【文章內(nèi)容簡介】 加熱冷卻過程中影響晶粒成核和晶界遷移來影響晶粒尺寸。 含鈦鋼的晶粒長大溫度最高，依次為鈮、鋁及釩。但是從加入量講，在控軋和正火鋼中，鈮含量比較低，即鈮對(duì)晶粒細(xì)化的獨(dú)特影響表現(xiàn)在它對(duì)奧氏體再結(jié)晶有強(qiáng)烈的延遲作用，0．03％鈮即可將完全再結(jié)晶所需的最低溫度提高到950℃左右，從而顯著降低控軋對(duì)軋機(jī)負(fù)荷的要求。 (2)析出強(qiáng)化。微合金元素中僅鈮、釩、鈦有析出強(qiáng)化作用。鈮的強(qiáng)度增量主要靠晶粒細(xì)化(G)，而且在0．04％以下增加很快。而釩的強(qiáng)度增量主要靠析出強(qiáng)化(P)，晶粒細(xì)化的分量很小。鈦的作用居中，特點(diǎn)是0．08％以下主要靠晶粒細(xì)化，超過0．08％析出強(qiáng)化起主要作用。由于晶粒細(xì)化能降低脆性轉(zhuǎn)折溫度，而析出強(qiáng)化提高脆性轉(zhuǎn)折溫度，綜合影響的結(jié)果是，鈮在0．03％．0．04％以下，鈦在0．08％以下降低脆性轉(zhuǎn)折溫度，但是釩不論含量多少都將提高脆性轉(zhuǎn)折溫度。 (3)組織強(qiáng)化。微合金元素影響奧氏體轉(zhuǎn)變可以通過多種途徑。如果合金元素在奧氏體中處于固溶狀態(tài)，則如許多其他合金元素一樣會(huì)延遲奧氏體轉(zhuǎn)變。有時(shí)雖然數(shù)量很低，但作用很大。例如硼所起的通過抑制在奧氏體晶界上的形核而延遲轉(zhuǎn)變。0．002％硼就足以使轉(zhuǎn)變由鐵素體移至貝氏體區(qū)。但是如果微合金元素形成質(zhì)點(diǎn)在奧氏體中析出，則由于加速形核而對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變起相反的作用。 581．微合金化元素鈮、釩、鈦各有什么特點(diǎn)? 微合金化是少量添加某些元素，通過沉淀硬化或鐵素體晶粒細(xì)化來增加強(qiáng)度。用來產(chǎn)生這種效應(yīng)的元素包括鈦、鈮和釩。這三種元素都可產(chǎn)生所希望的強(qiáng)化效果，但由于他們的機(jī)制不同，所采用的工藝也不相同。 鈦：鈦?zhàn)钜籽趸?，在脫氧和連鑄過程中應(yīng)加以注意。世界上大多數(shù)鋼筋的制造用硅錳鋼連鑄。鈦回收率很不穩(wěn)定，而且可能發(fā)生流程阻斷問題。原因是在鋼從鋼水包到鑄造模具的澆鑄過程中鈦的再氧化。另外，鈦在再加熱過程中必須處于溶解狀態(tài)以便在軋制過程中沉淀為TiC質(zhì)點(diǎn)以產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。但是由于鈦與氮、硫更易結(jié)合，TiC沉淀作用可能會(huì)減弱。 鈮：鈮的作用通常是作為低碳鋼微合金化元素，它也是工藝過程中各種變量的函數(shù)。微合金化鋼強(qiáng)度的變化是在各種溫度下合金溶解量的直接結(jié)果。1150～1250℃是軋制鋼筋的正常再加熱溫度，再加熱溫度的少量變動(dòng)就會(huì)影響含鈮熱軋鋼筋的最后性能。 鈮通過細(xì)化鐵素體晶粒尺寸，起到強(qiáng)化作用。通過以低于再結(jié)晶停止溫度進(jìn)行終軋來完成。這一工藝又稱為正火控制軋制。這種控制軋制工藝很難在現(xiàn)代高速軋機(jī)上實(shí)施，因?yàn)樵谲堉七^程中對(duì)平衡鋼筋溫度的時(shí)間有要求。它還要求在軋機(jī)系統(tǒng)增加額外水冷能力。 釩：與鈦相比，釩的氮化可能性低，所以釩回收率穩(wěn)定而且可預(yù)測。軋制工藝與軋制普碳鋼鋼筋沒有根本變化。正常再加熱溫度(1150—1250℃)足以使釩處于溶解狀態(tài)?？梢允褂谜＼堉茰囟龋?yàn)殁C的碳氮化物的沉淀強(qiáng)化發(fā)生在奧氏體轉(zhuǎn)化為鐵素體／珠光體的相變過程之中或之后。 釩的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)氮有較強(qiáng)的親和力?