釩鐵與釩氮的復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理及對(duì)鋼材強(qiáng)度的影響

謝 祥,胡友紅,伍從應(yīng),劉立德,李 燚,高長(zhǎng)益

(首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司,貴州六盤(pán)水 553028)

釩鐵與釩氮的復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理及對(duì)鋼材強(qiáng)度的影響

謝 祥,胡友紅,伍從應(yīng),劉立德,李 燚,高長(zhǎng)益

(首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司,貴州六盤(pán)水 553028)

以HRB500試驗(yàn)鋼為研究對(duì)象,分析了釩鐵與釩氮的復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理及對(duì)鋼材強(qiáng)度的影響,弄清了不同微合金化方法的固溶析出行為和強(qiáng)化效果。其主要結(jié)果如下：(1)對(duì)于釩鐵微合金化,當(dāng)C=0.26%時(shí),V含量由0.056%增加至0.2%時(shí),產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量由46.2 MPa增加至114.7 MPa;(2)對(duì)于釩氮微合金化,當(dāng)C= 0.26%、N=0.010%時(shí),V含量從0.056%增加至0.20%時(shí),析出強(qiáng)化增量由70.7 MPa增大到140.2 MPa,N含量的增加使鋼材析出強(qiáng)化增量和固溶強(qiáng)化增量均顯著增大。

HRB500;高強(qiáng)度鋼筋;釩;微合金化;強(qiáng)化

1 引言

釩是強(qiáng)碳、氮化物形成元素,與鋼中的間隙元素碳與氮元素的化學(xué)親和力大。在鋼中加入微量釩,可以促進(jìn)第二相VC或VN的析出,細(xì)小彌散的第二相分散在鋼中,產(chǎn)生第二相強(qiáng)化。釩也是重要的晶粒細(xì)化元素,隨著加熱溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),奧氏體晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大,粗大的奧氏體晶粒會(huì)降低鋼的性能。在鋼中加入微量釩元素,可以提高晶粒的粗化溫度,這是因?yàn)閺浬⑽龀龅牡诙鄷?huì)釘扎奧氏體晶界,阻礙晶界遷移,阻止了奧氏體晶粒粗化。另外,釩還可以通過(guò)阻礙奧氏體和鐵素體再結(jié)晶的機(jī)制細(xì)化最終產(chǎn)品的晶粒。為了充分發(fā)揮釩在鋼中的析出強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化作用,其關(guān)鍵是要其在鋼中充分地析出。為了研究微合金元素V對(duì)鋼性能的影響,從鋼中第二相析出、固溶量變化等角度進(jìn)行分析,并結(jié)合水鋼生產(chǎn)的HRB500鋼進(jìn)行研究。

2 釩鐵微合金化

2.1 析出行為分析

V是強(qiáng)碳化物形成元素。在鋼中采用釩鐵微合金化時(shí),V會(huì)與鋼中的C形成VC沉淀析出,改變鋼的性能。在軋制過(guò)程中,隨著溫度的降低,VC在鋼中的溶解度逐漸變小。

對(duì)水鋼HRB500試驗(yàn)鋼在各溫度下各主要元素固溶量及第二相析出量進(jìn)行理論計(jì)算[1-4],得出各元素固溶量及第二相析出量隨溫度的變化規(guī)律,見(jiàn)圖1所示。

圖1 固溶析出量隨溫度變化

由圖1可知,V和C在奧氏體中的固溶量隨著溫度的降低而減少,析出物VC隨著溫度的降低逐漸增多,這是因?yàn)闇囟冉档秃?VC的析出驅(qū)動(dòng)力增大,促使VC從基體中析出。

以水鋼HRB500試驗(yàn)鋼為基礎(chǔ),C和V分別在一定范圍內(nèi)變化,750℃至全固溶溫度區(qū)間,固溶C和V的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)、第二相VC析出的體積百分?jǐn)?shù)理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3所示。

