Cr含量對500MPa級高強抗震鋼筋奧氏體化的影響

王聞濤，劉 星，曹建春*，陳 偉，陰樹標(biāo)

（1.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650093；2.寶武鋼鐵集團(tuán)昆明鋼鐵股份有限公司,云南 昆明 650302；3.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093）

0 引言

高強抗震鋼筋在建筑結(jié)構(gòu)用鋼中需要具備良好的綜合性能，這些良好的綜合性能包括高強度、良好的抗震性能和耐腐蝕性能等。要提高鋼筋的綜合性能，除了需要加入一些微合金化元素外，還需要加入Cr，Cr 能夠提高鋼筋的耐腐蝕性能。在低碳鋼中加入Cr 可以影響其它合金元素的固溶和析出。牛延龍[1]等人在研究Cr 含量對鋼再結(jié)晶的影響時，發(fā)現(xiàn) Cr 元素的添加會顯著增加 VC 的固溶度，增加VC 在奧氏體中的飽和度，從而減少 VC 的析出，提高 VC 的飽和度，延遲再結(jié)晶。在一定溫度下，隨著Cr 含量的提高，會延遲奧氏體再結(jié)晶，使用VCr 復(fù)合微合金化技術(shù)生產(chǎn)的鋼筋顯著提高了應(yīng)力應(yīng)變，其力學(xué)性能（強度、塑性和抗震性）與V 微合金化鋼筋相比，均有所提高。Cr 在鋼中的強化作用主要是通過細(xì)化晶粒、鉻釩復(fù)合析出提高鋼的強度，有研究人員[2]認(rèn)為，采用釩微合金化結(jié)合控扎控冷技術(shù)可使鋼的屈服強度提高到500 MPa 級以上，組織中鐵素體的晶粒尺寸在5 μm 左右。由于釩的價格昂貴且容易波動，一些企業(yè)開始采用鉻釩復(fù)合微合金化技術(shù)配合控軋控冷工藝，開發(fā)出500 MPa 級高強度抗震鋼筋的技術(shù)[3]，降低釩鐵合金的用量，產(chǎn)品質(zhì)量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1499.2-2018 的要求。采用Cr-V 復(fù)合微合金化技術(shù)生產(chǎn)的鋼筋比單V 或者單Cr 微合金化鋼筋的組織均勻性更好和晶粒度更小[4]。在鉻釩微合金化的基礎(chǔ)上，陳偉[5]等人研究出高氮量的鉻釩微合金化技術(shù)試制600 MPa 高強抗震鋼筋，該鋼筋綜合性能優(yōu)異。但總體來看，目前對Nb-V 復(fù)合微合金化高強抗震鋼筋的研究比較廣泛，而對V-Cr 復(fù)合微合金化高強抗震鋼筋的研究還不夠深入。

筆者以Cr 含量不同的500 MPa 級高強抗震鋼筋為研究對象，重點研究不同Cr 含量試驗鋼在不同鑄坯再加熱溫度、不同保溫時間條件下奧氏體晶粒的長大行為，分別獲得三種含Cr 鋼筋原始奧氏體組織形貌、平均奧氏體晶粒尺寸大小和晶粒尺度分布情況，結(jié)合Cr 元素在試驗鋼中的固溶情況，得出Cr元素對奧氏體轉(zhuǎn)變及晶粒長大過程的影響規(guī)律，為V-Cr 復(fù)合微合金化高強抗震鋼筋鑄坯再加熱階段工藝參數(shù)優(yōu)化提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料及方法

按照500 MPa 級高強抗震鋼筋的要求，設(shè)計了三種不同Cr 含量的試驗用鋼，在某鋼廠進(jìn)行生產(chǎn)，其具體化學(xué)成分如表1 所示。V 為強碳氮化物形成元素，故試驗鋼中含有的碳化物和氮化物有VC 和VN，根據(jù)相關(guān)公式（1）、（2）[6-7]可計算出其全固溶溫度，并結(jié)合Ac3溫度選定熱處理試驗的加熱溫度。

表1 不同Cr 含量試驗鋼的化學(xué)成分Table 1 Compositions of experimental steels with different Cr contents %

式中，w[V]、w[N]、w[C]分別表示V、N、C 在試驗鋼中的固溶量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），T表示加熱溫度（℃）。通過計算，三種鋼筋中VC 的全固溶溫度分別為855、859、851 ℃，VN 的全固溶溫度分別為1 067、1 065、1 080 ℃。同時采用Thermo-Calc 軟件計算得到不同Cr 含量的試驗鋼的Ac3溫度分別為890、900、910 ℃。為了確保VC 和VN 能全部固溶到基體中，并考慮到實際生產(chǎn)中加熱爐設(shè)備所能達(dá)到的實際溫度，奧氏體化熱處理試驗選用五個再加熱溫度分別設(shè)置為950、1 000、1 050、1 100 ℃和1 150 ℃。