；钴S的氮或“自由”氮具有應(yīng)變時(shí)效性，這是一種發(fā)生在塑性變形后室溫下的脆化過程。在鋼筋應(yīng)用中，經(jīng)常根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行彎曲。這部分鋼筋會(huì)隨時(shí)間失去韌性，無法抗大地震。因此，某些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大氮含量。實(shí)際上，不高于0．012％的未結(jié)合氮是允許的，高于此限的氮應(yīng)與其他合金元素結(jié)合。在某些冶煉過程中，例如電弧爐，很難保持氮低于0．012％，添加釩就成為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的手段。 氮對(duì)釩的親和力還有第二個(gè)作用。釩的碳氮化物的沉淀顆粒的大小和分布決定著釩的沉淀強(qiáng)化作用的效果。大量研究證實(shí)，釩碳氮化物V(C，N)中氮的增加會(huì)使沉淀顆?？s小，從而增加沉淀顆粒的數(shù)量。這些細(xì)小和大量的析出質(zhì)點(diǎn)使強(qiáng)化效果更有效。 582．微合金化元素鈮、釩、鈦在鋼筋中作用有何不同? 微合金化元素主要作用有以下四點(diǎn)： (1)減少夾雜，改善鋼的純凈度，提高鋼的延性；(2)利用晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化，降低鋼的碳當(dāng)量；(3)通過組織均勻化實(shí)現(xiàn)性能的均勻化；(4)獲得較低的成本尸l生能比的新型鋼材。 鈮、釩、鈦對(duì)強(qiáng)韌化因素比較見表213，鈮、釩、鈦對(duì)力學(xué)性能的影響比較見圖25。 583．為什么晶粒細(xì)化是鋼筋最重要的強(qiáng)化方式? 在鋼筋強(qiáng)化方式方面，存在著兩種不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)——晶粒細(xì)化主導(dǎo)論與析出主導(dǎo)論?，F(xiàn)今被廣為利用的是以晶粒細(xì)化為主導(dǎo)的強(qiáng)度表達(dá)式： △σy=Kyd1／2式中：Ky——晶粒細(xì)化強(qiáng)化系數(shù)； d——鐵素體晶粒尺寸。 晶粒細(xì)化對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，亞晶和胞壁結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度也有作用。有人認(rèn)為，尺寸在0．4腳以下胞壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化是主要的，0．4腳以上則是晶界和亞晶界對(duì)強(qiáng)化起主導(dǎo)作用。 這里還有一些問題需說明： (1)晶粒細(xì)化強(qiáng)化的本質(zhì)是晶粒間界的位錯(cuò)塞積，凡是影響晶粒間界的因素，自然也影響晶粒細(xì)化的強(qiáng)化效果。 (2)晶粒細(xì)化可以指鐵素體，也可以指珠光體、奧氏體、馬氏體等。晶粒尺寸是個(gè)廣義的名稱。 (3)在所有強(qiáng)韌化機(jī)制中，僅有晶粒細(xì)化既提高強(qiáng)度，又能改善韌性，所以它是鋼中最重要的強(qiáng)化方式。 (4)到目前為止，韌化理論的發(fā)展滯后于強(qiáng)化理論，這與韌性指標(biāo)的不確定性和韌化原理的復(fù)雜性有關(guān)。 584．什么階段的沉淀析出對(duì)鋼的強(qiáng)化最有效? 歸結(jié)到20世紀(jì)五六十年代有關(guān)材料學(xué)的重要爭論之一，認(rèn)為在低碳含量范圍內(nèi)，超越某個(gè)斷面尺寸，不論是板帶材還是長條材，鐵素體一珠光體組織的鋼難以達(dá)到400MPa的屈服強(qiáng)度水平，從而傾向于追求相變強(qiáng)化的途徑，于是熱處理鋼應(yīng)運(yùn)而生，甚至達(dá)到既耗費(fèi)合金資源又不節(jié)能的地步。