HRB400螺纹钢中钒的强化作用研究

工程科学学报，第38卷，增刊1：5660,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:56-60,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.010:http://journals.ustb.edu.cn HRB400螺纹钢中钒的强化作用研究 刘 强四，张炯明，王博，尹延斌，曹一飞 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:liml010 qiang(@163.com 摘要通过对含钒螺纹钢的性能进行研究，发现钒在细化晶粒方面效果较好.由各种强化机制对屈服强度的贡献计算结 果不难发现钒能够加强析出强化的作用.文章对HRB4O0螺纹钢中钒的析出情况进行热力学计算，并分析了不同钒含量对析 出温度的影响. 关键词合金元素：细化晶粒：强化机制：钒化物析出：热力学计算 分类号TF713.6 The research of v element strengthening mechanisms in HRB400 hot rolled ribbed bars LIU Qiang,ZHANG Jiong-ming,WANG Bo,YIN Yan-bin,CAO Yi-fei State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liul010qiang@163.com ABSTRACT The properties of hot rolled ribbed bars with different V contents are investigated.It is found that V can promote gain refinement.Contributions of different strengthening mechanisms to yield strength of bars are computed.The results show that V has a good effect on bar precipitation strength.Through thermodynamic calculations of V element precipitation in HRB400,the influence of V contents on the precipitating temperatures of V(CN)is demonstrated. KEY WORDS alloy element:grain refinement;strengthening mechanisms:V(CN)precipitation:thermodynamic calculation 螺纹钢广泛应用于房屋、桥梁、道路等工程建设， 错数量，增大摩擦力从而提高钢的强度.此外在钢 是我国消耗最大的钢材产品，每年产量高达1400多 坯被加热后冷却过程中，这些固溶物能够降低脆性转 万吨”.目前，国内生产高强度螺纹钢的强化工艺主 变温度，增强奥氏体的淬透性，根据需要形成不同的组 要包括低温轧制网、微合金化四、控轧控冷田等，而为 织，增强回火稳定性，产生二次硬化的效果，从而提高 了增强钢筋强度，钢厂也会根据设备特点选择其中几 螺纹钢强度切. 种强化工艺共同使用. 本文对不同V含量HRB400螺纹钢进行了研究， 在钢中添加V、Nb、T等微合金元素能够提高钢 分析了不同V含量对螺纹钢屈服强度、晶粒度的影 筋的强度，获得韧性好、屈强比高的高品质螺纹钢.添 响.同时，对不同条件下螺纹钢中C、N化合物析出情 加合金元素强化机理主要是微合金元素在凝固过程中 况进行了热力学计算，从而进一步阐明V在螺纹钢筋 以C、N化合物的形式从钢中析出，促进晶粒形核并钉 中的强化作用，为研究V析出强化作用奠定理论基础。 扎在晶界上，抑制加热过程中奥氏体再结晶和长大，从 而获得细小的铁素体组织阿。另一方面，这些固溶化 1实验方法 合物能够在螺纹钢变形过程中阻碍晶粒滑移，增加位 工艺路线为：高炉铁水一铁水预处理一150t转炉 收稿日期：201601-12 基金项目：国家自然科学基金(U1360201,51474023)资助

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 56--60，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 56--60，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn HＲB400 螺纹钢中钒的强化作用研究 刘 强，张炯明，王 博，尹延斌，曹一飞 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: liu1010qiang@ 163． com 摘 要 通过对含钒螺纹钢的性能进行研究，发现钒在细化晶粒方面效果较好． 由各种强化机制对屈服强度的贡献计算结 果不难发现钒能够加强析出强化的作用． 文章对 HＲB400 螺纹钢中钒的析出情况进行热力学计算，并分析了不同钒含量对析 出温度的影响． 关键词 合金元素; 细化晶粒; 强化机制; 钒化物析出; 热力学计算 分类号 TF713. 6 The research of v element strengthening mechanisms in HＲB400 hot rolled ribbed bars LIU Qiang ，ZHANG Jiong-ming，WANG Bo，YIN Yan-bin，CAO Yi-fei State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: liu1010qiang@ 163． com ABSTＲACT The properties of hot rolled ribbed bars with different V contents are investigated． It is found that V can promote gain refinement． Contributions of different strengthening mechanisms to yield strength of bars are computed． The results show