熱處理保溫時間因受加熱試驗鋼樣厚度大小、傳熱介質(zhì)因素、試驗鋼中合金元素、具體加熱方式和具體裝爐方式等因素的影響，根據(jù)試驗情況確定。工件的加熱時間可通過公式（3）進(jìn)行計算。

式中，t表示工件加熱的時間（min）；D表示試驗鋼棒狀試樣的直徑（mm）；α表示加熱系數(shù)（mm/min）；κ表示裝爐系數(shù)。將試驗鋼試樣加工成直徑?為12 mm 的棒，采用箱式電阻爐進(jìn)行加熱。故加熱系數(shù)α 取1.3 mm/min；裝爐系數(shù)κ值取1.4，帶入公式（3）計算得到保溫時間大約為22 min。

為盡可能避免試驗誤差，將保溫時間適當(dāng)延長，設(shè)置保溫時間為30 min。為探索保溫時間對于奧氏體均勻化的影響，所以再增加60、90 min 兩個保溫時間。

將試樣放入箱式加熱爐內(nèi)以10 ℃/s 的加熱速度從室溫分別加熱至預(yù)設(shè)溫度950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃，分別保溫30、60、90 min 后，迅速取出并立即放入10%冰鹽水中淬火。熱處理后的試樣經(jīng)磨制、拋光、苦味酸溶液侵蝕后，再在光學(xué)顯微鏡下觀察原始奧氏體晶粒形貌。采用軟件Nano measurer.exe 對熱處理后試樣的原始奧氏體晶粒尺寸進(jìn)行測量。利用掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜儀觀察分析試驗鋼奧氏體晶界處含Cr 量的分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄坯再加熱溫度和保溫時間對三種含Cr 試驗鋼的原始奧氏體晶粒的影響

分別在950、1 000、1 050、1 100 ℃和1 150 ℃下保溫30 min 后試驗鋼的原始奧氏體晶粒形貌如圖1 所示。隨再加熱溫度的升高，試驗鋼奧氏體晶粒尺寸增大。當(dāng)再加熱溫度為950、1 000 ℃時，三種含Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸分布不均勻，存在很多極細(xì)小的晶粒，說明奧氏體沒有完全均勻化。當(dāng)鑄坯再加熱溫度為1 000 ℃時，0.24Cr 鋼的平均奧氏體晶粒尺寸最小，為21.52 μm，但奧氏體晶粒均勻性最差；在三種不同含Cr 量試驗鋼中，0.04Cr 鋼的原始奧氏體晶粒尺寸分布是最均勻的，但晶粒尺寸最大，為30.58 μm。在較低的再加熱溫度下，隨著Cr 含量的增大，明顯細(xì)化了奧氏體晶粒。

圖1 三種含Cr 鋼筋在不同鑄坯再加熱溫度下的奧氏體晶界形貌Fig.1 Austenitic grain boundary morphologies of different Cr-containing steels at different soaking temperatures

當(dāng)再加熱溫度從1 000 ℃達(dá)到1 050 ℃時，0.04Cr、0.24Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸增加，奧氏體平均晶粒尺寸分別為55.83 μm 和56.77 μm，奧氏體均勻性明顯提高。而Cr 含量為0.07%的試驗鋼，奧氏體平均晶粒尺寸為58.81 μm，此時基體中還有較多小尺寸奧氏體晶粒，說明奧氏體還沒完全均勻化。當(dāng)再加熱溫度為1 100 ℃和1 150 ℃時，0.04Cr 鋼和0.24Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸明顯增大。0.07Cr 鋼在1 100 ℃時的奧氏體晶粒均勻性較好，奧氏體平均晶粒尺寸為71.66 μm，雖比在1 050 ℃時的奧氏體均勻性提高很多，但有個別奧氏體晶粒已開始粗化，即可推測其最佳再加熱溫度在1 050～1 100 ℃。

由前面試驗結(jié)論推測得到1 050～1 100 ℃是最佳加熱溫度，為了使試驗規(guī)律更加明顯，選擇了1 000、1 100 ℃的再加熱溫度做了三個不同保溫時間的對比。圖2 為三種含Cr 試驗鋼在1 000、1 100 ℃下保溫60 min 和90 min 后的奧氏體晶粒形貌。對比在1 000 ℃保溫60 min 后三種試驗鋼奧氏體晶粒可知，0.04Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸最大，平均晶粒尺寸為28.5 μm；0.24Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸最小，平均晶粒尺寸為24.5 μm，但奧氏體晶粒分布不均勻。將保溫時間延長至90 min 時，與60 min 相比，三種含Cr 試驗鋼的奧氏體晶粒尺寸都有所增大，平均晶粒尺寸分別為29.06、28.76 μm和27.80 μm。當(dāng)再加熱溫度升至1 100 ℃時，保溫60 min 和保溫90 min 的條件下都是0.24Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸最大，0.04Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸最小，晶粒尺寸分布較均勻，但是晶粒粗大。

