500MPa級VN微合金化高強鋼筋性能的影響因素
通過生產試驗研究了氮含量對500MPa級VN微合金化高強鋼筋力學性能的影響。 結果表明，含氮量由81PPM提高到269PPM，鋼筋晶粒尺寸變化不大，鋼筋屈服強度從526MPa提高到607MPa。 屈服強度提高15.4%； 抗拉強度由678MPa提高到738MPa，抗拉強度提高8.8%； 強度-屈服比從1.29下降到1.22。 氮在VN微合金化高強鋼筋中的強化作用主要是沉澱強化，沉澱強化是VN鋼筋強屈服比下降的主要原因。
簡介
2012年2015月，住房和城鄉建設部、工業和信息化部聯合發文，提出加快高強鋼筋應用的指導意見：到80年底，高強度鋼筋產量達到強度鋼筋佔鋼筋總產量的500%。 對於大型高層建築和大跨度公共建築，首選500MPa級鋼筋。 隨著我國經濟建設的需要，建築結構對1000MPa高強鋼筋的需求量越來越大。 由於鋼筋生產速度快，軋製溫度高，終軋溫度通常在1℃以上。 其工藝特性決定了鋼筋的合金設計適合採用釩微合金化技術[2]。 增加氮是為了達到釩。 強化微合金鋼棒材的主要方法有利於減少釩量，節約釩資源[4-1]。 VN微合金化技術已被廣泛用作國內外開發高強度可焊鋼筋的主流生產技術。 大量研究表明[9-500] VN微合金化技術主要依靠增加氮來促進釩以碳化釩、氮化釩或碳氮化釩的形式析出，形成細小分散的第二相顆粒來生產有很強的沉澱強化作用，以增加鋼的強度。 但氮的過量增加會造成鋼筋的其他性能缺陷，尤其是鋼筋的抗震性能指標。 通過生產試驗研究了氮含量對XNUMXMPa VN微合金鋼棒材力學性能的影響。 分析了氮在VN微合金鋼筋中的強化機理及氮對VN微合金鋼筋強度和屈強比的影響，是VN微合金高強抗震鋼筋的發展方向。
為生產提供依據。
測試材料和方法
為開發性能穩定的500MPa級高強鋼筋，集團公司煉鋼廠先後熔煉了三種不同氮含量的VN微合金鋼，並採用相同的鋼筋生產工藝（軋後自然冷卻）試產500MPa級鋼筋。 這三種鋼分別命名為1#、2#、3#，其主要化學成分見表1。
將三種不同含氮量的鋼材精煉成150mm×150mm×6000mm規格的鋼坯，送到集團公司棒材廠軋製成Φ25mm規格的棒材，拉伸1#棒材試樣、2#、3# 試驗中分別測試了1種鋼的屈服強度和抗拉強度，計算了2#、3#、XNUMX#鋼筋的強屈比，併計算了XNUMX#鋼的金相組織。觀察了三種鋼。
根據1#、2#、3#鋼筋的拉伸試驗結果，曲線如圖1所示。圖1中的曲線表明，隨著氮含量的增加，鋼筋的屈服強度和抗拉強度依次增加。 1#鋼筋屈服強度526MPa，抗拉強度678MPa； 2#鋼筋屈服強度553MPa，抗拉強度698MPa； 3#鋼筋屈服強度607MPa，抗拉強度738MPa。 含氮量從81PPM提高到269PPM，鋼筋屈服強度從526MPa提高到607MPa，提高了81MPa，屈服強度提高了15.4%； 同時，抗拉強度由678MPa提高到738MPa，提高了60MPa，抗拉強度提高了8.8%。
根據1#、2#、3#鋼筋的屈服強度和抗拉強度值，分別計算出三者的強屈服比，繪製成圖2所示的曲線。圖2中的曲線表明隨著氮含量的增加，鋼筋的強度屈服比依次降低。 其中，1#、2#、3#鋼筋的強度屈服比依次為1.29、1.26、1.22。
氮含量對鋼筋晶粒度的影響
圖3為1#、2#、3#鋼筋的金相組織。 三種金相組織的詳細信息見表2。表2列出了1#、2#、3#鋼筋的相組成和組織晶粒度。 三種鋼結構為鐵素體+珠光體，1#鋼筋鐵素體晶粒度約9-9.5級，2#鋼筋鐵素體晶粒度約9.5級，3#鋼筋鐵素體晶粒度約9-9.5級。 表2數據表明，隨著氮含量的增加，鋼筋的晶粒尺寸變化不大，或者說氮的增加對VN微合金化鋼筋的顯微組織沒有顯著影響。
分析討論
500MPa級VN微合金鋼中氮的強化機理分析