that V has a good effect on bar precipitation strength． Through thermodynamic calculations of V element precipitation in HＲB400，the influence of V contents on the precipitating temperatures of V( CN) is demonstrated． KEY WOＲDS alloy element; grain refinement; strengthening mechanisms; V( CN) precipitation; thermodynamic calculation 收稿日期: 2016--01--12 基金项目: 国家自然科学基金( U1360201，51474023) 资助 螺纹钢广泛应用于房屋、桥梁、道路等工程建设， 是我国消耗最大的钢材产品，每年产量高达 1 400 多 万吨［1］． 目前，国内生产高强度螺纹钢的强化工艺主 要包括低温轧制［2］、微合金化［3］、控轧控冷［4］等，而为 了增强钢筋强度，钢厂也会根据设备特点选择其中几 种强化工艺共同使用． 在钢中添加 V、Nb、Ti 等微合金元素能够提高钢 筋的强度，获得韧性好、屈强比高的高品质螺纹钢． 添 加合金元素强化机理主要是微合金元素在凝固过程中 以 C、N 化合物的形式从钢中析出，促进晶粒形核并钉 扎在晶界上，抑制加热过程中奥氏体再结晶和长大，从 而获得细小的铁素体组织［5］． 另一方面，这些固溶化 合物能够在螺纹钢变形过程中阻碍晶粒滑移，增加位 错数量，增大摩擦力从而提高钢的强度［6］． 此外在钢 坯被加热后冷却过程中，这些固溶物能够降低脆性转 变温度，增强奥氏体的淬透性，根据需要形成不同的组 织，增强回火稳定性，产生二次硬化的效果，从而提高 螺纹钢强度［7］． 本文对不同 V 含量 HＲB400 螺纹钢进行了研究， 分析了不同 V 含量对螺纹钢屈服强度、晶粒度的影 响． 同时，对不同条件下螺纹钢中 C、N 化合物析出情 况进行了热力学计算，从而进一步阐明 V 在螺纹钢筋 中的强化作用，为研究 V 析出强化作用奠定理论基础． 1 实验方法 工艺路线为: 高炉铁水—铁水预处理—150 t 转炉

刘强等：HRB400螺纹钢中钒的强化作用研究 ·57 吹炼一加合金出钢一小方坯连铸一加热炉加热一轧 抛光等工序制备成合格的金相样品.用1%硝酸酒精 制一穿水一成品螺纹钢 溶液轻轻擦拭抛光面，显现出清晰的晶界后放到显微 表1为相同工艺条件下HRB400螺纹钢的成分. 镜下观察.本研究采用直线截点法测定平均晶粒度， 为了研究V元素对螺纹钢强化作用的影响，选取三种 即在某一随机视场中选取一条直线，通过计数该直线 不同V含量的钢作为研究条件.1、2、3试样V含量 与晶粒边界相交截点数P来测定晶粒度.公式(1)为 分别为0.020%、0.032%、0.042%. 晶粒度的表示方法 表1HRB4O0级螺纹钢成分（质量分数） (1) Table 1 Composition of HRB400 hot rolled ribbed bars (mass fraction) 1品 会 式中：1为试样检测面晶粒截距平均值：L为所使用的 编号 C Si Mn N 测量线段长度，mm;M为放大倍数；P为测量网格的截 18 0.23 0.32 1.18 0.020 0.01 点数 2# 0.24 0.35 1.15 0.032 0.01 平均晶粒度级别G由公式(2)计算得出. 3# 0.24 0.32 1.16 0.042 0.01 G=6.6438561g/-3.288 (2) 同一成分选取3根螺纹钢筋作为拉伸实验试样， 为了保证统计的准确性，每个位置选择3~5个视 试样直径为20mm,长600mm,共计9根.拉伸实验前 场取平均值.对试样中心、1/4处及边缘处晶粒尺寸进 制备金相试样，统计每组晶粒尺寸，并对每组拉伸实验 行测量取平均值作为试样最终晶粒尺寸.图1为不同 数据取平均值，研究V对晶粒尺寸及屈服强度的影响 试样不同位置处晶粒形貌.图2为不同V含量试样晶 粒度统计结果 2结果与分析 通过对不同位置试样晶粒度统计分析发现试样晶 2.1晶粒度分析 粒尺寸从中心到边缘处逐渐减小，并且随着V含量增 将拉伸前的钢棒试样截取一段，经过粗磨、精磨、 加，试样晶粒度明显增加.这说明，V的添加有助于细 边缘 14处 中 20)m 200m a)N含量为0.020 4处 中心 00 um 2004m b)V含量为0.032% 14处 200 um e)V含量为0.042% 图1不同V含量试样金相品粒形貌 Fig.1 The topography of crystal grain with different contents of V

刘 强等: HＲB400 螺纹钢中钒的强化作用研究 吹炼—加合金出钢—小方坯连铸—加热炉加热—轧 制—穿水—成品螺纹钢． 表 1 为相同工艺条件下 HＲB400 螺纹钢的成分． 为了研究 V 元素对螺纹钢强化作用的影响，选取三种 不同 V 含量的钢作为研究条件． 1# 、2# 、3# 试样 V 含量 分别为 0. 020% 、0. 032% 、0. 042% ． 表 1 HＲB400 级螺纹钢成分( 质量分数) Table 1 Composition of HＲB400 hot rolled ribbed bars( mass fraction) % 编号 C Si Mn V N 1# 0. 23 0. 32 1. 18 0. 020 0. 01 2# 0. 24 0. 35 1. 15 0. 032 0. 01 3# 0. 24 0. 32 1. 16 0. 042 0. 01 图 1 不同 V 含量试样金相晶粒形貌 Fig． 1 The topography of crystal grain with different contents of V 同一成分选取 3 根螺纹钢筋作为拉伸实验试样， 试样直径为 20 mm，长 600 mm，共计 9 根． 拉伸实验前 制备金相试样，统计每组晶粒尺寸，并对每组拉伸实验 数据取平均值，研究 V 对晶粒尺寸及屈服强度的影响． 2 结果与分析 2. 1 晶粒度分析 将拉伸前的钢棒试样截取一段，经过粗磨、精磨、 抛光等工序制备成合格的金相样品． 用 1% 硝酸酒精 溶液轻轻擦拭抛光面，显现出清晰的晶界后放到显微 镜下观察． 本研究采用直线截点法测定平均晶粒度， 即在某一随机视场中选取一条直线，通过计数该直线 与晶粒边界相交截点数 P 来测定晶粒度． 公式( 1) 为 晶粒度的表示方法． I = L MP． ( 1) 式中: I 为试样检测面晶粒截距平均值; L 为所使用的 测量线段长度，mm; M 为放大倍数; P 为测量网格的截 点数． 平均晶粒度级别 G 由公式( 2) 计算得出． G = 6. 643856lg I － 3. 288． ( 2) 为了保证统计的准确性，每个位置选择 3 ～ 5 个视 场取平均值． 对试样中心、1 /4 处及边缘处晶粒尺寸进 行测量取平均值作为试样最终晶粒尺寸． 图 1 为不同 试样不同位置处晶粒形貌． 图 2 为不同 V 含量试样晶 粒度统计结果． 通过对不同位置试样晶粒度统计分析发现试样晶 粒尺寸从中心到边缘处逐渐减小，并且随着 V 含量增 加，试样晶粒度明显增加． 这说明，V 的添加有助于细 · 75 ·