圖2 在1 000、1 100 ℃時保溫時間為60 min 和90 min 的三種含Cr 鋼筋的奧氏體晶界形貌Fig.2 Austenitic grain boundary morphology of different Cr-containing steel bars under different holding time at 1 000 and 1 100 ℃

圖3 為在1 000、1 100 ℃保溫不同時間下試驗鋼奧氏體平均晶粒尺寸變化。在1 000 ℃時，隨著保溫時間從30 min 增加到90 min，試驗鋼奧氏體平均晶粒尺寸增大。在三種試驗鋼中，0.24 Cr 鋼奧氏體晶粒尺寸增長得最快，從平均晶粒尺寸為21.5 μm 長大到26.2 μm，0.04Cr 和0.07 Cr 鋼奧氏體晶粒尺寸增長得較慢，但0.24Cr 鋼的晶粒尺寸最小。在1 100 ℃時，隨著保溫時間從30 min 增加到90 min，0.24Cr 鋼的奧氏體平均晶粒尺寸明顯比0.04Cr、0.07Cr 鋼的大，隨鋼中Cr 含量增加，奧氏體平均晶粒尺寸增大?？梢?，在1 000 ℃加熱保溫條件下，Cr 含量增加可以降低奧氏體晶粒尺寸；而在1 100 ℃加熱保溫條件下，Cr 含量增加會促進(jìn)奧氏體晶粒長大。

圖3 在(a) 1 000、(b) 1 100 ℃下保溫30、60、90 min 時不同含Cr 鋼筋的奧氏體晶粒尺寸Fig.3 Austenitic grain size of different Cr-containing steel bars at 1 000,1 100 ℃ for 30,60,90 min

2.2 固溶Cr 原子的偏聚對奧氏體化的影響

圖4 是三種含Cr 鋼在不同再加熱溫度下保溫30 min 時的線掃描圖和能譜，0.04Cr 鋼奧氏體晶界處的Cr 含量比0.07Cr 鋼更加聚集。由圖4 (c)可知，再加熱溫度為1 100 ℃時，0.24Cr 鋼中Cr 在奧氏體晶界處的聚集較少。由圖2 可知，延長保溫時間，三種試驗鋼的奧氏體晶粒都在長大，但三種含Cr 鋼的增長都不大。隨著保溫時間的延長，含Cr量高的試驗鋼晶粒尺寸生長的速率較快，和Cr 元素在晶界處的聚集有一定的關(guān)系。

圖4 不同條件下試驗鋼中Cr 元素分布的線掃描和能譜Fig.4 Line scan and energy spectrum of Cr element distribution in the test steel under different conditions

趙宇新[8]等人研究可知Cr 鋼中Cr 原子發(fā)生聚集會對奧氏體晶粒的增長產(chǎn)生阻礙作用，而這種阻礙作用和鑄坯再加熱溫度有一定的關(guān)系。相關(guān)研究[9-10]也表明Cr 對奧氏體晶粒有抑制長大的作用。筆者研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cr 含量高，加熱溫度較低時，Cr 對奧氏體晶粒有抑制長大的作用，當(dāng)加熱溫度在1 050 ℃以上時，固溶Cr 原子在晶界處會解開釘扎，奧氏體晶粒生長速率加快。根據(jù)Cr 和C 的相互作用系數(shù)公式[5]（如公式（4）），可以算出不同再加熱溫度下Cr 和C 的相互作用系數(shù)分別為-10.87、-10.17、-9.52、-8.92、-8.36。不同再加熱溫度下Cr 和C的相互作用系數(shù)均為負(fù)數(shù)，說明Cr 可以降低C 的活度，Cr 與C 的相互作用能延遲試驗鋼的奧氏體化。

當(dāng)再加熱溫度低時，Cr 釘扎在奧氏體晶界，使晶界的遷移速率減慢，所以隨鋼中Cr 含量增加，奧氏體晶粒的生長速率減慢，奧氏體晶粒細(xì)化；當(dāng)再加熱溫度高時，由于原子擴(kuò)散能力增大，Cr 在晶界偏聚程度減弱甚至消除，晶界脫釘，這樣反而導(dǎo)致晶粒更容易長大[11-12]。綜上所述，固溶Cr 原子低溫下易在晶界處偏聚，降低奧氏體晶界遷移速率，從而細(xì)化晶粒；高溫下，固溶Cr 原子分布均勻，晶界解釘，晶界移動速率增大，奧氏體晶粒長大快，使奧氏體晶粒粗大化。

