MicrostructureRelated Properties of Some Novel Reinforcement Bar Steel翻译初稿.docx
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MicrostructureRelatedPropertiesofSomeNovelReinforcementBarSteel翻译初稿
某些新型钢筋与显微组织相关的性能
调查研究了两种经形变热处理的低碳钢筋[（a）含磷0.01%（b）含铌0.009%]的机械性能，特别是夏比冲击韧性。
磷钢与铌钢的抗拉与屈服强度比为1.25和1.19，在屈服强度为428and472MPa时其韧脆转变温度分别为223K和低于193K。
铌钢所改善的韧性是由于一种含有低碳贝氏体和细多边形铁素体的混合转化显微组织。
观察到的铌钢的最低韧脆转变温度归因于显微组织的整体细度，此显微组织主要由低碳贝氏体、针状铁素体和多边形铁素体构成。
关键词：
冲击性能，显微组织，P/Nb合金钢筋，拉伸性能
1.前言
考虑到印度次大陆的大区域位于地震多发区（参1），近年来努力向开发适应这些地区建设的钢材引导。
在地震中，产生横向载荷，其大小可超过其他类型的特定横向载荷的10倍，例如风。
由于这种横向载荷，除了由高层结构施加恒定的垂直载荷之外，结构用钢预计表现出足够的强度，更高的抗拉与屈服强度比（UTS/YS）（参2,3），和消能减震能力（即增加的内部摩擦和良好的延伸性）。
除上述之外，韧性（参4）也是抗脆性断裂的一个重要性能，特别是在零度以下的气候条件。
这些性能可以在轧机上经过形变热处理以低成本实现。
钢筋作为一种大规模生产的建筑用材，它的成本由于大规模使用应该是低的。
一般使用半镇静或镇静的碳锰钢筋。
钢筋中较高的碳和锰对焊接性能和冲击韧性有不良的影响。
因此，为了把这些性能保持在可接受的水平上，进行了以降低碳和锰含量的不同可能性的探讨。
这些是磷的合金化，钒/铌微合金化，铬合金化，其中磷的含量高于低碳钢中的。
后者（铬钢筋）用于非常高的强度级别（最小屈服强度：
600 MPa）（参6）。
先前对经形变热处理的低碳耐腐蚀钢筋的研究已经表明，除了提高耐腐蚀性外，磷还有助于增加强度，在碳含量低时对延展性无不良影响（参5）。
在含磷轴承低碳钢中，α-Fe固溶体中的磷原子引起铁素体的强化效果，并且对延展性无不良影响。
由于在773K时，磷晶界偏析的吉布斯自由能（49kJ/mol）高于碳，碳优先在晶界偏析驱替磷，且此温度在含磷轴承形变热处理钢筋均衡温度附近。
（参7,8）。
基于技术经济的考虑，钒微合金化钢筋和钛微合金化钢筋没有被大量生产。
前者（含钒钢筋）需要增加更多的钒铁以达到同等强度，后者（含钛钢筋）必须以镇静钢生产。
因此，已使用半镇静钢铌微合金化。
表1,2和3分别表明某些半镇静钢筋的成分、工艺参数、力学性能和显微组织（参5,6,9）。
为了在不对力学性能产生不良影响的情况下降低成本，已生产了（a）高磷（0.11wt.%）和（b）低铌（0.009wt.%）钢筋。
在本文中，已经强调了这些钢筋的与显微组织相关的性能特别是夏比冲击韧性。
2.材料和方法
用250t的双平炉生产钢筋用钢，并浇铸成9000Kg的铸锭。
铸锭先被轧成325×325mm的钢坯，再轧成尺寸为105×105mm的钢锭。
钢坯被再加热到1453K～1473K。
从钢坯到直径32mm的TMT钢筋的轧制过程是在有粗、中、精轧的连续棒材轧机上进行的，之后有冷却系统。
精轧机之后，棒材通过冷却系统，经加压循环水处理，表面以180～200K/s的速度激冷，立即形成了板条马氏体（M）层，而芯部任然是奥氏体（A）。
经过冷却系统，棒材的温度达到一个稳定值（均衡温度），这是由于热量从芯部传到表层，马氏体自回火。