與其同期登上冶金歷史舞臺(tái)的則是微合金化技術(shù)和控制軋制技術(shù)的開發(fā)。它摒棄了傳統(tǒng)的賴以提高碳含量和試圖擴(kuò)大固溶強(qiáng)化來增加鋼的強(qiáng)度的方式，而通過晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化手段把鋼的強(qiáng)韌化發(fā)揮到了極致，因此，鋼筋生產(chǎn)也被納入高技術(shù)新材料的范疇。 首先被注意到的是，微合金化元素表現(xiàn)出強(qiáng)烈地形成碳化物和氮化物傾向，卻又有相對(duì)較小的形成氧化物、硫化物或這些化合物固溶體的傾向。在這一特征方面鈮與釩類似，而大不同于鈦，在鋼中所有的氧、氮和硫被鈦完全消耗之前，鈦是不會(huì)生成碳化物的。 微合金元素的碳氮化物析出總是與基體(γ、α)晶格存在相當(dāng)大的錯(cuò)配，在較高溫度下以這些晶體缺陷為位錯(cuò)源，能消除那些析出物形成過程中可能產(chǎn)生的彈性應(yīng)變，幾乎起不到強(qiáng)化作用。而在相變完成后，在鐵素體晶內(nèi)均勻且彌散分布，才具有顯著的強(qiáng)化作用。 鋼筋生產(chǎn)的原理相同，可以置高溫下的析出于不顧，而僅指望在γ／α相變后鐵素體及貝氏體基體中碳氮化物的析出。 585．相變強(qiáng)化(組織強(qiáng)化)有什么特征? 我們知道，鋼的性能取決于鋼的組織結(jié)構(gòu)(或稱為鋼的組織及微觀精細(xì)結(jié)構(gòu))，而組織結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)是由相變決定的。最簡單的例子是低碳鋼在軋后隨冷卻條件的變化，有鐵素體+珠光體、鐵素體+貝氏體、馬氏體等幾種結(jié)構(gòu)。鋼的力學(xué)性能也隨之有很大的變化，從而可以生產(chǎn)出不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材品種，用于各種不同的作用。這種情況就歸屬于相變強(qiáng)化。 (1)鋼的化學(xué)成分決定要有結(jié)構(gòu)變化的原相(母相)，這是前提。 (2)發(fā)生相變有一個(gè)形核和長大的過程，例如隨冷卻條件的變化，相變有擴(kuò)散與無擴(kuò)散之別，在較高溫下的相變過程由擴(kuò)散控制，低溫下的相變?yōu)榍凶兛刂茩C(jī)制。 (3)應(yīng)變和冷卻是兩個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)條件，在外力的作用下，如熱加工或冷變形；在冷卻或在加熱的情況下，狀態(tài)失去了平衡，由高能量狀態(tài)向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 在400MPa級(jí)熱軋鋼筋中，有大角晶界的多邊形鐵素體與小角晶界的非多邊形鐵素體的區(qū)分，此外含有微合金化元素溶質(zhì)的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中具有非常高的位錯(cuò)密度。所以高強(qiáng)度鋼筋的生產(chǎn)，除了析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化外，相變強(qiáng)化也是鋼筋強(qiáng)韌化機(jī)制的不容忽視的因素。 586．微合金化鋼為什么不宜采用固溶強(qiáng)化方式? 因?yàn)楣倘軓?qiáng)化一般不作為微合金化鋼的主要強(qiáng)化手段。其原因如下： (1)固溶強(qiáng)化源于晶格畸變。 低碳鋼在常溫狀態(tài)屬于體心立方晶格結(jié)構(gòu)的材料，較小原子半徑的元素，如碳、氮，通常以間隙的形式固溶在鐵的晶格之中，固溶易造成晶格的畸變，使鋼的屈服強(qiáng)度提高。 (2)固溶強(qiáng)化受固溶度的限制。． 溶質(zhì)原子并不能無限地固溶人鐵的晶格中，這個(gè)限度稱為固溶度，在近平衡的狀態(tài)下，α—Fe中固溶碳、氮很少，起不到強(qiáng)化作用。 (3)固溶強(qiáng)化是可以估算的。 置換式固溶強(qiáng)化效果遠(yuǎn)低于間隙式固溶，置換固溶強(qiáng)化效果大的元素又對(duì)韌性的危害也較大，所以一般微合金化鋼中并不利用鈮、釩、鈦等元素的置換固溶強(qiáng)化方式。 然而，碳、錳、硅、磷、銅等元素，尤其是碳和錳是主要的固溶強(qiáng)化元素，這也是20MnSi不能作為高等級(jí)鋼筋的原因。 587．納標(biāo)前對(duì)微合金化400MPaⅢ級(jí)鋼筋是如何評(píng)價(jià)的? 1991年將400MPaⅢ級(jí)鋼筋納入GB 1499—91和GB 13014—91。同時(shí)編制了YB 1070—93應(yīng)用技術(shù)規(guī)程。為將此科研成果盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力用于工程，原冶金部V—Ti鋼領(lǐng)導(dǎo)小組受部科技司委托，在攀鋼人力、財(cái)務(wù)上的大力支持下，經(jīng)過不懈努力，積極組織有關(guān)部門，于1996年局部修訂了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》。同年建設(shè)部發(fā)布5號(hào)公告，要求自1997年1月1日起實(shí)施。 “六五”國家科技攻關(guān)，由原冶金部建筑研究總院牽頭，鞍鋼、首鋼、上鋼三廠、唐鋼、攀鋼等單位參加，通過添加微合金元素及采用穿水冷卻工藝研試成功的20MnSiV、20MnTi、K20MnSi400MPaⅢ級(jí)鋼筋，經(jīng)專家鑒定，其性能達(dá)到國際同級(jí)鋼筋水平。經(jīng)工程試驗(yàn)考核證明其性能優(yōu)良。 (1)高強(qiáng)度，σs400MPa，σb570MPa，δ523．4％。強(qiáng)度和塑性獲得較好配合。強(qiáng)度、韌性各項(xiàng)指標(biāo)都超過GB 1499—9l標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)附件A較高質(zhì)量鋼筋的技術(shù)條件。 (2)焊接性能良好，適應(yīng)各種焊接方法。電弧焊、閃光對(duì)焊合格率100％，焊縫強(qiáng)度與母材等強(qiáng)，試驗(yàn)中無一根斷在接頭或熱影響區(qū)。焊接參數(shù)范圍較寬，焊工易掌握。 (3)強(qiáng)屈比σb／σs1．25，有利于提高抗震性能。 (4)應(yīng)變時(shí)效敏感性低，將試樣預(yù)變形7．5％，在100℃下時(shí)效3h，相當(dāng)于15℃下自然時(shí)效9個(gè)月，再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，該鋼筋具有抗變形時(shí)效能力。 (5)脆性轉(zhuǎn)變溫度低，在一40％條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所有試樣斷裂時(shí)均為塑性斷口。在一40℃下進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，全部試樣通過常溫冷彎規(guī)定指標(biāo)。 (6)有較高的高應(yīng)變低周疲勞性能。地震斷裂過程與高應(yīng)變低周疲勞行為極為類似。用有高應(yīng)變低周疲勞抗力較高的鋼材，有利于提高工程結(jié)構(gòu)抗地震破壞能力。 400MPaⅢ級(jí)鋼筋生產(chǎn)工藝成熟，工藝參數(shù)范圍較寬，性能穩(wěn)定，是物美價(jià)廉的冶金產(chǎn)品，建筑業(yè)的好材料。第三節(jié)400MPaⅢ級(jí)熱軋鋼筋生產(chǎn)要領(lǐng) 588．煉鋼中要掌握哪些基本要素? 