對比圖1 和圖2 中相同鋼在1 100 ℃下保溫不同時間后的晶粒尺寸，可以看出在1 100 ℃下保溫時間60 min 的晶粒尺寸明顯比在1 100 ℃下保溫時間30 min 的大。廖書全[9]等人認(rèn)為，保溫時間的增加，會影響固溶元素溶解速率，使奧氏體晶粒尺寸改變。因為試驗鋼中Cr、V 含量越多，固溶Cr、V 原子越來越多，固溶Cr、V 原子會聚集在奧氏體的晶界，抑制奧氏體晶粒長大，隨著保溫時間從30 min 延長到60 min 或90 min 時，Cr、V 含量大量溶解，抑制作用減小，奧氏體晶粒迅速長大。

2.3 試驗鋼最佳再加熱溫度的確定

原始奧氏體組織的大小和均勻性對鋼筋最終組織和性能有顯著的影響。而原始奧氏體晶粒的大小和均勻性又與鑄坯再加熱溫度、合金化元素等因素有直接聯(lián)系。根據(jù)不同鑄坯再加熱溫度下不同Cr含量對奧氏體晶粒大小的影響，以及Cr 含量對奧氏體晶粒分布的影響來確定試驗鋼的最佳再加熱溫度。要保持奧氏體晶粒是均勻且細(xì)小的才能說明奧氏體化效果好，則要優(yōu)化不同含Cr 鋼筋的再加熱溫度，選擇符合正態(tài)分布的晶粒尺寸分布圖。對比圖1 與圖2 可知，在保溫時間為30 min 時，三種含Cr 鋼的原始奧氏體晶?？偸亲钚〉?。圖5 為試驗鋼在保溫時間為30 min 時的奧氏體晶粒平均尺寸隨再加熱溫度的變化，結(jié)合圖1、2、5 可知，隨著溫度的增加，三種鋼的奧氏體晶粒尺寸都是增大的，而奧氏體是由不均勻逐漸變得均勻，在1 050 ℃時，三種鋼的原始奧氏體晶粒是符合均勻且相對細(xì)小的晶粒。

圖5 奧氏體平均晶粒尺寸隨鑄坯再加熱溫度的變化規(guī)律Fig.5 Variation of average austenitic grain size with reheating temperature of the slab

圖6 為不同再加熱溫度下保溫30 min 的試驗鋼奧氏體晶粒尺寸分布。從圖6 可以看出，0.04Cr鋼和0.24Cr 鋼加熱溫度為1 050 ℃時晶粒分布更均勻，0.07Cr 鋼在1 050、1 100 ℃時的晶粒尺寸分布都不好，1 050 ℃時晶粒尺寸分布混亂，1 100 ℃時晶粒太過粗大，推測再加熱溫度為1 050～1 100 ℃的某一個溫度晶粒分布最為均勻。所以，含Cr 量為0.04 %、0.24 %時，最佳鑄坯再加熱溫度為1 050 ℃，Cr 含量為0.07%時，最佳鑄坯再加熱溫度在1 050～1 100 ℃。

圖6 再加熱溫度為1 050 ℃和1 100 ℃下的三種不同含Cr 鋼的奧氏體晶粒尺寸正態(tài)分布Fig.6 Austenitic grain size distribution of three Cr-containing steels at 1 050 ℃ and 1 100 ℃ reheating temperature

綜合對三種含Cr 試驗鋼的鑄坯再加熱工藝分析可知，三種含Cr 試驗鋼可以分別采用再加熱溫度為1 050 ℃、1 050～1 100 ℃、1 050 ℃，保溫時間為30 min 得到均勻且細(xì)小的奧氏體晶粒。

3 結(jié)論

1）不同再加熱溫度范圍內(nèi)，Cr 含量對試驗鋼奧氏體晶粒的影響規(guī)律不同。低于1 050 ℃時，隨再加熱溫度升高，鋼中Cr 含量增加，奧氏體晶粒尺寸減?。桓哂? 050 ℃時，隨再加熱溫度升高，鋼中Cr含量增加，奧氏體晶粒尺寸增大。

2）相同再加熱溫度下，隨保溫時間的延長，奧氏體晶粒長大。當(dāng)再加熱溫度低于1 050 ℃時，含Cr鋼奧氏體晶粒的生長速率慢，隨Cr 含量增加，奧氏體晶粒細(xì)化；當(dāng)再加熱溫度高于1 050 ℃時，隨鋼中Cr 含量增加，奧氏體晶粒生長速率加快。當(dāng)Cr含量較高時，隨著再加熱溫度的升高或保溫時間的延長，Cr 元素在晶界處偏聚減弱，導(dǎo)致奧氏體晶粒更容易長大和粗化。

3）在再加熱溫度為1 050 ℃、保溫時間為30 min 條件下，含Cr 試驗鋼可得到細(xì)小均勻的奧氏體組織。