钒氮微合金化钢筋的强化机制

张  浩

1  引言

钢筋是我国消耗量最大的钢材品种，为了尽快与国际接轨和节约钢材，中国正在加速建筑用钢的更新换代，HRB400钢筋的应用已成为主流。采用微合金化技术是世界各国发展高强度钢筋的主要技术路线之一，钢中的微合金化元素均通过形成微合金化碳、氮化物来起作用。由于钢中氮化物比碳化物具有更高的稳定性，析出相更细小弥散，其强化效果明显提高。众所周知，钒是有效提高钢筋强度的微合金化元素之一，大量研究表明，氮是含钒钢中十分有效的合金元素，含钒钢中每增加10ppm的氮可提高强度6MPa以上，并且基本上与工艺条件无关。通过利用廉价的氮元素，可显著提高含钒钢的强化效果，达到节约合金含量，降低生产成本的目的。为此，北京钢铁研究总院率先在国内展开了钒氮微合金化技术生产高强度钢筋的研究工作，研究结果充分说明了采用钒氮微合金化技术生产高强度钢筋的技术、经济优势，这为发展我国经济型HRB400钢筋开辟了新途径。本文根据近年来国内外在钒氮微合金化技术方面的研究成果，详细地叙述了钒氮微合金化在钢筋中的强化机制。

2  V(C、N)在奥氏体和铁素体中的析出

2.1  V(C、N)在奥氏体中的溶解与析出

    研究表明，V(C、N)在奥氏体中的溶解度很大，在高温奥氏体中析出量极少，在平衡条件下，特别是在钢中钒、氮含量都较高时，钢中仅有一小部分钒在奥氏体中析出。因此，在热轧过程中，即终轧温度在1000℃以上时，钒几乎全部固溶于奥氏体中，因此它对奥氏体再结晶不能产生有效的阻碍作用，无法抑制奥氏体晶粒的长大。

2.2  V(C、N)在铁素体中的析出

    能起有效作用的V(C、N)是在奥氏体—铁素体相变的最后阶段在铁素体中析出的。在终轧温度高于1000℃ 时，所有钒都可以在铁素体内沉淀。V(C、N)可以跟随着奥氏体—铁素体界面的移动在铁素体内随机析出，即普通析出，也可以平行于奥氏体/铁素体界面，以一定间距形成片层状分布的相间析出。大量研究表明，对于典型结构钢，普通析出产生于较低温度区域，通常低于700℃，而相间析出在较高温度形成。电子显微镜的研究表明，V(C、N)也可以在珠光体的铁素体中析出，由于珠光体的转变温度较低，这类析出物通常更细小，不仅发生普通析出，也发生相间析出。

3  细晶强化

    细晶强化是众多材料强化方法中唯一可以在提高强度的同时提高材料的塑性和韧性的强化方法。钒氮微合金化的细晶强化机制主要体现在两个方面：其一是相间析出的VN、V(C、N)有效地阻碍了铁素体晶粒的长大；其二是析出的VN、V(C、N)质点作为铁素体的形核质点，促进晶内铁素体的形成，铁素体的数量随VN、V(C、N)等析出物的增加而增加，显然有利于细化铁素体晶粒。钢铁研究总院杨才福的研究表明，钒钢的铁素体晶粒尺寸为7.16μm，而钒氮钢的铁素体晶粒尺寸为5.8μm。西班牙冶金研究中心的研究表明，氮化钒析出物上铁素体晶内形核导致晶粒尺寸大大缩小，缩小程度接近50%。前面的理论分析与实践证明了VN微合金化对钢筋具有细晶强化的作用。

4  沉淀强化

4.1  N对沉淀强化的作用

    对于V(C、N)质点的沉淀强化为Orowan机制，在这种情况下，决定性参数是滑移面上的颗粒间距，然而，颗粒间距有析出相的密度决定，而析出相的密度是由形核率和形核的数量控制的，这种形核过程一直到溶质过饱和状态消失后才结束。控制形核变化的基本参数是V(C、N)析出的化学驱动力，而V(C、N)析出的化学驱动力强烈地随氮含量的变化而变化，这是因为VN比VC的稳定性高，或者说是有更低的自由能，因此与低氮钢相比，在高氮钢中具有较大的析出化学驱动力，其析出相的密度更高。

4.2  C对沉淀强化的作用

    由于VN比VC的溶解度低，在各种氮含量的情况下，先形成的V(C、N)总是富氮的，而且只有当钢中几乎所有的N被耗尽后，碳氮化物中的C含量才开始增加。为了有利于进一步产生连续的沉淀强化，必须有足够的固溶C含量和化学驱动力以便新的V(C、N)形核，事实已经证明，若铁素体中的C浓度是由奥氏体/铁素体相平衡控制的，而非由铁素体/渗碳体平衡所控制，此时就能具备新的V(C、N) 形核条件，因为在600℃，前者情况下C的浓度是后者的5倍。

    许多人在研究VN微合金化时，忽略了C对碳氮化物的影响，也即忽略了C对沉淀强化的贡献，他们认为，铁素体中固溶C的浓度在正常情况下是受奥氏体/铁素体或者铁素体/渗碳体平衡控制的。然而，最近的研究表明，钒微合金化钢的沉淀强化效果随钢中总碳含量增加而明显增大，研究表明，每增加0.01%C，沉淀强化量增加5.5MPa，这是因为，钢中C含量的增加延迟珠光体转变，从而使奥氏体/铁素体相平衡所决定的铁素体中较高的C含量维持更长时间。

5  结论

（1）钒并不能阻碍奥氏体再结晶即后续的晶粒的长大。

（2）钒氮微合金化钢筋的强化机制分为细晶强化和沉淀强化，其中沉淀强化起主导作用。

（3）钒微合金化钢筋中，N是一种非常有效提高沉淀强化效果的合金元素，同样C对提高沉淀强化的效果也不可忽视。