·58· 工程科学学报，第38卷，增刊1 8.0 ☑☑边缘 分别提升了34和39MPa,可见V元素在钢中析出强化 7.8 1/4处 对屈服强度的作用效果很显著 7.6 网中 1.4 平均 3热力学计算 y 1.2 1.0 对不同V含量螺纹钢进行了相关热力学计算.热 68 力学计算的体系为VC-N,以规则溶液亚点阵模型为 6.6 6.4 基础0，计算热力学平衡时的热力学参数，进而分析 62 析出行为.在热力学计算中，由于元素V、C和N含量 6.0 1 2 很小，故假设金属组元V和间隙组元(C、N)在奥氏体 试样 中形成稀溶液.假设复合碳氮化物符合理想化学配 图2不同V含量试样品粒度统计结果 比，即在碳氮化物中金属原子的总数等于C和N原子 Fig.2 The statistical result of crystal grain with different contents of V 的总数，忽略间隙和金属空位.这样，复合碳氮化物的 化晶粒，提高螺纹钢筋的力学性能 化学式可写为V(C,N,.),其中，x为C在亚点阵中的 2.2析出强化分析 物质的量分数，C、N物质的量分数的和为1.另外，从 表2为不同V含量试样拉伸结果 晶体学的角度考虑，碳氮氨化物与二元碳化物和氮化物 具有相同的NaCl结构-切.因此，1mol碳氮化物V 表2力学性能检测结果 Table 2 The results of mechanical property test (C,N,-)可看作是二元碳化物和氮化物的混合：xmol VC,(1-x)mol VN..碳氮化物V(C.N,-,)平衡方 试样w(V)/ 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 程组： 编号 Avg Max Min Avg Max Min 1#0.020372376366565572559 2￥ 业可+-加1-哈0 0.032403406401593600580 30.042414 429408600 621 595 (6) (7) 从表2中可以看出，屈服强度随V含量增加而增 h可+1-房=0， 加.但钢的屈服强度是由公式(3)中各种强化机制所 决定的习 h许+岩a (8) 0p=0,-（0。+0.+0）. (3) 式中：L为处于同一个亚点阵中的M,M原子之间 式中：σ。为析出强度：σ，为屈服强度：σ，为初始强度： 的相互作用能，取-4260J/mol:K,c、Kw分别为V的碳 σ，为固溶强度：σ，为细晶强度 化物、氮化物的溶度积：V,]、[C,]、N,]表示钢中的 在HRB400螺纹钢中初始强度σ.一般取45MPa, 溶质元素的物质的量分数；T为热力学温度，K:R为气 固溶强度σ，与钢中各种合金元素的含量有关，可以由 体常数3- 经验公式(4)计算得出： 由质量守恒可得： o,=84(Si)+32(Mn)+680(P)+38(Cu)-43(Ni). 。]=(分/+1-]， (9) (4) 而细晶强度σ，与晶粒度有关，在本研究中晶粒度 c]=(/+1-c,], (10) 为6.7~7.3之间，根据式(5)计算可以得出细晶强化 的贡献 N]=(2+1-》N]. (11) 0g=18.1dn (5) 式中，∫为析出物的物质的量分数：V]、[C]、N] 在表3中详细说明了各强度机制对于屈服强度所 为钢中的溶质元素的初始物质的量分数 做出的贡献 6个方程(6)~(11)构成了V-Ti微合金钢中析 表3各强化机制作用效果 出物的双亚点阵模型.将V一微合金钢的成分代入 Table 3 The results of different strengthening mechanism 双亚点阵模型，利用高斯一赛德尔迭代法对方程求解 试样编号w(V)/%0,0.0.0.0p 而在求解方程之前，必须知道碳氮化物的溶度积： 1# 0.020 372 4568 47 202 K=10学 (Fe)2 28 0.032 403 45 64 48236 `10000(V)(C)' (12) 3 0.042 41445 6949241 由表3可以看出，随着V含量的的增加，强化效果 KWw=1033.4 (Fe)2 ×10000(V)(NW (13)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 2 不同 V 含量试样晶粒度统计结果 Fig． 2 The statistical result of crystal grain with different contents of V 化晶粒，提高螺纹钢筋的力学性能． 2. 2 析出强化分析 表 2 为不同 V 含量试样拉伸结果． 表 2 力学性能检测结果 Table 2 The results of mechanical property test 试样 编号 w( V) / % 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa Avg Max Min Avg Max Min 1# 0. 020 372 376 366 565 572 559 2# 0. 032 403 406 401 593 600 580 3# 0. 042 414 429 408 600 621 595 从表 2 中可以看出，屈服强度随 V 含量增加而增 加． 但钢的屈服强度是由公式( 3) 中各种强化机制所 决定的［8--9］． σP = σy － ( σo + σs + σg ) ． ( 3) 式中: σP为析出强度; σy为屈服强度; σo为初始强度; σs为固溶强度; σg为细晶强度． 