圖2 C含量對(duì)固溶析出量的影響

圖3 V含量對(duì)固溶析出量的影響

由圖2可知,當(dāng)其它條件固定時(shí),全固溶溫度隨著C含量的增大而提高,由807℃提高至845℃。溫度降低,固溶V量明顯減少,而固溶C量變化不明顯。隨著溫度降低,C含量對(duì)奧氏體中元素固溶析出的影響程度逐漸降低,以800℃和770℃為例,在800℃時(shí),C含量的增加明顯促進(jìn)第二相VC析出,而770℃時(shí),C含量對(duì)VC析出的促進(jìn)程度減緩。C含量的增加明顯提高奧氏體中固溶C量,但減少了固溶V量,使得V的利用率提高。但是隨著C含量的增加,室溫組織中的珠光體含量會(huì)增大,鋼的強(qiáng)度升高但韌性會(huì)明顯下降,因此應(yīng)該充分考慮C含量對(duì)鋼強(qiáng)度和韌度的影響,合理設(shè)計(jì)成分。

圖3顯示,VC的全固溶溫度隨著V含量的增加而升高,從837℃升高至914℃,相比C而言,V對(duì)VC全固溶溫度的影響更大。隨著溫度降低,固溶V量、C量減少,析出物VC增加。隨著V含量增加,相同溫度下的固溶V量變化不大,而固溶C量明顯降低,提高了C元素的利用率,促進(jìn)VC析出。V含量從0.1%增加至0.2%時(shí),第二相VC析出量體積分?jǐn)?shù)增加了一倍多,由此可見(jiàn),V含量對(duì)第二相析出量的影響非常大。但是在鋼中增加V含量,會(huì)提高生產(chǎn)成本,并且過(guò)多V固溶在鋼中會(huì)使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

2.2 對(duì)產(chǎn)品性能的影響

在鋼中加入不同含量的微合金元素,第二相析出量會(huì)發(fā)生變化,而析出的第二相對(duì)鋼材的性能影響極大。高溫下未溶的VC可以釘扎奧氏體晶界,阻礙晶粒長(zhǎng)大,起到細(xì)化晶粒的作用。在軋制冷卻過(guò)程中析出的第二相彌散分布,產(chǎn)生第二相強(qiáng)化,對(duì)鋼材性能貢獻(xiàn)很大。

通過(guò)2.1中的計(jì)算結(jié)果圖,可得到指定成分的鋼材在一定溫度下的平衡固溶析出量,考慮到鋼中僅含V微合金元素時(shí)第二相的全固溶溫度較低,并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的軋制溫度區(qū)間,現(xiàn)以800℃下的固溶析出為例,并假設(shè)在該溫度下為平衡固溶析出,將微合金元素V和C對(duì)析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)值進(jìn)行計(jì)算。

釩鐵微合金化對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的影響計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 釩鐵微合金化對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

表1中A0為HRB500試驗(yàn)鋼初始成分,A1～A3是在初始鋼成分基礎(chǔ)上變動(dòng)V含量,A4～A6是在初始鋼成分基礎(chǔ)上變動(dòng)C含量?！鳓襭表示第二相析出量產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量,△σss表示鋼中固溶的V量產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化增量。從表中計(jì)算結(jié)果可以看出,微合金元素V對(duì)鋼材性能的主要貢獻(xiàn)為析出強(qiáng)化,產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化增量非常小,可以忽略不計(jì)。根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可以作出圖4,圖4表示不同V、C含量產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量。

圖4 不同V、C含量產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量

由圖4可以發(fā)現(xiàn),V含量產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量很大,其它元素含量不變時(shí),V含量由0.056%增加至0.2%時(shí),產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量可由46.2 MPa增加至114.7 MPa。C含量對(duì)析出強(qiáng)化的影響與V相比較弱,但隨著C含量的增加,析出強(qiáng)化增量也逐漸增大。

3 釩氮微合金化

3.1 析出行為分析

鋼中的第二相VC和VN都是面心立方點(diǎn)陣的氯化鈉結(jié)構(gòu),并且VC和VN的點(diǎn)陣常數(shù)相近,兩者之間可以完全互溶形成碳氮化釩。當(dāng)材料的化學(xué)成分確定后,一定溫度下析出的第二相V(C,N)就具有確定的化學(xué)組成,可表示為VCxN1-x,x為C的占位分?jǐn)?shù),0≤x≤1。

