新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制_李文韬
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图 1 PBR 与其他 4 种典型钢筋径向硬度分布 Fig. 1 Hardness( HV) distribution of f inish rolled rebar using PRB1 and other four classical materials
由图 1、表 2 可知, 新开发的螺 纹钢筋 PBR 全 面满足直径 32 mm 以 下超高强精轧螺纹钢筋的要 求, 并具有 较好的塑性和较 低的屈强比。直径 20 mm 时屈服强度达到近1 400 MP a, 抗拉强度达到 1 600 MP a。由表 2 中的性能对比可知, 与性能最优 异的 AJL 1080 相比, PBR 具有更高的强度和更低的 屈强比, 且工艺简单, 只需轧制完后空冷、低温回火 即可。40Si2M nV( 天津二轧) 采用余热处理的方法 生产[ 5] , 类似于 T emper Core( 芯热回火) 钢筋, 即钢 筋从终轧机出口通过一套特殊的水冷系统, 使钢筋 部分截面淬火成马氏体, 心部仍为过冷奥氏体. 在随 后冷却过程中, 心部热量传递至钢筋表面, 使表层淬 火组织发生分解。通过这种热处理使钢筋产生相变 强化, 其强化增量可达 100~ 300 MP a。采用这种工 艺尚可生产 R eL < 850 M Pa 级钢筋。而对于 ReL > 850M Pa, 特别是 ReL > 930M Pa, Z> 8% 的高性能级 别的钢筋则无法 实现高强度、高塑性的匹 配问题。 而 AJL 1080 要求连续快速加热、淬水、快速回火, 虽 然相比余热处理可提高钢筋强度, 但工艺仍比较复杂 且条 件 苛刻 。由 表1 知 , PBR合 金 设计 较 AJL 1080
Abstract: Super str eng th finish ro lled r ebar based on air- coo led w as studied in labor at or y and industr ial pr oduction was car ried o ut. V anadium micro alloy ed was developed on the base o f manganese series ba initic steels in o rder to impro ve perfo rmance, reduce costs and simplify techno lo gy . Besides, mo rpho lo gy , size and distr ibut ion o f v anadium pr ecipitates wer e studied by use o f T EM . T he air- coo led bainite steel dev eloped w ithout expensive a llo y elements show s high str eng th and lo w y ield rat io, which fully meets the standard of PSB 1080. <20mm rebar has mechanical pr operties as follow s: Rm 1600- 1610 M Pa; ReL 1400- 1420 M Pa; A 8. 5% ; A gt 5. 0% . <32 mm r ebar : Rm 14501 500 M Pa; ReL 1 140- 1 200M P a; A 9. 0% ; A gt 5. 0% . Key words: mang anese series bainitic steel; super str eng th finish rolled rebar; vanadium microallo ying ; ( T i, V) C
基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目( 2004CB619105, 2010CB731600) 作者简介: 李文韬( 1985 ) ) , 男, 硕士生; E-mail: liw t 04@ mail s. t singh ua. edu. cn;
收稿日期: 2010-06-11
第5期
李文韬等: 新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制
