NbC對HRB500鋼筋凝固過程中異質形核與晶粒細化的影響

熊星強，李長榮，*，莊昌凌，黎志英，王 劼

（1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 貴州省冶金工程與過程節能重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.首鋼水城鋼鐵（集團）有限責任公司，貴州 六盤水 553000）

鋼筋是建筑的骨架結構，在建筑物中發揮主要作用，現代建筑和工程需要屈服強度更高的高強度鋼筋.鋼筋屈服強度提高的同時往往伴隨塑性的降低，因此非常有必要研發既具有高強度又具有良好韌性的鋼材，以滿足安全可靠的要求.微合金高強度鋼筋在房屋建筑和海洋工程中廣泛使用［1］.目前，中國高強度微合金抗震鋼筋主要采用V微合金化高強鋼筋，其成本高，不利于廣泛推廣和使用.通過以Nb代V，發揮V在微合金高強鋼筋的析出強化和細晶強化作用，提高鋼筋的屈服強度具有重要理論研究價值和實際應用價值.

研究表明［2-5］，微合金鋼中加入Nb在晶界附近會析出NbC，可以達到細化晶粒的作用，有利于提高微合金鋼的強度.Dey等［6-9］研究發現，鋼中添加Nb有利于珠光體的形核，可獲得更好的性能.珠光體（P）的硬度較貝氏體（B）小、較鐵素體（F）大，在冷卻處理過程中會發生相變，可以提高鋼筋的延展性及強度［10-11］.

鑒于HRB500鋼中的形核相在高溫相變前以γ-Fe存在、相變后以α-Fe存在，本文運用理論計算，對以NbC為基底的形核相γ-Fe、α-Fe進行錯配度計算和分析，探討NbC對HRB500鋼筋凝固過程中異質形核的影響，同時研究Nb對HRB500鋼筋組織的影響規律.

1 原材料與試驗方法

1#試驗鋼為含V的HRB500鋼筋，2#試驗鋼為在含V的HRB500鋼筋基礎上添加Nb的鋼筋.兩者均采用50 kg中頻感應爐進行金屬熔煉，先澆注成圓柱形鋼錠，再將鋼錠加熱到1 100℃進行鍛造，鍛造工藝為粗軋6道次，精軋4道次，變形量為30%，鍛造成尺寸為30 mm×30 mm×500 mm的長方體試件（用于后續試樣的切割）.2種試驗鋼的化學組成如表1所示.

表1 試驗鋼的化學組成Table 1 Chemical composition of test steels

利用DIL805動態熱模擬相變儀對2#試驗鋼進行連續冷卻轉變測試，試件尺寸為?4×10 mm，其連續冷卻轉變工藝如圖1所示.利用GX51+DP26金相顯微鏡對1#和2#試驗鋼進行顯微組織觀察，并用Nano Measurer軟件圖像分析儀測量鐵素體的平均晶粒尺寸.采用MTS-200萬能拉伸試驗機對1#和2#試驗鋼進行力學性能測試，拉伸試件尺寸如圖2所示.利用Tecnai G2 F20透射電鏡對2#試驗鋼進行顯微組織觀察，并進行微區成分分析.

圖1 2#試驗鋼的連續冷卻轉變工藝Fig.1 Process diagram of continuous cooling transformation of 2# test steel

圖2 拉伸試件尺寸Fig. 2 Dimension of standardized steel bar sample for tensile test（size：mm）

2 NbC對γ-Fe和α-Fe固溶體的異質形核

Bramfitt［12］提出了二維錯配度（δ）理論，該理論認為δ值的大小可以表征異質形核的難易程度.δ值越小，異質形核過程越容易發生.當δ值小于6%時，異質形核最有效；當δ值為6%～12%時，異質形核有效；當δ值大于12%時，異質形核困難.