芯部最终转变为一种混合显微组织，成分包括不同形态的铁素体（F），珠光体/碳化物（P）/贝氏体（B）。
过程示意图见图1。
轧制速度和终轧温度分别是6～8m/s和1223～1273K，均衡温度是833～873K。
在棒材离开冷却系统之后，终轧温度和均衡温度在控制钢筋的显微组织和力学性能方面发挥主要作用（参5,9）。
为了得到金相组织，从钢筋上加工而得横向试样，在2％硝酸酒精腐蚀后经抛光处理以观察显微组织。
施加50×10-3kg的载荷来测量表层和芯部的显微硬度。
按照ASTMA370标准（参10），使用重复未加工的钢筋在60KN的液压伺服试验机上进行拉伸试验。
在拉伸试验中，使用5.65
的标准长度，A是钢筋的有效横截面面积，由
求得；M（单位10-3Kg）是钢筋的质量，L（单位10-2m）是钢筋的长度，ρ（单位103Kg/m3）是钢的密度。
在加载速度为50×10-3m/60s下进行试验。
使用从图2所示位置加工而来的尺寸为5×10×55×10-3m纵向试样，尽可能地保存边部，并且按照ASTME23标准在298，273，253，233，213和193K的温度下进行试验（参11）。
从图3所示位置切下尺寸为5×5×20×10-3m的样品，来制备透射电子显微镜（TEM）试样。
本样品由薄圆盘刀切成0.5×10-3m厚的圆片。
该圆片继而经机械加工成厚度为0.1×10-3m的箔材，在293K时使用5％高氯酸溶液和95％冰醋酸在双射流抛光机中电解减薄。
工作电压为60V。
箔材在150keV被观察。
3.结论
3.1化学成分
试验和标准钢的化学成分在表4给出。
TMT钢筋中碳和锰的常规水平分别是0.20%和1.20%，相对于常规水平已减少了了约50%。
硅保持在较低水平来提高钢的吨位屈服强度，虽然其是一种固溶强化和增强淬透性的元素。
磷（参12）或者铌（参13，14）确保了所需的淬透性。
3.2表层的微观结构
图4和图5所示分别是磷和铌钢的芯部和表层的光学显微组织。
4mm厚的表层主要描绘了磷和铌钢中低碳贝氏体（LCB）（参15）。
图6（a）和图6（b）所示的是磷钢和铌钢的LCB的一个典型TEM亮场图像。
贝氏体具有高位错密度，与板条间碳化物（渗碳体）相关，其中一些与板条轴一致（图6a）。
虽然碳化物（C）在贝氏体铁素体中，铌钢的表层没有铌的碳氮化物析出。
TMT钢筋中LCB的存在解释如下。
由于碳和锰的含量低，CCT图的鼻尖接近温度轴，即向左移，且适合马氏体层发展的时间很短。
鉴于此，马氏体层在现行的加工条件下没有形成。
然而，根据文献记载，掺杂了少量残余奥氏体（参17）的马氏体（参16）可以在水中对低碳钢进行淬火而形成，因为在约323K时，α-Fe中碳的溶解度为1～2×10-4wt.%（参18）。
磷和铌钢的TMT钢筋距离表面1mm处的表层平均显微硬度（图7）是283和256VHN，分别类似于贝氏体的硬度（300VHN）（参19），和低碳回火马氏体的硬度（400VHN）（参16）比，相当低。
3.3过渡区和芯部的显微组织
根据有利于向贝氏体转变的经验冷却速度，过渡区（图2）约2mm厚。
芯部主要是铁素体和珠光体/碳化物。
铁素体有两种形态，即多边形（磷和铌钢）或等轴类型，和非多边形（铌钢）或针状类型。
磷钢中铁素体晶粒（12.2×10-3m）没有铌钢中的（8.5×10-3m）细小，结果导致铌钢的芯部硬度（210VHN）比磷钢的（193VHN）高。
3.4拉伸性能
试验的和符合ASTMA706（参2）和IS1786标准（参20）的磷和铌钢以及C-Mn钢的拉伸性能在表5中给出。
由于其相对较低的强度，磷钢的延伸率（25%）比铌钢的（18%）高。
