1引言

? 2012年1月，住建部、工信部聯(lián)合發(fā)文，提出加快應用高強鋼筋的指導意見：2015年底，高強鋼筋的產量占螺紋鋼筋總產量的80%，對大型高層建筑和大跨度公共建筑，優(yōu)先采用500MPa級螺紋鋼筋。隨著我國經濟建設的需要，建筑結構對500MPa級高強鋼筋的需求越來越大。由于鋼筋這類長型材產品生產速度快，軋制溫度高，終軋溫度通常在1000℃以上，其工藝特點決定了鋼筋的合金設計適宜采用釩微合金化技術[1]，增氮是實現(xiàn)釩微合金化鋼筋強化的主要手段，有利于減少釩的用量，節(jié)約釩資源[2-4]。V-N微合金化技術作為目前國內外發(fā)展高強度可焊接鋼筋的主流生產工藝技術已經得到廣泛應用。大量研究表明[1-9]，V-N微合金化技術主要靠增氮促使釩以碳化釩、氮化釩或碳氮化釩等形式析出，形成細小彌散的第二相粒子產生強烈的沉淀強化作用來提高鋼的強度。但過度增氮會造成鋼筋產生其他性能上的缺陷，尤其對鋼筋抗震性能指標強屈比的影響較大，本文通過生產試驗研究了氮含量對500MPa級V-N微合金化鋼筋力學性能的影響，重點分析了氮在V-N微合金化鋼筋中的強化機理以及氮對V-N微合金化鋼筋強度、強屈比的影響規(guī)律，為V-N微合金化高強抗震鋼筋的開發(fā)

與生產提供依據(jù)。

2試驗材料與方法

? 為了開發(fā)性能穩(wěn)定的500MPa級高強鋼筋，集團公司煉鋼廠先后冶煉了三種不同氮含量的V-N微合金化鋼，采用相同的螺紋鋼生產工藝（軋后自然冷卻）試驗生產500MPa級鋼筋，將三種鋼分別命名為1#、2#、3#，其主要化學成分見表1。

? 精煉三種氮含量不同的鋼連鑄成規(guī)格150mm×150mm×6000mm方坯，送集團公司棒材廠軋制成規(guī)格為Φ25mm鋼筋，對1#、2#、3#的鋼筋試樣進行拉伸試驗，分別測試三種鋼的屈服強度、抗拉強度，計算1#、2#、3#鋼筋的強屈比，并觀察三者的金相組織。

根據(jù)1#、2#、3#鋼筋的拉伸試驗結果繪制成圖1所示的曲線。圖1曲線表明，隨著氮含量增加，鋼筋的屈服強度、抗拉強度依次增加。1#鋼筋的屈服強度為526MPa，抗拉強度為678MPa；2#鋼筋的屈服強度為553MPa，抗拉強度為698MPa；3#鋼筋的屈服強度為607MPa，抗拉強度為738MPa。氮含量由81PPM增加到269PPM，鋼筋屈服強度由526MPa增加到607MPa，增幅為81MPa，屈服強度增加比例為15.4%；同時，抗拉強度由678MPa增加到738MPa，增幅為60MPa，抗拉強度增加比例為8.8%。

根據(jù)1#、2#、3#鋼筋的屈服強度和抗拉強度值，分別計算三者的強屈比，并繪制成圖2所示的曲線。圖2曲線表明，隨著氮含量的增加，鋼筋的強屈比依次降低。其中1#、2#、3#鋼筋強屈比依次為1.29、1.26、1.22。

3.2氮含量對鋼筋晶粒尺寸的影響

? ?圖3為1#、2#、3#鋼筋的金相顯微組織，三者的金相顯微組織情況詳細信息見表2。表2列出了1#、2#、3#鋼筋的相組成物及組織晶粒尺寸情況，三種鋼組織均為鐵素體+珠光體，1#鋼筋鐵素體晶粒度約為9-9.5級，2#鋼筋鐵素體晶粒度約為9.5級，3#鋼筋鐵素體晶粒度約為9-9.5級。表2的數(shù)據(jù)表明，隨著氮含量的增加，鋼筋的組織晶粒尺寸無明顯變化，或者說增氮對V-N微合金化鋼筋組織無明顯細化作用。

4分析與討論

4.1氮在500MPa級V-N微合金化鋼筋中的強化機理分析

? ? 本文的試驗結果顯示，500MPa級V-N微合金化鋼筋中氮含量由81PPM增加到269PPM，鋼筋的組織晶粒度均在9-9.5級左右，即增氮對V-N微合金化鋼筋的組織無明顯細化作用，但同時鋼筋的屈服強度和抗拉強度均有不同程度的增加，其中屈服強度增幅為81MPa，抗拉強度增幅為60MPa。目前鋼鐵材料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，本文的試驗結果很明顯地排除了細晶強化的作用，而固溶強化、相變強化等強化效應對于本文試驗的三種鋼而言基本相同，唯獨第二相強化作用除外，大量理論研究及實踐表明，氮在含釩的微合金鋼中被釩所固定，形成氮化釩或者碳氮化釩等第二相粒子產物，第二相粒子在鋼中通過與滑移位錯的交互作用機制大幅度提高鋼的強度，即沉淀強化效應。

