氮元素对400MPa级钢筋组织性能的影响

徐志东 徐 志 范植金

(武汉钢铁(集团)研究院 湖北 武汉：430080)

氮元素对400MPa级钢筋组织性能的影响

徐志东 徐 志 范植金

(武汉钢铁(集团)研究院 湖北 武汉：430080)

采用光学显微镜、透射电镜以及能谱仪等手段，研究不同的氮含量对400MPa级钢筋的微观组织与力学性能的影响。试验表明，随着氮含量的增加，钢筋的强度有明显的提高，但断后伸长率变化不大，这与钢中析出物尺寸大小、弥散度以及氮的固溶强化有关。

氮；400MPa级钢筋；析出物；组织性能

带肋钢筋俗称螺纹钢筋，主要用于制造钢筋混凝土结构件，是建筑行业最重要的原材料之一，其用量占我国钢材表观消费量的13%以上[1]，在我国建筑用钢材中占有重要地位。HRB400热轧带肋钢筋(俗称Ⅲ级钢筋)强度高、韧性好、可焊接性优良，适合用于现代高层、抗震结构等重要建筑工程。用它替代HRB335热轧带肋钢筋，可节约钢筋材料13%左右。传统生产400MPa钢筋时，往往都添加了少量的钒，利用微合金化元素V在钢筋中形成的细小弥散的氮化物、碳化物或碳氮化物来抑制奥氏体晶粒长大，从而获得细小的奥氏体晶粒并起到提高合金强韧性作用；对含钒的微合金钢，氮是一个有效的合金元素[2-4]，可提高钒在20MnSi钢筋中的强化效果,从而达到减少钒的目的。本文通过研究不同氮含量对HRB400V钢筋的显微组织和拉伸性能的影响，旨在获得合适的氮含量范围，为生产低成本高质量HRB400钢筋提供理论依据。

1 实验材料及方法

试验用钢采用120吨转炉冶炼，经过氩站、LF炉全程吹氩后，上连铸机浇铸成200mm×200mm的方坯，其成品化学成分见表1。方坯在加热至1200±50℃，加热时间100min后，在棒材连轧机上轧制成Ф28的热轧带肋钢筋，终轧温度约1100℃。每个号取两根400mm长试样在WAW32000型拉伸机上进行室温拉伸性能测试；从拉伸断裂样上每个号取一小段横截面试样，经过金相研磨、抛光以及3%硝酸酒精腐蚀处理后，在OPLYMPUS-GX71型光学显微镜下观察组织；利用二次碳(萃取)复型法对金相样进行萃取制样，用JEM-2100F透射电镜对析出物进行分析，然后用EDAX能谱分析仪对析出物进行能谱定性分析。把实验钢筋机加工成Ф12×120mm的棒状样进行电解析出相分析，定量分析析出物成分。

表1 实验钢的化学成分/%

2 实验结果与分析

2.1 显微组织

从图1中可以看出，钢筋横截面试样都有中心偏析组织，偏析组织中铁素体成网状分布，且珠光体含量比铁素体含量多，中心偏析组织外圈有一圈铁素体量比珠光体量多的区域，向外延伸，组织逐渐正常。对比四个随着氮含量的增加越来越严重，增氮后的钢筋，在钢中的氮元素以及其形成的氮化物在奥氏体晶界上形成聚集，降低了界面能，使奥氏体晶粒长大的驱动力减小，在加热和冷却过程中，使碳及其它元素的扩散速度不一样，从而引起局部成分不均匀，产生中心组织偏析。钢中的钒氮形成的弥散强化相以及其它的氮化物作为第二相质点扎钉晶界并阻碍晶界移动，可以看出，N含量最多的钢中正常部位组织晶粒度要比N含量最少的组织要大0.5级。

图1 不同氮含量下金相组织

2.2 析出物及化学相分析

将试验钢筋加工成Φ12×120mm的棒状样经磨光后，电解溶样得到V(C，N)和AlN的粉末，然后对粉末进行化学相分析，其结果见表2。

从表2看到，未增氮的0#样中的N，有一半(50%)与加入的Al结合形成氮化物AlN，与其他没有加Al的钢相比，结合的N含量最大相差41%。钢中V的析出，与N有密切关系。不同N含量钢，在C、V含量相近时，而析出量相差达20个百分点之多。高氮钢中V的析出量占加入钢中总V量的53.0%，而低氮钢中V的析出量只占到加入钢中总V量的33.3%，表面低氮钢中加入的V没有充分起到沉淀强化的作用，在某种意义上说这是V元素的浪费。

