HRB400E螺纹钢中钒的强化作用研究

HRB400E螺纹钢中钒的强化作用研究

奚建军

陕西龙门钢铁有限责任公司轧钢厂陕西韩城715405

摘要：本文通过对不同钒含量螺纹钢的性能进行研究，发现钒在细化晶粒方面效果较好。由各种强化机制对屈服强度的贡献计算结果不难发现钒能够加强析出强化的作用。文章对HRB400E螺纹钢中钒的析出情况进行热力学计算，并分析了不同钒含量对析出温度的影响。

关键词：HRB400E螺纹钢;钒化物析出;热力学计算

目前，HRB400E钢筋的开发主要采用钒微合金化技术，铌微合金化和铌钒复合微合金化技术也得到应用，但是铌铁和钒铁的价格长期居高不下，造成生产成本的显著增加。Cr能够显著提高钢材强度，并且具有明显的价格优势。在目前严峻的形势下，冶金企业采用低成本的合金添加元素生产三级钢筋具有重要意义。

一、慨况

随着经济的发展，对建筑用钢筋性能的要求越来越高，使钢筋朝着高强度、抗震、耐腐蚀、耐低温等多元化方向发展。在十二五发展规划中明确提出要“适应减量化用钢趋势，升级热轧螺纹钢标准，重点发展400兆帕及以上高强度螺纹钢筋”。目前，高强度可焊接热轧钢筋主要采用的是微合金化技术，而钒微合金化技术由于具有众多优势而成为发展高强度钢筋的主要技术路线。由于钒等贵重金属含量的增加，将会导致钢筋成本明显提高，无论是从节约资源还是从企业降本增效角度考虑都是不利的，而通过工艺方法高钢筋性能则有利于实现降本增效和节约资源。用屈服强度400MPa级的三级钢筋替代屈服强度335MPa级的20MnSi二级钢筋，不仅可以保证工程结构的正常使用和安全，而且可以显著节约钢筋用量，产生巨大的经济效益和社会效益。目前，HRB400E钢筋的开发主要采用钒微合金化技术，铌微合金化和铌钒复合微合金化技术也得到了应用，但铌铁和钒铁的价格长期居高不下，造成生产成本的显著增加，这也是国内三级钢筋难以普遍推广的重要原因．铬是一种重要的合金元素，与钒铁相比，铬铁的价格便宜得多，并且也有显著提高强度的作用。因此，在低成本的钢筋中添加合金元素，生产三级钢筋具有重要的意义。

二、实验方法

工艺路线为:高炉铁水—铁水预处理—150t转炉吹炼—加合金出钢—小方坯连铸—加热炉加热—轧制—穿水—成品螺纹钢。表1为相同工艺条件下HRB400E螺纹钢的成分。为了研究V元素对螺纹钢强化作用的影响，选取三种不同V含量的钢作为研究条件．1#、2#、3#试样V含量分别为0.020%、0.032%、0.042%．

表1HRB400E级螺纹钢成分(质量分数)

同一成分选取3根螺纹钢筋作为拉伸实验试样，试样直径为20mm，长600mm，共计9根．拉伸实验前制备金相试样，统计每组晶粒尺寸，并对每组拉伸实验数据取平均值，研究V对晶粒尺寸及屈服强度的影响．

三、结果与分析

1.晶粒度分析。将拉伸前的钢棒试样截取一段，经过粗磨、精磨、抛光等工序制备成合格的金相样品．用1%硝酸酒精溶液轻轻擦拭抛光面，显现出清晰的晶界后放到显微镜下观察．本研究采用直线截点法测定平均晶粒度，即在某一随机视场中选取一条直线，通过计数该直线与晶粒边界相交截点数P来测定晶粒度．公式(1)为晶粒度的表示方法．

（1）

式中:为试样检测面晶粒截距平均值;L为所使用的测量线段长度，mm;M为放大倍数;P为测量网格的截点数．平均晶粒度级别G由公式(2)计算得出。

G=6.643856lgI－3.288．(2)

为了保证统计的准确性，每个位置选择3～5个视场取平均值．对试样中心、1/4处及边缘处晶粒尺寸进行测量取平均值作为试样最终晶粒尺寸。通过对不同位置试样晶粒度统计分析发现试样晶粒尺寸从中心到边缘处逐渐减小，并且随着V含量增加，试样晶粒度明显增加．这说明，V的添加有助于细化晶粒，提高螺纹钢筋的力学性能．