對(duì)試驗(yàn)鋼在各溫度下主要元素固溶量及析出第二相分?jǐn)?shù)進(jìn)行理論計(jì)算,得出各元素固溶量及析出第二相分?jǐn)?shù)隨溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖5所示。

圖5 固溶析出量隨溫度變化

由圖5可知固溶V、C、N量都隨著溫度的降低而減少,這是因?yàn)殡S著溫度的降低,合金元素在鋼中的固溶度減少,開(kāi)始逐漸析出第二相VCxN1-x。析出相VCxN1-x中的x隨著溫度的降低而增大,則C元素在析出相中的質(zhì)量百分比增加。

以試驗(yàn)鋼HRB500為基礎(chǔ),C、N、V分別在一定范圍內(nèi)變化,750℃至全固溶溫度區(qū)間,固溶C、N、V的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)、第二相VCxN1-x中x值大小及析出的百分?jǐn)?shù)理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 C含量對(duì)V-N-C鋼固溶析出量的影響

圖7 N含量對(duì)V-N-C鋼固溶析出量的影響

圖8 V含量對(duì)V-N-C鋼固溶析出量的影響

由圖6～圖8可得到以下結(jié)論：

(1)VC在奧氏體中固溶度積比VN明顯大很多,因此析出第二相VCxN1-x在溫度較高時(shí)x值趨近于0,VCxN1-x中富N,VCxN1-x的析出溫度與VN的析出溫度接近,則第二相VCxN1-x的全固溶溫度主要與V和N含量的變化有關(guān),C含量對(duì)第二相VCxN1-x的全固溶溫度影響很小。

(2)N含量對(duì)VCxN1-x中x值的影響最大,其次為V,影響最小的為C。N含量增大時(shí),x值明顯減小,N在較高溫度下促進(jìn)VN大量析出,消耗奧氏體中V的固溶量,而較低溫度時(shí)與C結(jié)合析出的V所剩無(wú)幾,則VCxN1-x主要由VN組成,VCxN1-x中C的摩爾分?jǐn)?shù)x很小。V含量增大時(shí),x值顯著增大,這是因?yàn)殇撝蠳含量為0.010%,若以理想V、N化學(xué)配比3.64析出,則V含量應(yīng)該為0.037%,而V含量由0.056%增加至0.20%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了理想V、N化學(xué)配比,則N在高溫下與V結(jié)合析出已被大量消耗,較低溫度下N含量少,V與C結(jié)合,析出VC,使VCxN1-x中C的摩爾分?jǐn)?shù)x增大。C含量增大時(shí),x值有所增加,但變化不太明顯。鋼中V含量為0.056%,N含量為0.010%,V、N比超過(guò)理想化學(xué)配比,V有30%左右的余量,剩余V在較低溫度與C大量結(jié)合,析出VC,但C含量繼續(xù)增大時(shí),固溶的V含量有限,因此析出VC只會(huì)適當(dāng)增加一些,x值適當(dāng)增加,剩余C大量固溶在鋼中。

(3)V含量對(duì)析出第二相體積分?jǐn)?shù)的影響最大,其次為N,影響最小的為C。V含量變化對(duì)較高溫度下析出第二相的分?jǐn)?shù)影響較小,但在較低溫度下析出第二相的分?jǐn)?shù)隨著V含量的增加而急劇增大。850℃下,V含量由0.056%增加至0.20%時(shí),x值大小由0.271增大至0.745,固溶C量由0.258%減少至0.235%,析出第二相體積分?jǐn)?shù)由0.061%增大至0.239%。則較低溫度下V與C大量結(jié)合析出VC,減少C在奧氏體中的固溶量,增大C在析出相VCxN1-x中的摩爾分?jǐn)?shù)。N含量增加主要影響在較高溫度下析出第二相分?jǐn)?shù),會(huì)促進(jìn)VCxN1-x的析出,而在較低溫度的影響不太顯著。C含量對(duì)析出第二相分?jǐn)?shù)的影響很小,并且主要集中在較低溫度下。