表2 析出物电解分析

注：(1)0#为对照炉号，未增氮，加入了Al合金；(2)N/AlN，指AlN中的N含量；

通过透射电镜观察，对试样中的析出相进行了观察分析，由于炼钢时加入的废钢带来的杂质元素，钢种除了有大量细小的V的析出物，还有大量细小的V+Ti的析出物和很少的大颗粒的CuS，大颗粒的CuS主要是以Ti+V与AlN及CuS复合物形式存在。析出物形态呈矩形或不规则形，尺寸以5～45nm和65～150nm为主，其中5～25nm的析出相主要成分为V，25～45nm的析出相主要成分为V+Ti，65～150nm的析出相主要为Ti+V与AlN及CuS的复合析出。如图2为析出物形貌和能谱成分。

图2 析出物形貌及能谱成分

图3 不同氮含量析出物形貌

对比分析这几炉钢的成分可以看出C的含量相差不多， C对析出物的影响不是主要因素。从图3中可以看出，钒含量一定时，V的析出物随着氮含量的增加而增大，但当氮含量超过一定的范围时，V的析出物不会增加，但会使析出更弥散均匀，这与电解夹杂中V(C，N)和AlN析出随N含量增加到一定范围后，析出物重量变化不大结论相同。4#试样虽然析出物最多，但是分布不均匀、不弥散，存在的纤维状析出相破坏了基体的连续性。

2.3 力学性能

从图4中可以看出，氮含量对钢筋的强度和伸长率的影响具有不同的趋势。随着氮含量的增加，屈服强度和抗拉强度显著增加，在0.0128%到0.0138%之间时，增加幅度减缓，当氮含量继续增加时，增加幅度增大。而增氮钢筋断后伸长率随着氮含量的增加而下降；出现上述现象的原因是N的固溶强化提高强度的同时降低了钢基的塑性。

对氮元素与屈服强度、抗拉强度进行相关性和回归分析，建立回归模型。如表3所示，屈服强度、抗拉强度与钢中氮含量的对应关系，P值均小于0.05，说明屈服强度与抗拉强度与钢中氮含量存在一定的相关性，且呈正相关。每增加10ppm氮含量可增加6～8MPa以上，与文献中记载基本一致[5]。

图4 屈服强度、抗拉强度与氮含量的关系

表3 回归分析

回归分析：屈服强度与钢中氮含量回归分析：抗拉强度与钢中氮含量回归方程为Rel=402+0．711N回归方程为Rm=562+0．711N自变量系数系数标准误TP自变量系数系数标准误TP常量401．6810．8636．980．000常量562．1795．054111．240．000钢中氮含量0．711130．080898．790．003钢中氮含量0．605260．0376416．080．001S=8．58590R-Sq=96．3%R-Sq(调整)=95．0%S=8．58590R-Sq=96．3%R-Sq(调整)=95．0%方差分析方差分析来源自由度SSMSFP来源自由度SSMSFP回归15696．85696．877．280．03回归14126．94126．9258．580．001残差误差3221．273．7残差误差347．916．0合计45918．0合计44174．8

3 结论

(1)钢筋的强度随着氮含量的增加而增加，并存在一定的相关性；

(2)氮含量的增加对组织晶粒度影响不明显，只有0.5级；

(3)随着氮含量的增加，钢中析出物逐渐增加，但是超过一定含量时，数量不会继续增加，而是使析出物分布更均匀。

[1] 王厚昕,李正邦.中国热轧带肋钢筋的发展和现状[J].中国冶金，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] 杨才福,等.钒、氮微合金化钢筋的强化机制[J].钢铁,2001,36(5):55-57.

(责任编辑：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

徐志东(1985～)，男，硕士，工程师.E-mail:519011541@qq.com

TG115

A

1671-3524(2015)02-0027-04