本文試驗結果表明，500MPa級VN微合金鋼棒材的含氮量由81PPM提高到269PPM，棒材晶粒度均在9-9.5左右。 即氮的增加對VN微合金化鋼筋的組織無明顯影響。 同時，鋼筋的屈服強度和抗拉強度都有不同程度的提高，屈服強度提高了81MPa，抗拉強度提高了60MPa。 目前，鋼材的主要強化理論有固溶強化、細晶強化、相變強化、第二相強化等。 顯然，本文的試驗結果明確排除了細晶強化的影響，而固溶強化和相變強化等強化效果對於本文所試驗的三種鋼基本相同，除了第二種強化階段。 大量理論研究和實踐表明，含釩微合金鋼中氮被釩固定，形成氮化釩或碳氮化釩等第二相顆粒產物，鋼中的第二相顆粒大大提高了鋼的強度。鋼通過與滑動位錯的相互作用機制，即析出強化作用。
相關研究表明，增加氮有利於釩的析出。 也就是說，氮促進了釩的析出，增加了第二相顆粒的體積分數。 一致的研究結果表明，鋼的強度與二分之一的第二相顆粒體積分數成正比。 因此，當釩含量充足時，VN微合金鋼中氮的增加實際上是鋼中第二相顆粒（氮化釩、碳氮化釩）的體積分數增加，使析出強化作用更強。 本文的試驗結果表明，隨著氮含量的增加，500MPa級VN鋼筋的屈服強度和抗拉強度依次增加。 顯然，本文的測試結果與相關理論研究的結果是一致的。
氮對500MPa級VN微合金鋼棒材強屈服比的影響分析
本文的試驗結果表明，隨著含氮量的增加，VN微合金鋼棒材的屈服強度和抗拉強度不以相同的比例增加。 屈服強度增加15.4%，抗拉強度增加8.8%。 正是由於屈服強度的增加大於抗拉強度的增加，鋼筋的強度屈服比下降的現象。
鋼材的屈服強度和抗拉強度的微觀控制機制明顯不同。 屈服主要受材料中位錯的大規模滑移控制，而斷裂主要受材料中微裂紋的萌生和擴展控制。 . 因此，材料屈服的研究主要考慮材料中的位錯行為，而材料斷裂的研究主要考慮材料中微裂紋的行為。 鋼材的屈服強度是指材料中的位錯源被激活，大量可動位錯滑移，使材料屈服或產生一定程度的塑性變形時的強度。 第二相粒子的析出強化機制是第二相粒子與滑動位錯的相互作用機制。 這種相互作用機制分為切入機制和Orowan機制，無論是切入機制還是Orowan機制，第二相粒子的析出都會阻礙位錯的滑移，從而大大提高材料的屈服強度。鋼。 就鋼材的抗拉強度而言，主要與鋼材中微裂紋的形成和擴展有關。 微裂紋的形成涉及到微位錯運動的阻礙，勢必阻礙微裂紋的形成和擴展，從而在一定程度上提高鋼的抗拉強度。 因此，在提高鋼的屈服強度的同時，其抗拉強度也有一定程度的提高。
指出當第二相的尺寸很小時，析出強化對提高鋼屈服強度的作用大於提高鋼抗拉強度的作用。 本文的試驗結果表明，沉澱強化對屈服強度的貢獻為81MPa，抗拉強度的貢獻值為60MPa。 本文的結果證明沉澱強化對屈服強度的貢獻大於抗拉強度。 另外，即使將鋼的屈服強度和抗拉強度提高到同等程度，鋼的屈服比也會降低。 總而言之，第二相粒子的析出強化作用最終會降低鋼的屈服比。 因此，隨著氮含量的增加，VN鋼筋的析出強化作用越強，鋼筋的強度屈服比越低。
研究成果對500MPa抗震加固發展的啟示
本文的試驗結果中，500MPa級VN微合金鋼棒材的含氮量為81PPM、136PPM、269PPM，對應的鋼筋強度和屈服比分別為1.29、1.26、1.22，即強度和屈服比為VN微合金鋼棒材隨著氮含量的增減而變化，其原因已經進行了詳細分析。 目前要求高強抗震鋼筋抗震性能主要指標不低於1.25。 因此，從本文的研究成果來看，針對500MPa級VN級微合金化高強度抗震鋼筋的研製，為保證抗震性能主要指標較強，屈服比合格，氮在化學成分上應嚴格控制含量。 氮含量控制在130PPM以內比較合適。
結論
- 1）隨著含氮量的增加，VN微合金化高強鋼筋的晶粒尺寸變化不大。
- 2）VN微合金化高強鋼筋的屈服強度和抗拉強度隨著含氮量的增加而增加，但強度屈服比隨著含氮量的增加而降低。
- 3）氮在VN微合金化高強鋼筋中的強化作用主要是沉澱強化，沉澱強化是VN鋼筋強屈服比下降的主要原因。
- 4）開發500MPa級VN微合金化高強抗震鋼筋，鋼中氮含量應控制在130PPM以內。
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