(4)總的來(lái)說(shuō),C、N、V含量的增加有利于析出更多的第二相VCxN1-x[5-7],但奧氏體中處于固溶態(tài)的元素含量會(huì)相應(yīng)增加。固溶C量增加會(huì)導(dǎo)致奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度下降,同時(shí)增加室溫組織中的珠光體含量,使鋼材的強(qiáng)度升高而塑性、韌性降低。V含量增大,不僅增加了生產(chǎn)成本,而且過(guò)多V固溶在鋼中,會(huì)導(dǎo)致鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。若N過(guò)多固溶在鋼中,會(huì)使鋼材的應(yīng)變時(shí)效敏感性提高。因此在對(duì)鋼材進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮C、N、V對(duì)鋼材性能的影響。

3.2 對(duì)產(chǎn)品性能的影響

計(jì)算可知,在鋼中加入不同含量的C、N、V,析出第二相的分?jǐn)?shù)會(huì)發(fā)生變化,對(duì)鋼材強(qiáng)度變化帶來(lái)一定影響。

以850℃下的固溶析出為例,并假設(shè)在該溫度下為平衡固溶析出,析出的第二相尺寸為10 nm,將微合金元素C、N、V對(duì)析出強(qiáng)化的增量與V、N對(duì)固溶強(qiáng)化的增量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 釩氮微合金化對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

表2中,B0為試驗(yàn)初始鋼成分,B1～B3是在初始鋼成分基礎(chǔ)上變動(dòng)V含量,B4～B6是在初始鋼成分基礎(chǔ)上變動(dòng)N含量,B7～B9是在初始鋼成分基礎(chǔ)上變動(dòng)C含量?！鳓襭表示析出第二相產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量,△σss表示鋼中固溶V和固溶N產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化增量。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果可以作出圖9,圖9表示不同V、N、C含量產(chǎn)生的強(qiáng)化增量。

圖9 不同V、N、C含量產(chǎn)生的強(qiáng)化增量

由圖9可知,V含量對(duì)析出強(qiáng)化增量的影響最大,當(dāng)V含量從0.056%增加至0.20%時(shí),析出強(qiáng)化增量由70.7 MPa增大到140.2 MPa,而固溶強(qiáng)化增量減小,這是由于鋼中V含量增加時(shí),固溶N含量減小,第二相析出量增大,而處于固溶態(tài)的V含量雖然明顯增加,但固溶V對(duì)屈服強(qiáng)度增量的系數(shù)很小,因此產(chǎn)生的固溶增量很小。N含量對(duì)固溶強(qiáng)化增量的影響最大,當(dāng)N含量由0.005%增加至0.020%時(shí),固溶強(qiáng)化增量由6.2 MPa增加到38.1 MPa,這是由于固溶N量隨著N含量的增加明顯增大,固溶N對(duì)屈服強(qiáng)度增量的系數(shù)很大,因此產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化增量增大。而C含量對(duì)析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的影響均不明顯。

對(duì)比圖4可得,當(dāng)鋼中其它元素含量固定時(shí),N含量的增加使鋼材析出強(qiáng)化增量和固溶強(qiáng)化增量均顯著增大。鋼中加入適當(dāng)N元素,提高元素利用率,提高屈服強(qiáng)度。

4 結(jié)論

以水鋼HRB500試驗(yàn)鋼為研究對(duì)象,通過(guò)分析釩鐵與釩氮的復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理及對(duì)鋼材強(qiáng)度的影響,弄清了采用不同微合金化方法的固溶析出行為和強(qiáng)化效果,其主要結(jié)論如下：

4.1 采用釩鐵微合金化

(1)V、C的固溶析出行為

V和C在奧氏體中的固溶量隨著溫度的降低而減少,析出物VC隨著溫度的降低逐漸增多;VC的全固溶溫度隨著C含量的增大而提高。在V= 0.056%時(shí),而C含量從0.15%提高到0.30%時(shí), VC的全固溶溫度由807℃提高至845℃;VC的全固溶溫度隨著V含量的增加而升高。在C=0.26%時(shí),而V含量從0.10%提高到0.20%時(shí),VC的全固溶溫度從837℃升高至914℃。