在 HＲB400 螺纹钢中初始强度 σo一般取 45 MPa， 固溶强度 σs与钢中各种合金元素的含量有关，可以由 经验公式( 4) 计算得出: σs = 84( Si) + 32( Mn) + 680( P) + 38( Cu) － 43( Ni) ． ( 4) 而细晶强度 σg与晶粒度有关，在本研究中晶粒度 为 6. 7 ～ 7. 3 之间，根据式( 5) 计算可以得出细晶强化 的贡献． σg = 18. 1d1 /2 ． ( 5) 在表 3 中详细说明了各强度机制对于屈服强度所 做出的贡献． 表 3 各强化机制作用效果 Table 3 The results of different strengthening mechanism 试样编号 w( V) /% σy σo σs σg σP 1# 0. 020 372 45 68 47 202 2# 0. 032 403 45 64 48 236 3# 0. 042 414 45 69 49 241 由表3 可以看出，随着 V 含量的的增加，强化效果 分别提升了34 和39 MPa，可见 V 元素在钢中析出强化 对屈服强度的作用效果很显著． 3 热力学计算 对不同 V 含量螺纹钢进行了相关热力学计算． 热 力学计算的体系为 V--C--N，以规则溶液亚点阵模型为 基础［10］，计算热力学平衡时的热力学参数，进而分析 析出行为． 在热力学计算中，由于元素 V、C 和 N 含量 很小，故假设金属组元 V 和间隙组元( C、N) 在奥氏体 中形成稀溶液． 假设复合碳氮化物符合理想化学配 比，即在碳氮化物中金属原子的总数等于 C 和 N 原子 的总数，忽略间隙和金属空位． 这样，复合碳氮化物的 化学式可写为 V ( CxN1 － x ) ，其中，x 为 C 在亚点阵中的 物质的量分数，C、N 物质的量分数的和为 1． 另外，从 晶体学的角度考虑，碳氮化物与二元碳化物和氮化物 具有相同的 NaCl 结构［11--12］． 因此，1 mol 碳氮化物 V ( CxN1 － x ) 可看作是二元碳化物和氮化物的混合: x mol VC，( 1 － x) mol VN． 碳 氮 化 物 V ( Cx N1 － x ) 平 衡 方 程组: xln xKVC ［Vs ］［Cs ］+ ( 1 － x) ln ( 1 － x) KVN ［Vs ］［Ns ］+ x( 1 － x) LCN ＲT = 0， ( 6) ln xKVC ［Vs ］［Cs ］+ ( 1 － x) 2 LCN ＲT = 0， ( 7) ln ( 1 － x) KVN ［Vs ］［Ns ］+ x 2 LCN ＲT = 0． ( 8) 式中: LM1M2 为处于同一个亚点阵中的 M1，M2 原子之间 的相互作用能，取 － 4260 J /mol; KVC、KVN分别为 V 的碳 化物、氮化物的溶度积; ［Vs ］、［Cs ］、［Ns ］表示钢中的 溶质元素的物质的量分数; T 为热力学温度，K; Ｒ 为气 体常数［13--14］． 由质量守恒可得: ［V0］ ( = ) 1 2 f + ( 1 － f) ［Vs］， ( 9) ［C0］ ( = x ) 2 f + ( 1 － f) ［Cs］， ( 10) ［N0］ ( = 1 － x ) 2 f + ( 1 － f) ［Ns ］． ( 11) 式中，f 为析出物的物质的量分数; ［V0］、［C0］、［N0］ 为钢中的溶质元素的初始物质的量分数． 6 个方程( 6) ～ ( 11) 构成了 V--Ti 微合金钢中析 出物的双亚点阵模型． 将 V--Ti 微合金钢的成分代入 双亚点阵模型，利用高斯--赛德尔迭代法对方程求解． 而在求解方程之前，必须知道碳氮化物的溶度积: K［V］［C］ = 106. 72 － 9500 T × ( Fe) 2 10000( V) ( C) ， ( 12) K［V］［N］ = 103. 63 － 8700 T × ( Fe) 2 10000( V) ( N) ． ( 13) · 85 ·

刘强等：HRB400螺纹钢中钒的强化作用研究 59 式中，(Fe)、(V)、(C)、(N)代表Fe、V、CN元素的相 中的质量分数，如表5~表7. 对原子质量 表4热力学计算参数 相关参数及计算变量初始值如表4，分别分析不 Table 4 The parameters of thermodynamic calculations 同V、N含量下VC-N的析出物热力学情况 参数 C N 通过热力平衡方程组可以得出一定温度下析出物 相对原子质量 50.9 12.0 14.0 的含量、亚点阵中不同元素原子分配比随钢中初始微 第一组质量分数/% 0.020 0.230 0.010 合金元素及碳氮含量变化而改变.对所联立的析出物 第一组质量分数/% 0.032 0.240 0.010 热力学平衡方程求解，分别计算出三组不同成分时随 第一组质量分数/% 0.042 0.240 0.010 着温度变化的x、物质的量分数∫及V、C、N在奥氏体 表5第一组热力学计算结果 Table 5 The first group result of thermodynamic computation T/℃ YV Yc YN 1300 1.300×10-5 1.000×10-6 2.188×10-4 1.070×10-2 3.984×104 1200 3.500×10-3 1.000×10-6 2.188×10-4 1.070×10-2 3.984×10-4 1100 1.050×10-2 1.000×10-6 2.188×10-4 1.070×10-2 3.984×10-4 1000 3.690×10-2 1.000×10-6 2.188×10-4 1.070×10-2 3.984×10-4 900 1.221×10-1 9.100×10-5 1.738×10-4 1.070×10-2 3.590×10-4 850 6.971×10-1 1.700×10-5 2.108×10-4 1.070×10-2 3.964×10-4 800 6.884×10-1 2.630×10-4 8.780×10-5 1.062×10-2 3.580x10-4 750 6.795×10-1 3.720×10-4 3.329×10-5 1.058×10-2 3.394×10-4 700 5.060×10-1 4.010×10-4 1.878×10-5 L.061×10-2 3.000×10-4 650 5.231×10-1 4.280×10-4 5.280×10-6 1.060×10-2 2.970×10-4 600 5.423×10-1 4.360×10-4 