500MPa級VNマイクロアロイ高強度棒鋼の機械的性質に及ぼす窒素含有量の影響を製造試験により調べた。その結果、窒素含有量は81PPMから269PPMに増加したが、棒鋼の結晶粒径は大きく変化せず、棒鋼の降伏強度は526MPaから607MPaに増加した。降伏強度は15.4%増加し、引張強さは678MPaから738MPaに増加し、引張強さは8.8%増加し、強度-降伏比は1.29から1.22に減少した。V-N微細合金高強度棒鋼における窒素の強化効果は主に析出強化であり、析出強化がV-N棒鋼の強度-降伏比低下の主な原因である。
Introduction
2012年1月、住宅都市農村開発省と工業情報化部は共同で文書を発表し、高強度鉄筋の適用を加速するためのガイダンスを提案した：2015年末までに、高強度鉄筋の生産高は鉄筋の総生産高の80％を占めている。大規模な高層ビルや大スパンの公共建築物では、500MPaのグレードの鉄筋が好まれる。我が国の経済建設のニーズにより、建築構造における500MPa高強度鉄筋の需要が増加している。鉄筋の生産速度が速く、圧延温度が高いため、最終圧延温度は通常1000℃以上になる。その技術的特徴から、棒鋼の合金設計はバナジウム微細合金化技術の使用に適していると判断される[1]。窒素の増加はバナジウムを達成するためである。微細合金棒鋼を強化する主な方法は、バナジウムの量を減らし、バナジウム資源を節約することに資する[2-4]。V-N微細合金化技術は、国内外で高強度溶接棒鋼開発の主流生産技術として広く使用されている。多くの研究により[1-9]、VN微細合金化技術は主に窒素を増加させ、炭化バナジウム、窒化バナジウムまたは炭窒化バナジウムの形でバナジウムの析出を促進し、微細に分散した第二相粒子を形成して強い析出強化効果を生み出し、鋼の強度を向上させることが示されている。しかし、窒素の過度の増加は、棒鋼の他の性能欠陥、特に棒鋼の耐震性能指数を引き起こす。500MPaのVNマイクロアロイ棒鋼の機械的特性に及ぼす窒素含有量の影響を製造試験を通して研究した。VNマイクロアロイ棒鋼中の窒素の強化メカニズムを分析し、VNマイクロアロイ棒鋼の強度と降伏比に及ぼす窒素の影響を分析し、VNマイクロアロイ高強度耐震棒鋼の開発を行う。
生産の基礎を提供する。
試験材料と試験方法
安定した性能を持つ500MPa級高強度棒鋼を開発するため、グループ会社の製鋼工場では、窒素含有量の異なる3種類のVNマイクロアロイ鋼を連続して製錬し、同じ鉄筋製造プロセス（圧延後の自然冷却）を用いて500MPa級棒鋼の試験製造を行った。3種類の鋼は1#、2#、3#と名付けられ、主な化学成分を表1に示す。
窒素含有量の異なる3種類の鋼を精錬し、150mm×150mm×6000mm規格のビレットに連続鋳造し、グループ会社の棒鋼工場に送り、Φ25mm規格の棒鋼に圧延し、1#、2#、3#の棒鋼サンプルを延伸した。実験では、3種類の鋼の降伏強度と引張強度をそれぞれ試験し、1#、2#、3#の棒鋼の強度-降伏比を計算し、3種類の鋼の金属組織を観察した。
1#、2#、3#の棒鋼の引張試験結果によると、その曲線は図1のようになる。図1の曲線は、窒素含有量が増加するにつれて、棒鋼の降伏強さと引張強さが順次増加することを示している。1#棒鋼の降伏強度は526MPa、引張強度は678MPa、2#棒鋼の降伏強度は553MPa、引張強度は698MPa、3#棒鋼の降伏強度は607MPa、引張強度は738MPaである。窒素含有量は81PPMから269PPMに増加し、棒鋼の降伏強度は526MPaから607MPaに81MPa増加し、降伏強度は15.4％増加した。同時に、引張強さは678MPaから738MPaに60MPa増加し、引張強さの増加は8.8％であった。
1#、2#、3#の降伏強度と引張強度の値から、それぞれ強度-降伏比を計算し、図2に示す曲線を描いた。図2の曲線は、窒素含有量が増加するにつれて、棒鋼の強度-降伏比が逐次減少することを示している。このうち、1#、2#、3#の強度降伏比は順に1.29、1.26、1.22である。
棒鋼の粒度に及ぼす窒素含有量の影響
図3は、1#、2#および3#の棒鋼の金属組織である。3つの金属組織の詳細情報を表2に示す。表2は、1#、2#、3#棒鋼の相組成と組織粒径の一覧である。3つの鋼組織はフェライト＋パーライトであり、1#鉄筋のフェライト粒径は約9 -9.5等級、2#鉄筋のフェライト粒径は約9.5等級、3#鉄筋のフェライト粒径は約9-9.5 等級である。表2のデータは、窒素含有量が増加しても、鉄筋の粒径は大きく変化しないこと、あるいは窒素の増加はV-N微細合金鋼棒の組織に大きな影響を与えないことを示している。
分析と考察
500MPa級V-N微細合金鋼における窒素の強化メカニズムの解析