由于鋼液在凝固過程中Nb與C的親和力很大，所形成的高熔點NbC可能會成為異質形核的核心，因此本文將NbC作為基底，以γ-Fe、α-Fe為形核相來計算形核效率.NbC的（100）面分別與γ-Fe（100）面、α-Fe（100）面的晶體學匹配關系圖如圖3所示，其中實心黑圓圈代表C原子，虛線空心圓圈代表Nb原子，實線空心圓圈代表Fe原子，箭頭指的是2種物質的匹配.NbC與γ-Fe、α-Fe異質形核的點陣錯配計算結果見表2、3.其中“//”指前后2種物質的匹配；dNbC、dγ-Fe、dα-Fe分別表示NbC、γ-Fe、α-Fe的原子間距；θ為晶向夾角.

圖3 NbC的（100）面與γ-Fe（100）面、α-Fe（100）面的晶體學匹配關系圖Fig.3 Parallel time lattice mismatch degree diagram of（100）NbC vs（100）γ-Fe，（100）α-Fe

鋼液凝固過程中NbC對γ-Fe和α-Fe異質形核作用有所不同.表2、3表明，NbC的（100）面與γ-Fe（100）面錯配度為13.20%，與α-Fe（100）面的形核效果很好，錯配度為11.59%.這說明NbC可以優先作為α-Fe異質形核的核心，γ-Fe相較α-Fe形核有效性有所降低［13］.

表2 NbC與γ-Fe的點陣錯配計算結果Table 2 Lattice mismatch calculation results of NbC andγ-Fe

表3 NbC與α-Fe的點陣錯配計算結果Table 3 Lattice mismatch calculation results of NbC andα-Fe

3 結果分析與討論

3.1 冷卻速率對試驗鋼顯微組織的影響

2#試驗鋼的靜態冷卻轉變（CCT）曲線見圖4.由圖4可見：珠光體（P）的臨界冷卻速率為1.5℃/s，貝氏體（B）的臨界冷卻速率為5.0℃/s，馬氏體（M）和鐵素體（F）的冷卻速率為5.0～10.0℃/s.試驗中記錄2#試驗鋼的膨脹量在5.0、10.0℃/s冷卻速率下隨溫度的變化情況，并利用切線法確定馬氏體轉變開始溫度（Ms）和馬氏體轉變結束溫度（Mf），分別為474.5、341.8℃.不同冷卻速率下2#試驗鋼的顯微組織如圖5所示.由圖5可見：2#試驗鋼的組織尺寸隨著冷卻速率的增大而減小，當冷卻速率小于1.0℃/s時，其組織為珠光體和鐵素體（圖5（a）、（b））；當冷卻速率為1.0～5.0℃/s時，2#試驗鋼的組織為貝氏體和鐵素體（圖5（d）、（e）），且隨著冷卻速率的增加，2#試驗鋼中的貝氏體增多，這是由于在高冷卻速率下，微合金中Nb析出速率低，降低了鐵素體轉變溫度，促進了貝氏體的形成；當冷卻速率大于5.0℃/s時，2#試驗鋼的組織為馬氏體和鐵素體（圖5（h）、（i）），隨著冷卻速率的增加，2#試驗鋼中馬氏體數量增多，這是因為冷卻速率的增大促進了馬氏體的形成.

圖4 2#試驗鋼的靜態冷卻轉變曲線Fig.4 CCT curves of 2# test steel

圖5 不同冷卻速率下2#試驗鋼的顯微組織形貌Fig.5 Micro morphology of 2# test steel at different cooling rates

3.2 Nb對鋼組織性能的影響

對冷卻速率為0.3℃/s下顯微組織為珠光體和鐵素體的1#和2#試驗鋼進行對比分析.2種試驗鋼中典型的顯微組織形貌見圖6.圖6顯示1#和2#試驗鋼的顯微組織雖然均為鐵素體和珠光體，但兩者在組織形狀和晶粒大小上有所區別：1#試驗鋼為多邊形和等軸狀鐵素體，晶粒較大，并且珠光體和鐵素體呈帶狀分布；2#試驗鋼的鐵素體尺寸細小.因為Nb可以細化鐵素體和珠光體的晶粒尺寸，微合金元素Nb的析出可以顯著改善鋼的力學性能.由于在奧氏體中彌散的、穩定的NbC顆粒可以阻礙奧氏體晶粒長大，對晶界起到了釘扎作用，從而阻礙了晶界的遷移.在晶界遷移過程中，晶界越過析出相需要更大的界面能，使得析出相在鋼液凝固過程中阻礙晶粒長大，從而提高了2#試驗鋼的力學性能.同時拍攝100張金相圖，用以統計鐵素體晶粒尺寸，結果見圖7.由圖7可見：1#試驗鋼中39.7%的晶粒尺寸小于15μm，13.8%的晶粒尺寸大于25μm；2#試驗鋼中65.4%的晶粒尺寸小于15μm，只有6.0%的晶粒尺寸大于25μm.