現(xiàn)在首先要改變鋼筋是技術(shù)要求最低的鋼材品種的觀念，要改變不需要講究工藝技術(shù)操作的管理思路，現(xiàn)今的生產(chǎn)裝備已成為不斷提高鋼筋質(zhì)量，為建筑業(yè)提供優(yōu)質(zhì)鋼材的重要條件。 煉鋼操作要求做到以下幾點(diǎn)： (1)實(shí)現(xiàn)鐵水預(yù)脫硫； (2)轉(zhuǎn)爐冶煉，執(zhí)行脫磷、碳、氮的工藝規(guī)程； (3)無渣出鋼； (4)保證鋼的內(nèi)控的潔凈度水平； (5)實(shí)施成分微調(diào)和成分、溫度均勻化的精煉工序； (6)避免鋼水的二次氧化和回硫； (7)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚤ＷC內(nèi)控成分。 提高能力指數(shù)(CP)——分析偏差與操作偏差增大6倍的比值： CP=F/6σ實(shí)驗(yàn) 589．如何選擇爐外精煉工藝? 現(xiàn)代煉鋼工藝十分靈活，可根據(jù)鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)和工程用途選擇適宜的爐外精煉方式，目前就精煉技術(shù)而言，[C]、[P]、[S]、[N]、[P]和[H]可以達(dá)到相當(dāng)高的水平，見表214。 不同的工藝對(duì)[C]、[P]及[S]、[O]的影響見圖26。 590．對(duì)連鑄操作有什么要求? 連鑄工藝的基本要點(diǎn)： (1)為保證鋼材的質(zhì)量，需要盡可能地減少連鑄坯的缺陷。 (2)連鑄坯橫裂的根源在于高溫低塑性和塑性低谷區(qū)的矯平操作，為此要采取針對(duì)性的措施。 (3)注意鋼的總體成分的控制，應(yīng)當(dāng)把微鈦處理放在第一位。 (4)采取弱二冷制度，以期實(shí)現(xiàn)全板坯長溫度在臨界溫度(Ar3)以上，弱冷和強(qiáng)冷對(duì)延展性影響的比較見圖27。 (5)矯平段溫度高于碳氮化物析出的高峰區(qū)，危險(xiǎn)的是熱應(yīng)力、析出應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的合一，隨著熱裝及直軋技術(shù)的推廣，在線表面檢驗(yàn)和修磨十分困難，生產(chǎn)無缺陷連鑄坯是最高目標(biāo)。 591．如何確定鋼坯的適宜均熱溫度? 鈮微合金化鋼的鋼坯均熱溫度要按鈮固溶度積來確定： lg[Nb][C+12／14N]=2．26—6770／T 在此溫度下可以使鋼中的鈮處于完全的溶解狀態(tài)，也只有在高溫下先期實(shí)現(xiàn)了全部固溶，才能保證隨后的變形和冷卻過程更多的析出，達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)化效果。 以往對(duì)微合金化控軋控冷鋼要求較低的均熱溫度，其出發(fā)點(diǎn)有兩重含義： (1)保留部分未溶解碳氮化物的顆粒，一定程度上可以起到抑制r再結(jié)晶晶粒粗化的作用； (2)以利于在較低溫度下開軋，或使軋制全程在γ——非再結(jié)晶區(qū)完成。 過低的均熱溫度，或許可以實(shí)現(xiàn)低溫終軋，而不利的方面是：為達(dá)到預(yù)期的析出強(qiáng)化效果，必須付出增加鈮含量的代價(jià)。 592．熱裝熱送條件下對(duì)鋼坯加熱要注意些什么? 采取熱裝熱送工藝，節(jié)能降耗是肯定的。 若鋼坯的入爐溫度已在A r3點(diǎn)以下，也就是說鋼已完成γ→α的相變過程，以及微合金元素的部分脫溶，在爐中加熱后又發(fā)生γ→α的轉(zhuǎn)變，無異于傳統(tǒng)的連鑄坯冷裝加熱的結(jié)果，微細(xì)的差別在于要考慮已析出的碳氮化物如何重新溶入，熱裝溫度愈低，這個(gè)問題愈加突出。 若熱裝溫度高于A r3，即相當(dāng)于連鑄連軋的工藝條件，應(yīng)當(dāng)如同CSP流程的情況，鋼內(nèi)組織缺乏一次的重結(jié)晶過程，入爐前鋼坯的原始奧氏體晶粒比較粗大，隨后粗軋工藝制度的制定要