2.析出强化分析。表2为不同V含量试样拉伸结果。

表2力学性能检测结果

从表2中可以看出，屈服强度随V含量增加而增加．但钢的屈服强度是由公式(3)中各种强化机制所决定的。

（3）

式中:σP为析出强度;σy为屈服强度;σo为初始强度;σs为固溶强度;σg为细晶强度．在HＲB400螺纹钢中初始强度σo一般取45MPa，固溶强度σs与钢中各种合金元素的含量有关，可以由经验公式(4)计算得出:

（4）

而细晶强度σg与晶粒度有关，在本研究中晶粒度为6.7～7.3之间，根据式(5)计算可以得出细晶强化的贡献．

（5）

分别提升了34和39MPa，可见V元素在钢中析出强化对屈服强度的作用效果很显著．

3.热力学计算。对不同V含量螺纹钢进行了相关热力学计算．热力学计算的体系为V--C--N，以规则溶液亚点阵模型为基础，计算热力学平衡时的热力学参数，进而分析析出行为．在热力学计算中，由于元素V、C和N含量很小，故假设金属组元V和间隙组元(C、N)在奥氏体中形成稀溶液．假设复合碳氮化物符合理想化学配比，即在碳氮化物中金属原子的总数等于C和N原子的总数，忽略间隙和金属空位．这样，复合碳氮化物的化学式可写为V(CxN1－x)，其中，x为C在亚点阵中的物质的量分数，C、N物质的量分数的和为1．另外，从晶体学的角度考虑，碳氮化物与二元碳化物和氮化物具有相同的NaCl结构。因此，1mol碳氮化物V(CxN1－x)可看作是二元碳化物和氮化物的混合:xmolVC，(1－x)molVN．碳氮化物V(CxN1－x)平衡方程组:

（6）

（7）

（8）

式中:LM1M2为处于同一个亚点阵中的M1，M2原子之间的相互作用能，取－4260J/mol;KVC、KVN分别为V的碳化物、氮化物的溶度积;［Vs］、［Cs］、［Ns］表示钢中的溶质元素的物质的量分数;T为热力学温度，K;Ｒ为气体常数。由质量守恒可得:

式中，f为析出物的物质的量分数;［V0］、［C0］、［N0］为钢中的溶质元素的初始物质的量分数．6个方程(6)～(11)构成了V--Ti微合金钢中析出物的双亚点阵模型．将V--Ti微合金钢的成分代入双亚点阵模型，利用高斯--赛德尔迭代法对方程求解．而在求解方程之前，必须知道碳氮化物的溶度积:

式中，(Fe)、(V)、(C)、(N)代表Fe、V、C、N元素的相对原子质量。分别分析不同V、N含量下V--C--N的析出物热力学情况．通过热力平衡方程组可以得出一定温度下析出物的含量、亚点阵中不同元素原子分配比随钢中初始微合金元素及碳氮含量变化而改变．对所联立的析出物热力学平衡方程求解，分别计算出三组不同成分时随着温度变化的x、物质的量分数f及V、C、N在奥氏体中的质量分数，通过对不同钒含量螺纹钢析出热力学计算结果发现，碳含量对钒析出物含量有一定影响，钒的析出物一般在900℃以下开始析出．试样不同位置晶粒度统计分析发现试样晶粒尺寸从中心到边缘处逐渐减小，并且随着V含量增加，试样晶粒度从6.7增加到7.3。通过对拉伸实验数据的分析发现，螺纹钢的屈服强度随着V含量增加而明显增加。对不同钒含量螺纹钢中微合金元素析出强化效果进行了计算，结果发现V含量从0.020%增加到0.032%和0.042%的过程中，析出强化强度分别提升了34和39MPa。通过对不同钒含量螺纹钢析出热力学计算结果发现，碳含量对钒析出物量有一定影响，钒的析出物一般在900℃以下开始析出。

参考文献：

［1］昊建．微合金化HRB400高强度热轧钢筋的试制[J]．特殊钢，2017，32(6)：31—33．

［2］吴晓红．热轧HRB400螺纹钢筋降钒生产工艺研究[J]．热加工工艺，2017，42(1)：27—31．