相關研究表明，增氮有利于釩的沉淀析出。也就是說氮促進了釩的析出，增大了第二相粒子的體積分數(shù)。而一致的研究結果均表明鋼的強度與第二相粒子的體積分數(shù)的二分之一次方成正比，因此，在釩含量比較充足的情況下，V-N微合金化鋼中增氮，其實是增加了鋼中第二相粒子（氮化釩、碳氮化釩）的體積分數(shù)，從而使得沉淀強化的效果更強。本文的試驗結果表明，隨著氮含量的增加，500MPa級V-N鋼筋的屈服強度和抗拉強度均依次增加，顯然，本文的試驗結果與相關理論研究結果是相吻合的。

4.2氮對500MPa級V-N微合金化鋼筋強屈比的影響分析

? ? 本文的試驗結果表明，隨著氮含量的增加，V-N微合金化鋼筋的屈服強度與抗拉強度并不是同比例增加的，其中屈服強度增加比例為15.4%，抗拉強度增加比例為8.8%，正是由于屈服強度比抗拉強度增加的幅度要大，所以才出現(xiàn)鋼筋強屈比下降的現(xiàn)象。

鋼鐵材料的屈服強度和抗拉強度的微觀控制機制存在明顯的不同，屈服主要是由材料中位錯的大規(guī)模滑移所控制的，而斷裂主要由材料中的微裂紋萌生和擴展所控制的。因此，研究材料的屈服主要考慮材料中的位錯行為，而研究材料的斷裂則主要考慮材料中微裂紋的行為。鋼鐵材料的屈服強度表示的是材料中位錯源開動且大量可動位錯發(fā)生滑移從而使材料產生屈服現(xiàn)象或產生一定塑性變形時的強度。第二相粒子的沉淀強化的機制即是第二相粒子與滑移位錯的交互作用機制，這種交互作用機制分為切過機制和Orowan機制，不論是切過機制還是Orowan機制，第二相粒子的析出均會阻礙位錯的滑移，從而大幅度提高鋼的屈服強度。對鋼鐵材料的抗拉強度而言，主要與鋼中微裂紋的形成和擴展有關，而微裂紋的形成過程中涉及到微區(qū)位錯運動的受阻，位錯運動受阻必然會阻礙微裂紋的形成和擴展，從而在一定程度上提高了鋼的抗拉強度。因此，鋼的屈服強度提高的同時，其抗拉強度也在一定程度上得到提高。

? 指出，當?shù)诙喑叽绾苄r，沉淀強化提高鋼的屈服強度的作用比提高鋼的抗拉強度的作用效果更大一些，本文的試驗結果顯示，沉淀強化對屈服強度的貢獻值為81MPa，對抗拉強度的貢獻值為60MPa，本文的研究結果證明了沉淀強化作用對屈服強度的貢獻大于對抗拉強度的貢獻。另外，即使同等程度地提高鋼的屈服強度和抗拉強度，也會導致鋼的強屈比降低。總而言之，第二相粒子的沉淀強化作用最終會降低鋼的強屈比。因此，隨著氮含量的增加，V-N鋼筋的沉淀強化作用越強，鋼筋的強屈比越低。

5研究結果對開發(fā)500MPa級抗震鋼筋的啟示

? 本文的試驗結果中，500MPa級V-N微合金化鋼筋中氮含量依次為81PPM、136PPM、269PPM，其對應的鋼筋強屈比依次為1.29、1.26、1.22，即V-N微合金化鋼筋的強屈比隨著氮含量的增加而降低，前面已經做出了詳細的原因分析。目前，高強抗震鋼筋的抗震性能的主要指標強屈比要求不小于1.25，因此，從本文的研究結果來看，對于開發(fā)500MPa級V-N微合金化高強抗震鋼筋而言，為了確保抗震性能主要指標強屈比合格，在化學成分上應該嚴格控制氮含量，氮含量控制在130PPM以內是比較合適的。

6結論

1）隨著氮含量的增加，V-N微合金化高強鋼筋的組織晶粒尺寸變化不明顯。?

2）V-N微合金化高強鋼筋的屈服強度、抗拉強度均隨著氮含量的增加而增加，但強屈比隨著氮含量的增加而降低。

3）氮在V-N微合金化高強鋼筋中的強化作用主要為沉淀強化，沉淀強化是造成V-N鋼筋強屈比下降的主要原因。

4）對于開發(fā)500MPa級V-N微合金化高強抗震鋼筋而言，鋼中氮含量應控制在130PPM以內。