(2)V、C的強(qiáng)化效果

V產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量很大,當(dāng)C含量為0.26%時(shí),V含量由0.056%增加至0.2%時(shí),產(chǎn)生的析出強(qiáng)化增量可由46.2 MPa增加至114.7 MPa。C含量對(duì)析出強(qiáng)化的影響與V相比較弱,但隨著C含量的增加,析出強(qiáng)化增量也逐漸增大。

4.2 采用釩氮微合金化

(1)V、N、C的固溶析出行為

固溶V、N、C都隨著溫度的降低而減少。析出相VCxN1-x中的x隨著溫度的降低而增大,則C元素在析出相中的質(zhì)量百分比增加;VC在奧氏體中固溶度積比VN明顯大很多,因此析出第二相VCxN1-x在溫度較高時(shí)x值趨近于0,VCxN1-x中富N, VCxN1-x的析出溫度與VN的析出溫度接近;N含量對(duì)VCxN1-x中x值的影響最大,其次為V,影響最小的為C。N含量增大時(shí),x值明顯減小,N在較高溫度下促進(jìn)VN大量析出,消耗奧氏體中V的固溶量,而較低溫度時(shí)與C結(jié)合析出的V所剩無(wú)幾,則VCxN1-x主要由VN組成;C、N、V含量的增加有利于析出更多的第二相VCxN1-x。

(2)V、N、C的強(qiáng)化效果

V含量對(duì)析出強(qiáng)化增量的影響最大,在C= 0.26%、N=0.010%時(shí),而V含量從0.056%增加至0.20%時(shí),析出強(qiáng)化增量由70.7MPa增大到140.2MPa,而固溶強(qiáng)化增量減小。N含量對(duì)固溶強(qiáng)化增量的影響最大,在C=0.26%、V=0.056%時(shí),而N含量由0.005%增加至0.020%時(shí),固溶強(qiáng)化增量由6.2 MPa增加到38.1 MPa。而C含量對(duì)析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的影響均不明顯。與釩鐵微合金化時(shí)V、C的析出強(qiáng)化增量相比,當(dāng)鋼中其它元素含量固定時(shí),N含量的增加使鋼材析出強(qiáng)化增量和固溶強(qiáng)化增量均顯著增大。鋼中加入適當(dāng)N元素,提高元素利用率,提高屈服強(qiáng)度。

[1] 雍岐龍,鄭 魯.固溶度積公式、理想化學(xué)配比值與微合金鋼化學(xué)成分的設(shè)計(jì)[J].鋼鐵,1988,23(7)：47-51.

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[4] 呂煜坤,盛光敏,黃振華,等.V-N微合金化抗震鋼筋高溫析出行為分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,45(8)：2596-2602.

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Compound Strengthening Mechanism and Effect of V-Fe and V-N-Fe on Strength of Steel

XIE Xiang,HU Youhong,WU Congying,LIU Lide,LI Yi,GAO Changyi
(Shougang Shuicheng Iron and Steel(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui 553028,Guizhou,China)

Using HRB500 experimental steel as study object,we analyzed compound strengthening mechanism and effect of V-Fe and V-N-Fe on strength of Steel and made clearly solid solution and precipitation behavior and strengthening effect for different microalloying methods.The main results are as follows：(1)for V-Fe microalloying,when C=0.26%,as V increases from 0.056%to 0.20%,the incremental strength from precipitation increases from 46.2 MPa to 114.7 MPa;(2)for V-N-Fe microalloying,when C=0.26%and N=0.010%,as V increases from 0.056%to 0.20%,the incremental strength from precipitation increases from 70.7 MPa to 140.2 MPa, the incremental strength from precipitation and solution enormously increases with N increase.

HRB500,high strength steel bar,vanadium,microalloying,strengthening

TG142

A

1001-5108(2017)04-0046-07

謝祥,高級(jí)工程師,主要從事鋼鐵冶金及棒線(xiàn)材產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)工作。