NbC对HRB500钢筋凝固过程中异质形核与晶粒细化的影响

熊星强，李长荣，*，庄昌凌，黎志英，王 劼

（1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.首钢水城钢铁（集团）有限责任公司，贵州 六盘水 553000）

钢筋是建筑的骨架结构，在建筑物中发挥主要作用，现代建筑和工程需要屈服强度更高的高强度钢筋.钢筋屈服强度提高的同时往往伴随塑性的降低，因此非常有必要研发既具有高强度又具有良好韧性的钢材，以满足安全可靠的要求.微合金高强度钢筋在房屋建筑和海洋工程中广泛使用［1］.目前，中国高强度微合金抗震钢筋主要采用V微合金化高强钢筋，其成本高，不利于广泛推广和使用.通过以Nb代V，发挥V在微合金高强钢筋的析出强化和细晶强化作用，提高钢筋的屈服强度具有重要理论研究价值和实际应用价值.

研究表明［2-5］，微合金钢中加入Nb在晶界附近会析出NbC，可以达到细化晶粒的作用，有利于提高微合金钢的强度.Dey等［6-9］研究发现，钢中添加Nb有利于珠光体的形核，可获得更好的性能.珠光体（P）的硬度较贝氏体（B）小、较铁素体（F）大，在冷却处理过程中会发生相变，可以提高钢筋的延展性及强度［10-11］.

鉴于HRB500钢中的形核相在高温相变前以γ-Fe存在、相变后以α-Fe存在，本文运用理论计算，对以NbC为基底的形核相γ-Fe、α-Fe进行错配度计算和分析，探讨NbC对HRB500钢筋凝固过程中异质形核的影响，同时研究Nb对HRB500钢筋组织的影响规律.

1 原材料与试验方法

1#试验钢为含V的HRB500钢筋，2#试验钢为在含V的HRB500钢筋基础上添加Nb的钢筋.两者均采用50 kg中频感应炉进行金属熔炼，先浇注成圆柱形钢锭，再将钢锭加热到1 100℃进行锻造，锻造工艺为粗轧6道次，精轧4道次，变形量为30%，锻造成尺寸为30 mm×30 mm×500 mm的长方体试件（用于后续试样的切割）.2种试验钢的化学组成如表1所示.

表1 试验钢的化学组成Table 1 Chemical composition of test steels

利用DIL805动态热模拟相变仪对2#试验钢进行连续冷却转变测试，试件尺寸为ϕ4×10 mm，其连续冷却转变工艺如图1所示.利用GX51+DP26金相显微镜对1#和2#试验钢进行显微组织观察，并用Nano Measurer软件图像分析仪测量铁素体的平均晶粒尺寸.采用MTS-200万能拉伸试验机对1#和2#试验钢进行力学性能测试，拉伸试件尺寸如图2所示.利用Tecnai G2 F20透射电镜对2#试验钢进行显微组织观察，并进行微区成分分析.

图1 2#试验钢的连续冷却转变工艺Fig.1 Process diagram of continuous cooling transformation of 2# test steel

图2 拉伸试件尺寸Fig. 2 Dimension of standardized steel bar sample for tensile test（size：mm）

2 NbC对γ-Fe和α-Fe固溶体的异质形核

Bramfitt［12］提出了二维错配度（δ）理论，该理论认为δ值的大小可以表征异质形核的难易程度.δ值越小，异质形核过程越容易发生.当δ值小于6%时，异质形核最有效；当δ值为6%～12%时，异质形核有效；当δ值大于12%时，异质形核困难.

由于钢液在凝固过程中Nb与C的亲和力很大，所形成的高熔点NbC可能会成为异质形核的核心，因此本文将NbC作为基底，以γ-Fe、α-Fe为形核相来计算形核效率.NbC的（100）面分别与γ-Fe（100）面、α-Fe（100）面的晶体学匹配关系图如图3所示，其中实心黑圆圈代表C原子，虚线空心圆圈代表Nb原子，实线空心圆圈代表Fe原子，箭头指的是2种物质的匹配.NbC与γ-Fe、α-Fe异质形核的点阵错配计算结果见表2、3.其中“//”指前后2种物质的匹配；dNbC、dγ-Fe、dα-Fe分别表示NbC、γ-Fe、α-Fe的原子间距；θ为晶向夹角.

图3 NbC的（100）面与γ-Fe（100）面、α-Fe（100）面的晶体学匹配关系图Fig.3 Parallel time lattice mismatch degree diagram of（100）NbC vs（100）γ-Fe，（100）α-Fe

钢液凝固过程中NbC对γ-Fe和α-Fe异质形核作用有所不同.表2、3表明，NbC的（100）面与γ-Fe（100）面错配度为13.20%，与α-Fe（100）面的形核效果很好，错配度为11.59%.这说明NbC可以优先作为α-Fe异质形核的核心，γ-Fe相较α-Fe形核有效性有所降低［13］.