锰具有最高的淬透性硬化因子[ 3] , 是保证空冷 条件下获得贝氏体组织的关键元素。锰在过冷奥氏 体中重新分配, 于 A/ C界面富 集, 产生 溶质拖曳效 应, 阻碍了晶界的移动, 同时富集在界面的锰减缓了 碳在奥氏体中的扩散速率, 延缓了铁素体的转变, 使 钢在 600 e 左右的孕育期加长, 高温转变与中温转 变分离, 使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的 河湾。随着锰含量的增加, 钢的淬透性增加, 但由于 在钢液的铸造和冷却过程中锰容易产生偏析, 因此 锰含量不宜过高。
B ) ) 0. 002 ) ) )
P 0. 026 0. 026 0. 017 0. 012 0. 015 0. 029
S 0. 024 0. 018 0. 014 0. 005 0. 015 0. 006
Ti ) ) 0. 003 7 ) ) 0. 029 0
Mo 0. 180
) 0. 057 0. 190
精轧螺纹钢筋是 20 世纪 70 年代原联邦德国开 发并获专利权的产品, 具有连接、锚固简便安全, 施 工方便、节约等优点, 较好地解决了钢筋焊接问题。 随着建筑物向大跨度化、高层化、多样化方向发展, 建筑工程的质 量和安 全要 求更 高, 强 度级 别大 于 1000M Pa 的超高强精轧螺纹钢筋需求量猛增。传 统的 高 强 钢 筋 材 料 40Si2MnV、40Si2MnM oV、 45Si2CrB 等存在工艺复杂、合金化成本高、屈强比 高导致抗震性能差等问题。因此, 研制高性能低成 本超高强钢筋并尽快应用于国民经济有着十分重要
Development of Air- Cooled Super Strength Finish Rolled Rebar
L I W en- t ao, L I Zheng- cao, ZH ANG H an, BAI Bing- zhe
( Depar tment of M ater ial Science and Eng ineering , T sing hua U niv ersity , Beijing 100084, China)
# 77 #
硅具有一 定的 固溶 强化作 用, 同时 与锰 的交 互效应可加 强偏聚 效果, 而导 致碳在 奥氏体 中的 扩散速度降低。本研究 中硅的质 量分数为 0. 9% 左右。
钒在钢中形成稳定的碳化物或氮化物 弥散质 点, 起到细化奥氏体晶粒或在冷却过程中第二相强 化的作用。钒在奥氏体中的固溶度最高, 但在铁素 体中的溶解度很低, 是一种理想的铁素体析出强化 元素。考虑到成本因素, 本研究控制钒的质量分数 在 0. 02% 左右。
同时, 加入少量合金元素铬( 质量分数 0. 10% 左右) , 主要辅助提高贝氏体淬 透性及固溶强 化作 用。
根据 超 强 钢 筋 性 能 国家 标 准 GB/ T 20065 )
2006 的要求, 在高性能、低成本、合理屈强比的前提 下, 设计了空冷超高强精轧螺纹钢筋( PBR) 。
2 成分、组织和力学性能
的意义。
清华大学贝氏体钢研究及推广中心方鸿生等人 发明的锰系空冷贝氏体钢热加工后空冷自硬, 强韧 性能优良, 成本低廉, 在众多领域得到了越来越广泛 的应用[ 1-3] 。结合超高强精轧螺纹钢筋的生产实际, 根据空冷贝氏体钢的成分设计思路, 进一步开发了
新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋。
1 成分设计
空冷超高强精轧螺纹钢筋成分设计仍沿袭空冷 贝氏体钢的思路, 不添加钼、镍、铜等贵重合金元素。 各合金元素的作用如下。
2. 1 成分及性能 PBR 与传统高强螺纹钢筋材料成分[ 4-5] 如表 1
所示。由表 1 可知, P BR 与其他几种国内外典型的 高强钢相比具有更简单的合金元素和更低的合金成 本。采用 PRB 的 成 分设 计, 进 行了 直 径为 20 ~ 32 mm 精轧螺纹 钢筋的 工业试 制。试制 生产工艺 为: 电弧炉冶炼 y真空炉精炼 y 浇注 y 精轧 y 空冷。 将空冷后的钢筋切取样品, 进行直径方向的硬度测试, 观察组织。并在 300 e 进行回火处理, 将长度为 50cm 的样品在 60t 拉伸试验机上进行力学性能测试。
40Si2M n V( 天津二轧) 70SiM nC r( 德国) A JL1080( 美国1) )
直径/ mm 20 25 32 32
) )
V 0. 200 0. 125 0. 002 0. 170
) 0. 029
%
Ni ) ) 0. 021 ) ) )
PBR 与 40Si2M nM oV、40Si2MnV、45Si2CrB 精轧螺纹钢筋表面至心部的硬度分布如图 1 所示。 由图 1 可知, P BR 硬度值最大且从表面到心部具有 更小的硬度起伏。PBR 的维氏硬度比 45Si2CrB 在 心部约 高 60 左右, 表 面约 高 100, 强度 提高 超 过 200 MP a。不同直径的 PBR 螺纹钢筋经 300 e 回火 后, 力学性能如表 2[ 4-5] 所示。
钢种 40Si2M nM oV ( 美国) 40Si2M nV ( 天津二轧)
