增氮对V-N微合金化钢筋的组织无明显细化作用，但同时钢筋的屈服强度和抗拉强度均有不同程度的增加，其中屈服强度增幅为81MPa，抗拉强度增幅为60MPa。目前钢铁材料的主要强化理论有固溶强化、细晶强化、相变强化、第二相强化等，显然，本文的试验结果很明显地排除了细晶强化的作用，而固溶强化、相变强化等强化效应对于本文试验的三种钢而言基本相同，唯独第二相强化作用除外，大量理论研究及实践表明，氮在含钒的微合金钢中被钒所固定，形成氮化钒或者碳氮化钒等第二相粒子产物，第二相粒子在钢中通过与滑移位错的交互作用机制大幅度提高钢的强度，即沉淀强化效应。

相关研究表明，增氮有利于钒的沉淀析出。也就是说氮促进了钒的析出，增大了第二相粒子的体积分数。而一致的研究结果均表明钢的强度与第二相粒子的体积分数的二分之一次方成正比，因此，在钒含量比较充足的情况下，V-N微合金化钢中增氮，其实是增加了钢中第二相粒子（氮化钒、碳氮化钒）的体积分数，从而使得沉淀强化的效果更强。本文的试验结果表明，随着氮含量的增加，500MPa级V-N钢筋的屈服强度和抗拉强度均依次增加，显然，本文的试验结果与相关理论研究结果是相吻合的。

4.2氮对500MPa级V-N微合金化钢筋强屈比的影响分析

本文的试验结果表明，随着氮含量的增加，V-N微合金化钢筋的屈服强度与抗拉强度并不是同比例增加的，其中屈服强度增加比例为15.4%，抗拉强度增加比例为8.8%，正是由于屈服强度比抗拉强度增加的幅度要大，所以才出现钢筋强屈比下降的现象。

钢铁材料的屈服强度和抗拉强度的微观控制机制存在明显的不同，屈服主要是由材料中位错的大规模滑移所控制的，而断裂主要由材料中的微裂纹萌生和扩展所控制的。因此，研究材料的屈服主要考虑材料中的位错行为，而研究材料的断裂则主要考虑材料中微裂纹的行为。钢铁材料的屈服强度表示的是材料中位错源开动且大量可动位错发生滑移从而使材料产生屈服现象或产生一定塑性变形时的强度。第二相粒子的沉淀强化的机制即是第二相粒子与滑移位错的交互作用机制，这种交互作用机制分为切过机制和Orowan机制，不论是切过机制还是Orowan机制，第二相粒子的析出均会阻碍位错的滑移，从而大幅度提高钢的屈服强度。对钢铁材料的抗拉强度而言，主要与钢中微裂纹的形成和扩展有关，而微裂纹的形成过程中涉及到微区位错运动的受阻，位错运动受阻必然会阻碍微裂纹的形成和扩展，从而在一定程度上提高了钢的抗拉强度。因此，钢的屈服强度提高的同时，其抗拉强度也在一定程度上得到提高。文献[10]

指出，当第二相尺寸很小时，沉淀强化提高钢的屈服强度的作用比提高钢的抗拉强度的作用效果更大一些，本文的试验结果显示，沉淀强化对屈服强度的贡献值为81MPa，对抗拉强度的贡献值为60MPa，本文的研究结果证明了沉淀强化作用对屈服强度的贡献大于对抗拉强度的贡献。另外，即使同等程度地提高钢的屈服强度和抗拉强度，也会导致钢的强屈比降低。总而言之，第二相粒子的沉淀强化作用最终会降低钢的强屈比。因此，随着氮含量的增加，V-N钢筋的沉淀强化作用越强，钢筋的强屈比越低。

5研究结果对开发500MPa级抗震钢筋的启示

本文的试验结果中，500MPa级V-N微合金化钢筋中氮含量依次为81PPM、136PPM、269PPM，其对应的钢筋强屈比依次为1.29、1.26、1.22，即V-N微合金化钢筋的强屈比随着氮含量的增加而降低，前面已经做出了详细的原因分析。目前，高强抗震钢筋的抗震性能的主要指标强屈比要求不小于1.25，因此，从本文的研究结果来看，对于开发500MPa级V-N微合金化高强抗震钢筋而言，为了确保抗震性能主要指标强屈比合格，在化学成分上应该严格控制氮含量，氮含量控制在130PPM以内是比较合适的。

6结论

1）随着氮含量的增加，V-N微合金化高强钢筋的组织晶粒尺寸变化不明显。

2）V-N微合金化高强钢筋的屈服强度、抗拉强度均随着氮含量的增加而增加，但强屈比随着氮含量的增加而降低。

3）氮在V-N微合金化高强钢筋中的强化作用主要为沉淀强化，沉淀强化是造成V-N钢筋强屈比下降的主要原因。

4）对于开发500MPa级V-N微合金化高强抗震钢筋而言，钢中氮含量应控制在130PPM以内。