磷和铌钢中不同显微组织成分的存在分别产生了很好的屈服强度，YS（428/472MPa），抗拉强度，UTS（539/564MPa），延伸率（25/18%），和拉伸屈服强度比（1.25和1.19）的结合性。
由于提高了整体屈服强度的芯部区域的细小显微组织，铌钢的UTS/YS比相对较低。
这是因为包括表层、过渡区和芯部的复合显微组织的TMT钢筋的屈服强度由混合物定律给出：
YSofrebar=%areaofrim×YSofrim
+%areaofTZ×YSofTZ（Eq1）
+%areaofcore×YSofcore
细小的显微组织依据Hull-Petch关系提升了屈服强度，而抗拉强度主要受固溶强化元素影响，如磷和珠光体的体积分数。
更高deUTS/YS比是建设必不可少的，所需的UTS/YS比的变化范围是1.15～1.40（参2，3）。
TMT钢筋的在复合（混）显微组织中的强化是由于在热轧铁素体—珠光体和调质钢中执行机制的综合影响，这主要是晶粒度和半条尺寸的影响，以及固溶强化和形变强化的影响。
延伸率受显微组织和钢的强度的影响。
在低碳钢中，无粗珠光体聚集和铁素体为主的核心结构导致其有良好的延伸性。
3.5夏比冲击韧性
图8显示了三种还在评估阶段的钢的夏比吸收能量随着温度的变化。
室温从298K降到253K，韧性的下降是很小的。
即使在253K，与C-Mn钢的45J相比，磷钢和铌钢的夏比冲击能量是相当高的，即分别是82J和120J。
磷、铌和C-Mn钢的韧脆转变温度（DBTT）以最大能量准则计算分别是223K，193K以下，248K。
4.讨论
4.1磷钢的韧性
在地震区的建设需要钢有高的断裂韧性，特别是环境温度低的地方，以避免脆性断裂。
在这项研究中，观测到的磷钢的低温韧性与一种镇静微钛合金热轧棒材钢（C0.30，Mn1.14，Si1.24，S0.029，P0.026，Ti0.036wt.%）类似：
在213K时，有铁素体—珠光体结构的直径25mm～32mm的全尺寸试件的夏比吸收能量是73×104J/m2（参23）。
由于存在不同的缺口微观成分，裂纹通过不同显微组织扩展，且在许多贝氏体铁素体板条和多边形铁素体晶粒的边界被阻碍（参24，25），因此使得DBTT降低。
这种钢中碳和锰的低含量在降低DBTT方面也发挥了关键作用（参5，26）。
4.2铌钢的韧性
钢中铌的增加靠晶粒细化和析出强化提高了屈服强度（参21）。
前者提高了韧性。
铌钢的DBTT最低（193K以下）。
在低碳钢中，由于固溶铌向奥氏体/铁素体边界的偏析（参27，28），铌促进了向针状铁素体的转变，同时增加了贝氏体淬透性（参13，29），形成了混合显微组织。
在混合显微组织中，由于应变集中，虽然在粗多边形铁素体晶粒中有脆性断裂开始的趋势，铌钢中多边形铁素体晶粒比磷钢中的细小，使得DBTT最低，因为DBTT与铁素体晶粒有如下关系（参21）：
（Eq2）
其中β和C是常数，T是DBTT，d是晶粒尺寸。
Nb（CN）的析出如果形成，可以降低韧性。
奥氏体中Nb（CN）的溶解度的近似表达式给出如下（参30）：
（Eq3）
其中T是铌的碳氮化物的固溶温度，单位是K。
目前钢铁中铌的碳氮化物的固溶温度约为1273K。
在1273K上再加热钢坯，铌的碳氮化物溶解在奥氏体中。
在正常冷却条件下，在低于铌的碳氮化物的固溶温度下，降低温度方面，希望再沉淀。
因为棒材的终轧温度约为1273K，在棒材进入水冷区域前碳氮化物不能再沉淀。
在冷却室内，由于高的冷却速度，对扩散率有不良影响，并且Nb（CN）的再沉淀在表层微不足道，即使细小的Nb（CN）在钢筋的芯部可以形成。
5结论
两种含有0.11%磷和0.009%铌的低碳建筑用TMT钢筋钢的结果归纳如下：
1.两种钢有屈服强度（磷钢：
428MPa，铌钢：
472MPa）、抗拉强度（磷钢：
539MPa，铌钢：