表2 NbC与γ-Fe的点阵错配计算结果Table 2 Lattice mismatch calculation results of NbC andγ-Fe

表3 NbC与α-Fe的点阵错配计算结果Table 3 Lattice mismatch calculation results of NbC andα-Fe

3 结果分析与讨论

3.1 冷却速率对试验钢显微组织的影响

2#试验钢的静态冷却转变（CCT）曲线见图4.由图4可见：珠光体（P）的临界冷却速率为1.5℃/s，贝氏体（B）的临界冷却速率为5.0℃/s，马氏体（M）和铁素体（F）的冷却速率为5.0～10.0℃/s.试验中记录2#试验钢的膨胀量在5.0、10.0℃/s冷却速率下随温度的变化情况，并利用切线法确定马氏体转变开始温度（Ms）和马氏体转变结束温度（Mf），分别为474.5、341.8℃.不同冷却速率下2#试验钢的显微组织如图5所示.由图5可见：2#试验钢的组织尺寸随着冷却速率的增大而减小，当冷却速率小于1.0℃/s时，其组织为珠光体和铁素体（图5（a）、（b））；当冷却速率为1.0～5.0℃/s时，2#试验钢的组织为贝氏体和铁素体（图5（d）、（e）），且随着冷却速率的增加，2#试验钢中的贝氏体增多，这是由于在高冷却速率下，微合金中Nb析出速率低，降低了铁素体转变温度，促进了贝氏体的形成；当冷却速率大于5.0℃/s时，2#试验钢的组织为马氏体和铁素体（图5（h）、（i）），随着冷却速率的增加，2#试验钢中马氏体数量增多，这是因为冷却速率的增大促进了马氏体的形成.

图4 2#试验钢的静态冷却转变曲线Fig.4 CCT curves of 2# test steel

图5 不同冷却速率下2#试验钢的显微组织形貌Fig.5 Micro morphology of 2# test steel at different cooling rates

3.2 Nb对钢组织性能的影响

对冷却速率为0.3℃/s下显微组织为珠光体和铁素体的1#和2#试验钢进行对比分析.2种试验钢中典型的显微组织形貌见图6.图6显示1#和2#试验钢的显微组织虽然均为铁素体和珠光体，但两者在组织形状和晶粒大小上有所区别：1#试验钢为多边形和等轴状铁素体，晶粒较大，并且珠光体和铁素体呈带状分布；2#试验钢的铁素体尺寸细小.因为Nb可以细化铁素体和珠光体的晶粒尺寸，微合金元素Nb的析出可以显著改善钢的力学性能.由于在奥氏体中弥散的、稳定的NbC颗粒可以阻碍奥氏体晶粒长大，对晶界起到了钉扎作用，从而阻碍了晶界的迁移.在晶界迁移过程中，晶界越过析出相需要更大的界面能，使得析出相在钢液凝固过程中阻碍晶粒长大，从而提高了2#试验钢的力学性能.同时拍摄100张金相图，用以统计铁素体晶粒尺寸，结果见图7.由图7可见：1#试验钢中39.7%的晶粒尺寸小于15μm，13.8%的晶粒尺寸大于25μm；2#试验钢中65.4%的晶粒尺寸小于15μm，只有6.0%的晶粒尺寸大于25μm.

图6 试验钢的显微组织形貌Fig.6 Micro morphology of test steels

图7 试验钢中铁素体晶粒尺寸Fig.7 Ferrite grain size of test steels

由此说明，在试验钢中添加Nb，可以进一步细化晶粒尺寸.这是因为Nb是强碳化物形成元素，对C有很强的吸附能力，使原本在晶界上析出的碳化物溶解，碳化物转变为NbC；奥氏体（A）中弥散的、稳定的NbC颗粒可以阻碍奥氏体晶粒长大，对晶界起到钉扎作用，从而阻碍晶界迁移和奥氏体再结晶，细化了奥氏体晶粒，同时在奥氏体变形过程中位错结构和晶内变形带很难恢复，因此铁素体很容易在晶界和晶粒内形核，铁素体和珠光体的形核点增加，试验钢的显微组织得以细化.

试验钢的力学性能指标列于表4.由表4可以看出，添加了Nb后，试验钢的塑性不变，屈服强度和抗拉强度增大.添加Nb的最显著效果是在凝固过程中优先形成细小的NbC沉淀物.NbC较铁的其他固溶体熔点更高，因此NbC优先析出后成为其他固溶体的异质形核点［14-16］.在几种微合金元素中，Nb阻碍奥氏体再结晶的作用最明显，NbC可以作为位错运动的阻碍，进一步提高试验钢的强度.试验钢的拉伸应力-应变曲线如图8所示.由图8可见，1#和2#试验钢的力学性能均呈现低碳钢典型的拉伸屈服现象，此现象与试验钢的显微组织有关.

表4 试验钢的力学性能Table 4 Mechanical properties of test steels

图8 试验钢的拉伸应力-应变曲线Fig.8 Tensile stress-strain curves of test steels

对2#试验钢的析出物进行TEM、电子衍射光斑（SADP）、EDS分析，结果如图9所示.由图9可见：2#试验钢的主要析出物是NbC，其形状为圆形，平均晶粒尺寸约50 nm，在铁素体晶界析出（图9（a））；这些析出物具有FCC晶体结构（图9（b））；衍射峰除Fe峰之外，主要是Nb峰和C峰.综合以上分析，其析出物为NbC（图9（c））.

图9 2#试验钢析出物的TEM、SADP、EDS分析Fig.9 TEM，SADP and EDS analysis of 2# test steel precipitate

NbC在高温时稳定性好，可以有效钉扎奥氏体晶界，形成的奥氏体晶粒尺寸更为细小，在1个奥氏体晶粒内可以形成数个珠光体.由于NbC钉扎作用所形成的奥氏体尺寸较小，在此基础上形成的珠光体团的尺寸和片层间距更为细小，因此在有效提高试验钢强度的同时，还能保持良好的塑性.

4 结论

（1）根据二维错配度理论计算可知，NbC与α-Fe的形核最为有效，与γ-Fe的形核相对困难.通过错配度的计算可以预估Nb的碳化物与基体之间形核的有效性，提高其与α-Fe的形核效率.

（2）当试验钢的组织为珠光体和铁素体时，Nb的添加可以使试验钢的微观组织明显细化，提高试验钢的屈服强度和抗拉强度，但塑性基本不变.