45Si2CrB( 日本) A JL 1080( 美国) 70SiM nCr( 德国)
PBRΒιβλιοθήκη 表 1 高强精轧螺纹钢筋化 学成分( 质量分数)
Table 1 Chemical composition of super strength f inish rolled rebar
C 0. 470 0. 460 0. 468 0. 480 0. 720 0. 310
Si 1. 77 1. 74 1. 73 1. 70 0. 49 0. 94
Mn 0. 920 0. 896 0. 675 0. 950 1. 270 适量
Cr ) ) 0. 46 0. 40 0. 13 0. 10
第 46 卷 第 5 期 2011年5 月
钢
铁
Iron and St eel
Vo l. 46, N o. 5 M ay 2011
新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制
李文韬, 李正操, 张 寒, 白秉哲
( 清华大学材料与科学工程系, 北京 100084)
摘 要: 对新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋进行了实验室研究和工业生产试制。在提高性能 同时降低合金成本 和简 化工艺的原则下, 在新型锰 系空冷 贝氏 体钢 的基础 上采 用钒微 合金 化, 开发了 超高 强精轧 螺纹 钢筋 ( PBR ) 。 此外, 利用 T EM 研究了 P BR 钢筋 中钒的析出物的形貌、尺 寸及分 布。开发的 PBR 超高强 钢筋, 不含昂 贵合金 元 素, 淬透性好, 强度高, 屈强比低, 全面满足 PSB 1080 级别要 求, <20 mm 钢筋 抗拉强 度达到1 600~ 1610 M P a, 屈 服 强度1400~ 1420 M P a, 伸 长率 8. 5% , 均匀 伸长 率 5. 0% ; <32 mm 钢筋 抗拉强 度达 到1 450~ 1 500 M Pa, 屈 服强 度 1 140~ 1 200M Pa, 伸长率 9. 0% , 均匀伸长率 5. 0% 。 关键词: 锰系贝氏体钢; 超高强精轧螺纹钢筋; 钒微合金 化; ( T i, V) C 文献标志码: A 文章编号: 0449- 749X( 2011) 05- 0076- 05
# 78 #
钢铁
第 46 卷
表 2 PBR 300 e 回火后力学性能与国内外典型高强钢筋性能对比
Table 2 Mechanical properties of f inish rolled rebar using PBR tempered at 300 e
钢筋类别
PBR
40S i2M nM oV ( 美国) 45Si2Cr B( 日本)
由图 1、表 2 可知, 新开发的螺 纹钢筋 PBR 全 面满足直径 32 mm 以 下超高强精轧螺纹钢筋的要 求, 并具有 较好的塑性和较 低的屈强比。直径 20 mm 时屈服强度达到近1 400 MP a, 抗拉强度达到 1 600 MP a。由表 2 中的性能对比可知, 与性能最优 异的 AJL 1080 相比, PBR 具有更高的强度和更低的 屈强比, 且工艺简单, 只需轧制完后空冷、低温回火 即可。40Si2M nV( 天津二轧) 采用余热处理的方法 生产[ 5] , 类似于 T emper Core( 芯热回火) 钢筋, 即钢 筋从终轧机出口通过一套特殊的水冷系统, 使钢筋 部分截面淬火成马氏体, 心部仍为过冷奥氏体. 在随 后冷却过程中, 心部热量传递至钢筋表面, 使表层淬 火组织发生分解。通过这种热处理使钢筋产生相变 强化, 其强化增量可达 100~ 300 MP a。采用这种工 艺尚可生产 R eL < 850 M Pa 级钢筋。而对于 ReL > 850M Pa, 特别是 ReL > 930M Pa, Z> 8% 的高性能级 别的钢筋则无法 实现高强度、高塑性的匹 配问题。 而 AJL 1080 要求连续快速加热、淬水、快速回火, 虽 然相比余热处理可提高钢筋强度, 但工艺仍比较复杂 且条 件 苛刻 。由 表1 知 , PBR合 金 设计 较 AJL 1080
Abstract: Super str eng th finish ro lled r ebar based on air- coo led w as studied in labor at or y and industr ial pr oduction was car ried o ut. V anadium micro alloy ed was developed on the base o f manganese series ba initic steels in o rder to impro ve perfo rmance, reduce costs and simplify techno lo gy . Besides, mo rpho lo gy , size and distr ibut ion o f v anadium pr ecipitates wer e studied by use o f T EM . T he air- coo led bainite steel dev eloped w ithout expensive a llo y elements show s high str eng th and lo w y ield rat io, which fully meets the standard of PSB 1080. <20mm rebar has mechanical pr operties as follow s: Rm 1600- 1610 M Pa; ReL 1400- 1420 M Pa; A 8. 5% ; A gt 5. 0% . <32 mm r ebar : Rm 14501 500 M Pa; ReL 1 140- 1 200M P a; A 9. 0% ; A gt 5. 0% . Key words: mang anese series bainitic steel; super str eng th finish rolled rebar; vanadium microallo ying ; ( T i, V) C
基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目( 2004CB619105, 2010CB731600) 作者简介: 李文韬( 1985 ) ) , 男, 硕士生; E-mail: liw t 04@ mail s. t singh ua. edu. cn;
收稿日期: 2010-06-11
第5期
李文韬等: 新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制
锰具有最高的淬透性硬化因子[ 3] , 是保证空冷 条件下获得贝氏体组织的关键元素。锰在过冷奥氏 体中重新分配, 于 A/ C界面富 集, 产生 溶质拖曳效 应, 阻碍了晶界的移动, 同时富集在界面的锰减缓了 碳在奥氏体中的扩散速率, 延缓了铁素体的转变, 使 钢在 600 e 左右的孕育期加长, 高温转变与中温转 变分离, 使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的 河湾。随着锰含量的增加, 钢的淬透性增加, 但由于 在钢液的铸造和冷却过程中锰容易产生偏析, 因此 锰含量不宜过高。
B ) ) 0. 002 ) ) )
P 0. 026 0. 026 0. 017 0. 012 0. 015 0. 029
S 0. 024 0. 018 0. 014 0. 005 0. 015 0. 006
Ti ) ) 0. 003 7 ) ) 0. 029 0
Mo 0. 180
) 0. 057 0. 190
精轧螺纹钢筋是 20 世纪 70 年代原联邦德国开 发并获专利权的产品, 具有连接、锚固简便安全, 施 工方便、节约等优点, 较好地解决了钢筋焊接问题。 随着建筑物向大跨度化、高层化、多样化方向发展, 建筑工程的质 量和安 全要 求更 高, 强 度级 别大 于 1000M Pa 的超高强精轧螺纹钢筋需求量猛增。传 统的 高 强 钢 筋 材 料 40Si2MnV、40Si2MnM oV、 45Si2CrB 等存在工艺复杂、合金化成本高、屈强比 高导致抗震性能差等问题。因此, 研制高性能低成 本超高强钢筋并尽快应用于国民经济有着十分重要
Development of Air- Cooled Super Strength Finish Rolled Rebar
L I W en- t ao, L I Zheng- cao, ZH ANG H an, BAI Bing- zhe
( Depar tment of M ater ial Science and Eng ineering , T sing hua U niv ersity , Beijing 100084, China)
# 77 #
硅具有一 定的 固溶 强化作 用, 同时 与锰 的交 互效应可加 强偏聚 效果, 而导 致碳在 奥氏体 中的 扩散速度降低。本研究 中硅的质 量分数为 0. 9% 左右。
钒在钢中形成稳定的碳化物或氮化物 弥散质 点, 起到细化奥氏体晶粒或在冷却过程中第二相强 化的作用。钒在奥氏体中的固溶度最高, 但在铁素 体中的溶解度很低, 是一种理想的铁素体析出强化 元素。考虑到成本因素, 本研究控制钒的质量分数 在 0. 02% 左右。
同时, 加入少量合金元素铬( 质量分数 0. 10% 左右) , 主要辅助提高贝氏体淬 透性及固溶强 化作 用。
根据 超 强 钢 筋 性 能 国家 标 准 GB/ T 20065 )
2006 的要求, 在高性能、低成本、合理屈强比的前提 下, 设计了空冷超高强精轧螺纹钢筋( PBR) 。