1.278x10-6 1.059x10-2 2.993×104 表6第二组热力学计算结果 Table 6 The second group result of thermodynamic computation T/℃ f YV Yc YN 1300 2.200×10-3 1.000×10-6 3.503×10-4 1.117×10-2 3.984×10-4 1200 5.800×10-3 1.000×10-6 3.503×10-4 1.117×10-2 3.984×10-4 1100 1.740×10-2 1.000×10-6 3.503×10-4 1.117×10-2 3.984×10-4 1000 6.050×10-2 1.000×10-6 3.503×10-4 1.117×10-2 3.985×10-4 950 1.128×10-1 3.800×10-5 3.319×10-4 1.117×10-2 3.821×10-4 900 6.100×10-1 1.000×10-6 3.503×10-4 1.117×10-2 3.987×10-4 850 6.906×10-1 2.840×10-4 2.089×10-4 1.108×10-2 3.551×10-4 800 6.804×10-1 5.270×104 8.739×10-5 1.100x10-2 3.149×10-4 750 5.001×101 5.910×10-4 5.538x10-5 1.103×10-2 2.513x10-4 700 7.379×10- 5.990×10-4 5.137x10-5 1.096x10-2 3.206×10-4 600 7.105×10-1 5.990×10-4 5.137×10-5 1.096×10-2 3.124×10-4 表7第三组热力学计算结果 Table7 The third group result of thermodynamic computation T1℃ f Yv Yc YN 1300 2.900×10-3 1.000×10-6 4.600×10-4 L.117×10-2 3.984×10-4 1200 7.600×10-3 1.000×10-6 4.600×10-4 1.117×10-2 3.984×10-4 1100 2.280×10-2 1.000×10-6 4.600×10-4 1.117×10-2 3.984×10-4 1000 7.840×102 1.000×10-6 4.600×104 1.117×10-2 3.985x104 950 1.275×101 1.620×104 3.795×10-4 1.116×10-2 3.283×10-4 900 6.968×10- 1.000×10-6 4.600×10-4 1.117×10-2 3.988×10-4 850 6.865×10-1 4.940×10-4 2.136×10-4 1.101×10-2 3.217×10-4 800 5.266×10-1 5.990×10-4 1.611×104 1.102×10-2 2.573×104 700 7.378×10-1 5.990×10-4 1.611×10-4 1.096×10-2 3.206×10-4 600 7.109×101 5.990×104 1.611×10-4 1.096×10-2 3.125×10-4 通过对不同钒含量螺纹钢析出热力学计算结果 (图3)发现，碳含量对钒析出物含量有一定影响，钒的

刘 强等: HＲB400 螺纹钢中钒的强化作用研究 式中，( Fe) 、( V) 、( C) 、( N) 代表 Fe、V、C、N 元素的相 对原子质量． 相关参数及计算变量初始值如表 4，分别分析不 同 V、N 含量下 V--C--N 的析出物热力学情况． 通过热力平衡方程组可以得出一定温度下析出物 的含量、亚点阵中不同元素原子分配比随钢中初始微 合金元素及碳氮含量变化而改变． 对所联立的析出物 热力学平衡方程求解，分别计算出三组不同成分时随 着温度变化的 x、物质的量分数 f 及 V、C、N 在奥氏体 中的质量分数，如表 5 ～ 表 7． 表 4 热力学计算参数 Table 4 The parameters of thermodynamic calculations 参数 V C N 相对原子质量 50. 9 12. 0 14. 0 第一组质量分数/% 0. 020 0. 230 0. 010 第一组质量分数/% 0. 032 0. 240 0. 010 第一组质量分数/% 0. 042 0. 240 0. 010 表 5 第一组热力学计算结果 Table 5 The first group result of thermodynamic computation T /℃ x f γV γC γN 1300 1. 300 × 10 － 3 1. 000 × 10 － 6 2. 188 × 10 － 4 1. 070 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1200 3. 500 × 10 － 3 1. 000 × 10 － 6 2. 188 × 10 － 4 1. 070 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1100 1. 050 × 10 － 2 1. 000 × 10 － 6 2. 188 × 10 － 4 1. 070 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1000 3. 690 × 10 － 2 1. 000 × 10 － 6 2. 188 × 10 － 4 1. 070 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 900 1. 221 × 10 － 1 9. 100 × 10 － 5 1. 738 × 10 － 4 1. 070 × 10 － 2 3. 590 × 10 － 4 850 6. 971 × 10 － 1 1. 700 × 10 － 5 2. 108 × 10 － 4 1. 070 × 10 － 2 3. 964 × 10 － 4 800 6. 884 × 10 － 1 2. 630 × 10 － 4 8. 780 × 10 － 5 1. 062 × 10 － 2 3. 580 × 10 － 4 750 6. 795 × 10 － 1 3. 720 × 10 － 4 3. 329 × 10 － 5 1. 