564MPa）和延伸率（磷钢：
25%，铌钢：
18%）的很好的综合性。
2.磷钢和铌钢的UTS/YS比分别是1.25和1.19，DBTT分别是223K和193K。
3.在这些钢中，向包括低碳贝氏体和细多边形/针状铁素体的混合组织的转变，主要是为了降低DBTT。
致谢
感谢兰契钢铁管理局（印度）有限公司，Bhilai钢铁厂及钢铁研发中心。
Table1Composition（wt.%）ofsomesemikilledrebarsteels
Steel
C
Mn
Si
S
P
Ni
V
Cu
Cr
Ref
C-Mn
0.20
1.2
0.05
0.03
0.02
9
C-Mn-Nb
0.21
1.0
0.06
0.036
0.022
0.02
9
C-Mn-V
0.25
1.47
0.03
0.03
0.02
0.05
9
C-Mn-Cu-P
0.15
0.9
0.03
0.02
0.09
0.30
5
C-Mn-Cu-Cr
0.14
0.9
0.02
0.02
0.02
0.34
0.52
5
C-Mn-Cr
0.25
1.42
0.05
0.02
0.02
0.54
9
Table2Processingparametersofsomesemikilledrebarsteels
Steel
Diameterofrebar,10-3m
Reheatingtemperature,K
Finishrollingtemperature,K
Rollingspeed,m/s
Coolingrate,K/s
Equalisationtemperature,K
Ref
C-Mn
32-45
1453-1473
1223-1273
6-8
200-250
793-853
9
C-Mn-Nb
32-45
1453-1473
1223-1273
6-8
200-250
813-873
9
C-Mn-V
32-45
1453-1473
1223-1273
6-8
200-250
813-873
9
C-Mn-Cu-P
32-36
1453-1473
1223-1273
6-8
200-250
773-823
5
C-Mn-Cu-Cr
32-36
1453-1473
1223-1273
6-8
200-250
773-823
5
C-Mn-Cr
32
1453-1473
1223-1273
6-8
200-250
773-823
6
Table3Tensilepropertiesandmicrostructureofsomesemikilledrebarsteels
Steel
Yieldstress,MPa（min.）
UTS,MPa（min.）
Elongation,
%（min.）
Microstructure
Ref
Rim
Core
C-Mn
415
485
14.5
Temperedmartensite
Ferrite+Pearlite
9
C-Mn-Nb
415
485
14.5
Temperedmartensite
Ferrite+Pearlite
9
C-Mn-V
415
485
14.5
Temperedmartensite
Ferrite+Pearlite
9
C-Mn-Cu-P
500
545
12
Temperedmartensite
Ferrite+Pearlite
5
C-Mn-Cu-Cr
500
545
12
Temperedmartensite
Ferrite+Pearlite+Bainite+Carbide
5
C-Mn-Cr
600
660
10
Temperedmartensite
Ferrite+Bainite
6
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