圖6 試驗鋼的顯微組織形貌Fig.6 Micro morphology of test steels

圖7 試驗鋼中鐵素體晶粒尺寸Fig.7 Ferrite grain size of test steels

由此說明，在試驗鋼中添加Nb，可以進一步細化晶粒尺寸.這是因為Nb是強碳化物形成元素，對C有很強的吸附能力，使原本在晶界上析出的碳化物溶解，碳化物轉變為NbC；奧氏體（A）中彌散的、穩定的NbC顆粒可以阻礙奧氏體晶粒長大，對晶界起到釘扎作用，從而阻礙晶界遷移和奧氏體再結晶，細化了奧氏體晶粒，同時在奧氏體變形過程中位錯結構和晶內變形帶很難恢復，因此鐵素體很容易在晶界和晶粒內形核，鐵素體和珠光體的形核點增加，試驗鋼的顯微組織得以細化.

試驗鋼的力學性能指標列于表4.由表4可以看出，添加了Nb后，試驗鋼的塑性不變，屈服強度和抗拉強度增大.添加Nb的最顯著效果是在凝固過程中優先形成細小的NbC沉淀物.NbC較鐵的其他固溶體熔點更高，因此NbC優先析出后成為其他固溶體的異質形核點［14-16］.在幾種微合金元素中，Nb阻礙奧氏體再結晶的作用最明顯，NbC可以作為位錯運動的阻礙，進一步提高試驗鋼的強度.試驗鋼的拉伸應力-應變曲線如圖8所示.由圖8可見，1#和2#試驗鋼的力學性能均呈現低碳鋼典型的拉伸屈服現象，此現象與試驗鋼的顯微組織有關.

表4 試驗鋼的力學性能Table 4 Mechanical properties of test steels

圖8 試驗鋼的拉伸應力-應變曲線Fig.8 Tensile stress-strain curves of test steels

對2#試驗鋼的析出物進行TEM、電子衍射光斑（SADP）、EDS分析，結果如圖9所示.由圖9可見：2#試驗鋼的主要析出物是NbC，其形狀為圓形，平均晶粒尺寸約50 nm，在鐵素體晶界析出（圖9（a））；這些析出物具有FCC晶體結構（圖9（b））；衍射峰除Fe峰之外，主要是Nb峰和C峰.綜合以上分析，其析出物為NbC（圖9（c））.

圖9 2#試驗鋼析出物的TEM、SADP、EDS分析Fig.9 TEM，SADP and EDS analysis of 2# test steel precipitate

NbC在高溫時穩定性好，可以有效釘扎奧氏體晶界，形成的奧氏體晶粒尺寸更為細小，在1個奧氏體晶粒內可以形成數個珠光體.由于NbC釘扎作用所形成的奧氏體尺寸較小，在此基礎上形成的珠光體團的尺寸和片層間距更為細小，因此在有效提高試驗鋼強度的同時，還能保持良好的塑性.

4 結論

（1）根據二維錯配度理論計算可知，NbC與α-Fe的形核最為有效，與γ-Fe的形核相對困難.通過錯配度的計算可以預估Nb的碳化物與基體之間形核的有效性，提高其與α-Fe的形核效率.

（2）當試驗鋼的組織為珠光體和鐵素體時，Nb的添加可以使試驗鋼的微觀組織明顯細化，提高試驗鋼的屈服強度和抗拉強度，但塑性基本不變.