2 成分、组织和力学性能
的意义。
清华大学贝氏体钢研究及推广中心方鸿生等人 发明的锰系空冷贝氏体钢热加工后空冷自硬, 强韧 性能优良, 成本低廉, 在众多领域得到了越来越广泛 的应用[ 1-3] 。结合超高强精轧螺纹钢筋的生产实际, 根据空冷贝氏体钢的成分设计思路, 进一步开发了
新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋。
1 成分设计
空冷超高强精轧螺纹钢筋成分设计仍沿袭空冷 贝氏体钢的思路, 不添加钼、镍、铜等贵重合金元素。 各合金元素的作用如下。
2. 1 成分及性能 PBR 与传统高强螺纹钢筋材料成分[ 4-5] 如表 1
所示。由表 1 可知, P BR 与其他几种国内外典型的 高强钢相比具有更简单的合金元素和更低的合金成 本。采用 PRB 的 成 分设 计, 进 行了 直 径为 20 ~ 32 mm 精轧螺纹 钢筋的 工业试 制。试制 生产工艺 为: 电弧炉冶炼 y真空炉精炼 y 浇注 y 精轧 y 空冷。 将空冷后的钢筋切取样品, 进行直径方向的硬度测试, 观察组织。并在 300 e 进行回火处理, 将长度为 50cm 的样品在 60t 拉伸试验机上进行力学性能测试。
40Si2M n V( 天津二轧) 70SiM nC r( 德国) A JL1080( 美国1) )
直径/ mm 20 25 32 32
) )
V 0. 200 0. 125 0. 002 0. 170
) 0. 029
%
Ni ) ) 0. 021 ) ) )
PBR 与 40Si2M nM oV、40Si2MnV、45Si2CrB 精轧螺纹钢筋表面至心部的硬度分布如图 1 所示。 由图 1 可知, P BR 硬度值最大且从表面到心部具有 更小的硬度起伏。PBR 的维氏硬度比 45Si2CrB 在 心部约 高 60 左右, 表 面约 高 100, 强度 提高 超 过 200 MP a。不同直径的 PBR 螺纹钢筋经 300 e 回火 后, 力学性能如表 2[ 4-5] 所示。
钢种 40Si2M nM oV ( 美国) 40Si2M nV ( 天津二轧)
45Si2CrB( 日本) A JL 1080( 美国) 70SiM nCr( 德国)
PBRΒιβλιοθήκη 表 1 高强精轧螺纹钢筋化 学成分( 质量分数)
Table 1 Chemical composition of super strength f inish rolled rebar
C 0. 470 0. 460 0. 468 0. 480 0. 720 0. 310
Si 1. 77 1. 74 1. 73 1. 70 0. 49 0. 94
Mn 0. 920 0. 896 0. 675 0. 950 1. 270 适量
Cr ) ) 0. 46 0. 40 0. 13 0. 10
第 46 卷 第 5 期 2011年5 月
钢
铁
Iron and St eel
Vo l. 46, N o. 5 M ay 2011
新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制
李文韬, 李正操, 张 寒, 白秉哲
( 清华大学材料与科学工程系, 北京 100084)
摘 要: 对新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋进行了实验室研究和工业生产试制。在提高性能 同时降低合金成本 和简 化工艺的原则下, 在新型锰 系空冷 贝氏 体钢 的基础 上采 用钒微 合金 化, 开发了 超高 强精轧 螺纹 钢筋 ( PBR ) 。 此外, 利用 T EM 研究了 P BR 钢筋 中钒的析出物的形貌、尺 寸及分 布。开发的 PBR 超高强 钢筋, 不含昂 贵合金 元 素, 淬透性好, 强度高, 屈强比低, 全面满足 PSB 1080 级别要 求, <20 mm 钢筋 抗拉强 度达到1 600~ 1610 M P a, 屈 服 强度1400~ 1420 M P a, 伸 长率 8. 5% , 均匀 伸长 率 5. 0% ; <32 mm 钢筋 抗拉强 度达 到1 450~ 1 500 M Pa, 屈 服强 度 1 140~ 1 200M Pa, 伸长率 9. 0% , 均匀伸长率 5. 0% 。 关键词: 锰系贝氏体钢; 超高强精轧螺纹钢筋; 钒微合金 化; ( T i, V) C 文献标志码: A 文章编号: 0449- 749X( 2011) 05- 0076- 05
# 78 #
钢铁
第 46 卷
表 2 PBR 300 e 回火后力学性能与国内外典型高强钢筋性能对比
Table 2 Mechanical properties of f inish rolled rebar using PBR tempered at 300 e
钢筋类别
PBR
40S i2M nM oV ( 美国) 45Si2Cr B( 日本)