058 × 10 － 2 3. 394 × 10 － 4 700 5. 060 × 10 － 1 4. 010 × 10 － 4 1. 878 × 10 － 5 1. 061 × 10 － 2 3. 000 × 10 － 4 650 5. 231 × 10 － 1 4. 280 × 10 － 4 5. 280 × 10 － 6 1. 060 × 10 － 2 2. 970 × 10 － 4 600 5. 423 × 10 － 1 4. 360 × 10 － 4 1. 278 × 10 － 6 1. 059 × 10 － 2 2. 993 × 10 － 4 表 6 第二组热力学计算结果 Table 6 The second group result of thermodynamic computation T /℃ x f γV γC γN 1300 2. 200 × 10 － 3 1. 000 × 10 － 6 3. 503 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1200 5. 800 × 10 － 3 1. 000 × 10 － 6 3. 503 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1100 1. 740 × 10 － 2 1. 000 × 10 － 6 3. 503 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1000 6. 050 × 10 － 2 1. 000 × 10 － 6 3. 503 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 985 × 10 － 4 950 1. 128 × 10 － 1 3. 800 × 10 － 5 3. 319 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 821 × 10 － 4 900 6. 100 × 10 － 1 1. 000 × 10 － 6 3. 503 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 987 × 10 － 4 850 6. 906 × 10 － 1 2. 840 × 10 － 4 2. 089 × 10 － 4 1. 108 × 10 － 2 3. 551 × 10 － 4 800 6. 804 × 10 － 1 5. 270 × 10 － 4 8. 739 × 10 － 5 1. 100 × 10 － 2 3. 149 × 10 － 4 750 5. 001 × 10 － 1 5. 910 × 10 － 4 5. 538 × 10 － 5 1. 103 × 10 － 2 2. 513 × 10 － 4 700 7. 379 × 10 － 1 5. 990 × 10 － 4 5. 137 × 10 － 5 1. 096 × 10 － 2 3. 206 × 10 － 4 600 7. 105 × 10 － 1 5. 990 × 10 － 4 5. 137 × 10 － 5 1. 096 × 10 － 2 3. 124 × 10 － 4 表 7 第三组热力学计算结果 Table 7 The third group result of thermodynamic computation T /℃ x f γV γC γN 1300 2. 900 × 10 － 3 1. 000 × 10 － 6 4. 600 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1200 7. 600 × 10 － 3 1. 000 × 10 － 6 4. 600 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1100 2. 280 × 10 － 2 1. 000 × 10 － 6 4. 600 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 984 × 10 － 4 1000 7. 840 × 10 － 2 1. 000 × 10 － 6 4. 600 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 985 × 10 － 4 950 1. 275 × 10 － 1 1. 620 × 10 － 4 3. 795 × 10 － 4 1. 116 × 10 － 2 3. 283 × 10 － 4 900 6. 968 × 10 － 1 1. 000 × 10 － 6 4. 600 × 10 － 4 1. 117 × 10 － 2 3. 988 × 10 － 4 850 6. 865 × 10 － 1 4. 940 × 10 － 4 2. 136 × 10 － 4 1. 101 × 10 － 2 3. 217 × 10 － 4 800 5. 266 × 10 － 1 5. 990 × 10 － 4 1. 611 × 10 － 4 1. 102 × 10 － 2 2. 573 × 10 － 4 700 7. 378 × 10 － 1 5. 990 × 10 － 4 1. 611 × 10 － 4 1. 096 × 10 － 2 3. 206 × 10 － 4 600 7. 109 × 10 － 1 5. 990 × 10 － 4 1. 611 × 10 － 4 1. 096 × 10 － 2 3. 125 × 10 － 4 通过对不同钒含量螺纹钢析出热力学计算结果 ( 图 3) 发现，碳含量对钒析出物含量有一定影响，钒的 · 95 ·

