不同冷却速度下500MPa级抗震钢筋组织的演变规律

黎志英 李长荣 曾泽芸 陈龙海 李正嵩 刘占林

摘 要：为了分析冷却速度对Nb-V微合金化高强度抗震钢筋微观组织演变规律的影响，利用热模拟试验机、金相显微镜、场发射扫描电子显微镜和维氏硬度计进行相变规律研究、显微组织形貌观察和维氏硬度测试，利用热膨胀法和金相法测定了实验钢的连续冷却转变（continuous cooling transformation，CCT）曲线。结果表明：当冷却速度为0.3～0.5 ℃/s时，获得的相变组织为铁素体和珠光体;当冷却速度为1～3 ℃/s时，获得的相变组织为铁素体、珠光体和贝氏体;当冷却速度为5～10 ℃/s时，获得的相变组织为铁素体和贝氏体;当冷却速度为15 ℃/s时，获得的相变组织为铁素体、贝氏体和马氏体;当冷却速度为20 ℃/s时，获得的相变组织为马氏体;当冷却速度小于5 ℃/s时，实验钢室温组织的显微硬度随着冷却速度的增加而增大，硬度曲线的斜率变化相对迅速;当冷却速度为5～20 ℃/s时，实验钢获得相变组织的显微硬度随冷却速度的提升缓慢增加;当冷却速度达到20 ℃/s时，实验钢获得相变组织的显微硬度最大。

关键词：热模拟试验机;Nb-V复合微合金化;相变规律;维氏硬度;CCT曲线

中图分类号：TG142.1

文献标识码： A

文章编号 1000-5269（2020）05-0061-06   DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2020.05.10

高强度抗震钢筋在我国建筑、桥梁等行业中广泛应用 [1-2]，强屈比、屈屈比、最大总拉伸率3个强度指标已纳入抗震钢筋的抗震性能要求[3-5]。近年来由于地震的频发，造成建筑物倒塌而带来巨大灾难。2018年11月1日，新标准GB/T 1499.2—2018的实施，进一步提高了钢筋混凝土用钢的质量要求[6]。

为了满足超高强度和良好韧性的要求，在钢中添加少量的晶粒细化元素，如铌、钒和钛[7-10]。微合金元素Nb、V可与C或N结合形成分散的钉扎颗粒，以抑制晶粒生长并提供对奥氏体晶粒粗化的抵抗力[11-12]。国内外学者开展了冷却速度对微合金钢组织转变规律的影响的相关研究：测定CCT曲线的主要方法有[13-17]热分析法、热膨胀法、金相法等;甘晓龙等[18]对Ti-V复合微合金化高强钢CCT曲线进行了测定与分析，研究结果表明，随着冷却速度的增大，试验钢的显微硬度逐渐增大;AKHLAGHI等[19]研究了在Nb-V-Ti微合金钢连续冷却过程中形成的析出物。

为解决Nb-V微合金化钢筋生产过程中的组织性能控制问题，本文以某钢厂熔炼的Nb-V微合金化500 MPa级高强度抗震钢筋为研究对象，分析不同冷却速度对Nb-V微合金化500 MPa级高强度抗震钢筋相变规律的影响，测定相变产物的显微硬度。研究成果可为500 MPa级高强度抗震钢筋在控冷制度方面提供理论参考。

1 实验原料及方法

实验钢原材料来自于贵州省某钢厂，实验钢主要的化学成分如表1 所示。实验钢用钢锭的截面尺寸为160 mm×160 mm，长度为12.05 m，加热轧制加工后尺寸为Φ12 mm×9 m，空冷至室温，从心部截取Φ8 mm×12 mm的试样，并在热膨胀仪THERMECMASTOR-Z型上进行膨胀曲线的测定。

不同冷却速度下的膨胀曲线采用切线法获得相变点，如图1所示。在热膨胀仪上进行的热工艺路线：先将试样以5 ℃/s加热至1 100 ℃，保温5 min，然后分别以0.3、0.5、1、1.5、2、2.5、3、5、10、15、20 ℃/s的冷却速度冷却至室温。将不同冷却速度下的热膨胀曲线数据借助origin软件进行处理，找出相变开始点温度和结束点温度，取样、打磨、抛光、腐蚀（4%的硝酸酒精溶液）后，利用OLYMPUS金相显微镜和SUPRA40扫描电镜进行显微组织分析和形貌观察，利用HVS—1000型全自动显微硬度计测样品的显微硬度，结合实验数据和相变产物，使用origin软件绘制出实验钢的静态CCT曲线。

2 實验结果及分析

2.1 实验钢微观组织和显微硬度的分析

不同冷却速度下实验钢的金相显微组织如图2所示。

从图2可知：当冷却速度为0.3～0.5 ℃/s时，实验钢获得的微观组织为珠光体和铁素体。根据非均匀形核经典理论，随着冷却速度的提高，过冷度增加，形核功降低，新铁素体晶粒就会在原来铁素体基体上形核和长大，延缓过冷奥氏体中铁素体转变，最终细化铁素体晶粒。当冷却速度为1 ℃/s时，开始出现贝氏体，实验钢获得的微观组织为珠光体、铁素体和少量贝氏体;当冷却速度为2～3 ℃/s时，珠光体片层缓慢消失，实验钢获得的微观组织为大量贝氏体+铁素体+珠光体;当冷却速度为5～10 ℃/s时，实验钢获得的微观组织为铁素体+贝氏体;当冷却速度为15 ℃/s时，实验钢获得的微观组织为马氏体。由相变的经典理论可知，铁素体相变属于扩散型相变，冷却速度的提升使奥氏体中的原子扩散受到抑制，相变产生的孕育期增加，有利于实验钢微观组织的转变。

不同冷却速度下实验钢的SEM形貌如图3所示。实验钢转变后组织结果见表2。从图3可以看出：当冷却速度为0.3～15 ℃/s时，铁素体主要为多边形组织，其所占比例逐渐减少，贝氏体逐渐增多，冷却速度为15 ℃/s时，开始出现马氏体;当冷却速度为0.3～3 ℃/s时，珠光体主要为片层组织。

随着冷却速度的增加，铁素体所占的比例降低，主要有以下两个方面：一是新旧两相的自由能差增加，晶界形核功降低，铁素体在过冷奥氏体基体上的形核率逐渐降低;二是由于冷却速度的降低，新旧两相之间的原子扩散能力减弱，铁素体在过冷奥氏体基体上的形核受扩散控制，在γ→α转变过程中，铁素体所占比例逐渐降低。

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（責任编辑：周晓南）