本論文の試験結果によると、500MPa級VN微細合金鋼棒の窒素含有量は81PPMから269PPMに増加し、鋼棒の粒径はいずれも9-9前後である。5.つまり、窒素の増加はVN微細合金鋼棒の組織に明らかな影響を及ぼさない。同時に、棒鋼の降伏強度と引張強度は、降伏強度が81MPa、引張強度が60MPaと、程度の差こそあれ増加している。現在、鋼材の主な強化理論には、固溶体強化、細粒強化、相変化強化、第二相強化などがある。明らかに、本論文の試験結果では、細粒強化の効果は明らかに除外されているが、固溶強化や相変化 強化などの強化効果は、第二相の強化を除けば、本論文で試験した3つの鋼材で基本的に同じである。バナジウム含有微細合金鋼中のバナジウムによって窒素が固定され、窒化バナジウムまたは炭窒化バナジウムのような第二相粒子生成物が形成されること、鋼中の第二相粒子がすべり転位との相互作用メカニズムを通じて鋼の強度を大幅に増加させること、すなわち析出強化効果が多くの理論的研究と実践によって示されている。
関連研究によると、窒素の増加はバナジウムの析出に有益である。すなわち、窒素はバナジウムの析出を促進し、第二相粒子の体積分率を増加させる。一貫した研究結果によると、鋼の強度は第二相粒子の体積分率が2分の1に比例する。したがって、バナジウム含有量が十分な場合、VN微細合金鋼の窒素増加は、実際に 鋼中の第二相粒子（窒化バナジウム、炭窒化バナジウム）の体積分率が増加し、析出強化の効果がより強くなる。本論文の試験結果は、窒素含有量の増加に伴い、500MPaグレードV-N棒鋼の降伏強度と引張強度が順次増加することを示している。明らかに、本論文の試験結果は、関連する理論研究の結果と一致している。
500MPa級V-N微細合金棒鋼の強度降伏比に及ぼす窒素の影響解析
本論文の試験結果は、窒素含有量の増加に伴い、VNマイクロアロイ棒鋼の降伏強さと引張強さは同じ割合では増加しないことを示している。降伏強度の増加は15.4%であり、引張強さの増加は8.8%である。これは、降伏強度の増加が引張強度の増加よりも大きいため、棒鋼の強度-降伏比が減少するという現象に正確に起因する。
鋼材の降伏強度と引張強度の微視的な制御メカニズムは明らかに異なる。降伏は主に材料中の転位の大規模なすべりによって制御され、破壊は主に材料中の微小き裂の発生と伝播によって制御される。.従って、材料の降伏の研究では主に材料中の転位の挙動を考慮し、材料の破壊の研究では主に材料中のマイクロクラックの挙動を考慮します。鋼材の降伏強さとは、材料中の転位源が活性化し、多数の可動転位がすべり、材料が降伏またはある程度の塑性変形を生じたときの強さを指す。第二相粒子の析出強化機構は、第二相粒子とすべり転位との相互作用機構である。この相互作用機構は、カットスルー機構とオロワン機構に分けられ、カットスルー機構であってもオロワン機構であっても、第二相粒子の析出は転位のすべりを阻害し、鋼の降伏強度を大幅に向上させる。鋼材の引張強度に関しては、主に鋼中のマイクロクラックの形成と伝播に関係している。微小き裂の形成は、微小転位の移動の妨げを伴うため、必然的に微小き裂の形成と進展の拡大が妨げられ、それによって鋼材の引張強度がある程度向上する。したがって、鋼の降伏強度が向上する一方で、引張強度もある程度向上する。
第二相のサイズが非常に小さい場合、鋼の降伏強度を高める析出強化の効果は、鋼の引張強度を高める効果よりも大きいことが指摘されている。本論文の試験結果から、降伏強度に対する析出強化の寄与は81MPaであり、引張強度の寄与は60MPaであった。本論文の結果は、降伏強度に対する析出強化の寄与が引張強度よりも大きいことを証明している。また、鋼材の降伏強度と引張強度を同程度に増加させても、鋼材の降伏比は低下する。以上のことから、第二相粒子の析出強化効果は、最終的に鋼の降伏比を低下させる。従って、窒素含有量の増加に伴い、V-N鋼棒の析出強化効果が強くなるほど、鋼棒の強度降伏比は低下する。
500MPa耐震補強材開発への研究成果の啓発
本論文の試験結果では、500MPa級VNマイクロアロイ棒鋼の窒素含有量は81PPM、136PPM、269PPMで、対応する棒鋼の強度と降伏比は1.29、1.26、1.22、つまり、VNマイクロアロイ棒鋼の強度と降伏比は窒素含有量の増減に伴って変化し、その理由の詳細な分析はすでになされている。現在、高強度耐震棒鋼の耐震性能の主要指標は1.25以上であることが要求されている。したがって、本論文の研究結果から、500MPa級VN微細合金高強度耐震棒鋼の開発においては、耐震性能の主要指数を確保するために、降伏比が適格であれば、化学成分的に窒素含有量を厳密に制御する必要がある。窒素含有量を130ppm以内に制御することがより適切である。