60· 工程科学学报，第38卷，增刊1 析出物一般在900℃以下开始析出. B] Xu F Y,Bai B Z,Fang H S.Development of titanium m icro-allo- ying in high strength low alloy steel.Heat Treat Met,2007(12): 0.0006 ◆4 ·-G=0.23V=0.020N=0.01 2g -C=0.24V-0.032N=0.01 0.0005 -C-0.24V-0.042N=0.01 (许峰云，白秉哲，方鸿生.低合金高强度钢钛微合金化进展 0.0004 金属热处理，2007(12)：29) [4]Li Z,Wu D.Study of the high strength and low yield ratio cold 0.0003 forging steel.Mater Sci Eng A,2007(1)142 02 [5]Zong Y,Zhao L P,Ma Y L,et al.Continuous cooling transforma- tion behavior and micro-structure of low carbon Nb-bearing micro- 0.0001L alloyed steel.Mater Mech Eng,2011(7):31 (宗云，赵莉萍，麻永林，等.低碳含铌微合金钢的连续冷却相 50060070080090010001100120013001400 变行为及显微组织.机械工程材料，2011(7)：31) 温度汇 [6]Yang W Y,Hu A M,Qi JJ,et al.Microstructure refinement of 图3不同钒含量螺纹钢析出热力学计算 deformation-enhanced transformation in low carbon Steel.Chin J Mater Res,2001(2):171 Fig.3 The results of thermodynamic computation with different con- tent of V (杨正玥，胡安民，齐俊杰，等.低碳钢形变强化相变的组织细 化.材料研究学报，2001(2)：171) ] Wu LZ,Chen J,Zhang H B.Dynamic recrystallization of austenite 4结论 and grain refinement in 40Cr Steel.J Shanghai Jiaotong Unir, (1)试样不同位置晶粒度统计分析发现试样晶粒 2008(5):786 尺寸从中心到边缘处逐渐减小，并且随着V含量增 (伍来智，陈军，张鸿冰.40C钢奥氏体动态再结品及品粒细 化.上海交通大学学报，2008(5)：786) 加，试样晶粒度从6.7增加到7.3. 8] Li Y,Crowther D N,Mitchell P S,et al.The evolution of micro- (2)通过对拉伸实验数据的分析发现，螺纹钢的 structure during thin slab direct rolling processing in vanadium mi- 屈服强度随着V含量增加而明显增加. croalloyed steels.IS/J Int,2002,42(6):636 (3)对不同钒含量螺纹钢中微合金元素析出强化 9] Cracknell A,Petch N J.Frictional forces on dislocation arrays at 效果进行了计算，结果发现V含量从0.020%增加到 the lower yield point in iron.Acta Metall,1955,3 (2):186 [10]Zou H,Kirkaldy J S.Thermodynamic calculation and experimen- 0.032%和0.042%的过程中，析出强化强度分别提升 tal verification of the carbonitridl austenite equilibrium in Ti-Nb 了34和39MPa. micro-alloyed steels.Metall Trans A,1992,23(2):651 (4)通过对不同钒含量螺纹钢析出热力学计算结 011 Cui X H,Xu Y B,Wang Z D,et al.Thermodynamic calculation 果发现，碳含量对钒析出物量有一定影响，钒的析出物 and analysis of carbon-nitride precipitation behavior in Nb-Ti 一般在900℃以下开始析出. Micro-alloyed.Res fron Steel,2005,32(5):3 (崔旭辉，许云波，王昭东，等.N凸一-T微合金钢碳氮化物的析 出热力学模型及分析.钢铁研究，2005,32(5)：3) 参考文献 [12]Xu Y B,Yu Y M,Wu D,et al.Thermodynamic Calculations of 1]Yang C F,Zhang Y Q,Liu S P.Strengthening mechanism in V-N Precipitation Behavior in Nb Micro-alloyed Steels.Chin Mater micro-alloyed reinforcing bar steels.Iron Steel,2001,36(5):55 Res,2009,20(1):104 (杨才福，张永权，柳书平.钒、氮微合金化钢筋的强化机制.钢 (许云波，于永梅，吴迪，等.Nb微合金钢析出行为的热力学 铁，2001,36(5)：55) 计算.材料研究学报，2009,20(1)：104) 2]Wei B,Han B,Yang Y,Tan W,et al.Research on low temperature [13]Gao N,Baker T N.Influence of AlN precipitation on thermody- rolling technology of low carbon steel.J Wuhan Unie Sci Technol, namic parameters in C-Al-V-N microalloyed steels.ISIJ Int, 2003(4):258 1997,37(6):596 (魏兵，韩斌，杨奕，等.低碳钢低温轧制工艺实验研究.武汉科 [14]Tumnbull D.Formation of crystal nuclei in liquid metals.J App 技大学学报，2003(4)：258) Phs,1950,21(10):1022

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 析出物一般在 900 ℃以下开始析出． 图 3 不同钒含量螺纹钢析出热力学计算 Fig． 3 The results of thermodynamic computation with different con￾tent of V 4 结论 ( 1) 试样不同位置晶粒度统计分析发现试样晶粒 尺寸从中心到边缘处逐渐减小，并且随着 V 含量增 加，试样晶粒度从 6. 7 增加到 7. 3． ( 2) 通过对拉伸实验数据的分析发现，螺纹钢的 屈服强度随着 V 含量增加而明显增加． ( 3) 对不同钒含量螺纹钢中微合金元素析出强化 效果进行了计算，结果发现 V 含量从 0. 020% 增加到 0. 032% 和 0. 042% 的过程中，析出强化强度分别提升 了 34 和 39 MPa． ( 4) 通过对不同钒含量螺纹钢析出热力学计算结 果发现，碳含量对钒析出物量有一定影响，钒的析出物 一般在 900 ℃以下开始析出． 参 考 文 献 ［1］ Yang C F，Zhang Y Q，Liu S P． Strengthening mechanism in V--N micro-alloyed reinforcing bar steels． Iron Steel，2001，36( 5) : 55 ( 杨才福，张永权，柳书平． 钒、氮微合金化钢筋的强化机制． 钢 铁，2001，36( 5) : 55) ［2］ Wei B，Han B，Yang Y，Tan W，et al． Ｒesearch on low temperature rolling technology of low carbon steel． J Wuhan Univ Sci Technol， 2003( 4) : 258 ( 魏兵，韩斌，杨奕，等． 低碳钢低温轧制工艺实验研究． 武汉科 技大学学报，2003( 4) : 258) ［3］ Xu F Y，Bai B Z，Fang H S． Development of titanium m icro-allo￾ying in high strength low alloy steel． Heat Treat Met，2007( 12) : 29 ( 许峰云，白秉哲，方鸿生． 低合金高强度钢钛微合金化进展． 金属热处理，2007( 12) : 29) ［4］ Li Z，Wu D． Study of the high strength and low yield ratio cold forging steel． Mater Sci Eng A，2007( 1) : 142 ［5］ Zong Y，Zhao L P，Ma Y L，et al． Continuous cooling transforma￾tion behavior and micro-structure of low carbon Nb-bearing micro￾alloyed steel． Mater Mech Eng，2011( 7) : 31 ( 宗云，赵莉萍，麻永林，等． 低碳含铌微合金钢的连续冷却相 变行为及显微组织． 机械工程材料，2011( 7) : 31) ［6］ Yang W Y，Hu A M，Qi J J，et al． Microstructure refinement of deformation-enhanced transformation in low carbon Steel． Chin J Mater Ｒes，2001( 2) : 171 ( 杨正玥，胡安民，齐俊杰，等． 低碳钢形变强化相变的组织细 化． 材料研究学报，2001( 2) : 171) ［7］ Wu L Z，Chen J，Zhang H B． Dynamic recrystallization of austenite and grain refinement in 40Cr Steel． J Shanghai Jiaotong Univ， 2008( 5) : 786 ( 伍来智，陈军，张鸿冰． 40Cr 钢奥氏体动态再结晶及晶粒细 化． 上海交通大学学报，2008( 5) : 786) ［8］ Li Y，Crowther D N，Mitchell P S，et al． The evolution of micro￾structure during thin slab direct rolling processing in vanadium mi￾croalloyed steels． ISIJ Int，2002，42( 6) : 636 ［9］ Cracknell A，Petch N J． Frictional forces on dislocation arrays at the lower yield point in iron． Acta Metall，1955，3( 2) : 186 ［10］ Zou H，Kirkaldy J S． Thermodynamic calculation and experimen￾tal verification of the carbonitrid1austenite equilibrium in Ti--Nb micro-alloyed steels． Metall Trans A，1992，23( 2) : 651 ［11］ Cui X H，Xu Y B，Wang Z D，et al． Thermodynamic calculation and analysis of carbon-nitride precipitation behavior in Nb--Ti Micro-alloyed． Ｒes Iron Steel，2005，32( 5) : 3 ( 崔旭辉，许云波，王昭东，等． Nb--Ti 微合金钢碳氮化物的析 出热力学模型及分析． 钢铁研究，2005，32( 5) : 3) ［12］ Xu Y B，Yu Y M，Wu D，et al． Thermodynamic Calculations of Precipitation Behavior in Nb Micro-alloyed Steels． Chin J Mater Ｒes，2009，20( 1) : 104 ( 许云波，于永梅，吴迪，等． Nb 微合金钢析出行为的热力学 计算． 材料研究学报，2009，20( 1) : 104) ［13］ Gao N，Baker T N． Influence of AlN precipitation on thermody￾namic parameters in C--Al--V--N microalloyed steels． ISIJ Int， 1997，37( 6) : 596 ［14］ Turnbull D． Formation of crystal nuclei in liquid metals． J Appl Phys，1950，21( 10) : 1022 · 06 ·