通过生产试验研究了氮含量对 500MPa 级 VN 微合金高强度钢棒力学性能的影响。结果表明，含氮量从 81PPM 增加到 269PPM，钢筋的晶粒尺寸没有明显变化，钢筋的屈服强度从 526MPa 增加到 607MPa。屈服强度提高了 15.4% ；抗拉强度从 678MPa 提高到 738MPa，抗拉强度提高了 8. 8% ；强度-屈服比从 1. 29 降低到 1. 22。V-N 微合金化高强度钢筋中氮的强化作用主要是沉淀强化，沉淀强化是 V-N 钢筋强度-屈服比下降的主要原因。
Introduction
2012 年 1 月，住房和城乡建设部、工业和信息化部联合发文，提出加快高强钢筋应用的指导意见：到 2015 年底，高强钢筋产量占螺纹钢筋总产量的 80%。对于大型高层建筑和大跨度公共建筑，首选500MPa 级螺纹钢筋。随着我国经济建设的需要，建筑结构对 500MPa 级高强度钢筋的需求量越来越大。由于钢筋生产速度快，轧制温度高，终轧温度通常在 1000 ℃ 以上。其工艺特点决定了钢筋的合金设计适合采用钒微合金化技术[1]。增氮是为了实现增钒。强化微合金化钢棒的主要方法，有利于减少钒的用量，节约钒资源[2-4]。V-N 微合金化技术已作为国内外开发高强度可焊钢筋的主流生产技术得到广泛应用。大量研究表明[1-9]，VN 微合金化技术主要依靠增加氮来促进钒以碳化钒、氮化钒或碳氮化钒的形式析出，形成细小分散的第二相颗粒，产生强烈的析出强化作用，从而提高钢的强度。但过量增加氮会造成钢筋的其他性能缺陷，尤其是钢筋的抗震性能指标。通过生产试验，研究了氮含量对 500MPa VN 微合金钢棒力学性能的影响。分析了氮在 VN 微合金化钢筋中的强化机理，以及氮对 VN 微合金化钢筋强度和屈强比的影响，为 VN 微合金化高强度抗震钢筋的研制提供了依据。
为生产提供基础。
测试材料和方法
为开发性能稳定的 500MPa 级高强度钢筋，集团公司炼钢厂先后冶炼出三种不同含氮量的 VN 微合金钢，并采用相同的螺纹钢生产工艺（轧制后自然冷却）试生产 500MPa 级钢筋。三种钢分别命名为 1#、2#、3#，其主要化学成分见表 1。
将三种不同含氮量的钢材精炼后连铸成规格为 150mm×150mm×6000mm 的钢坯，送至集团公司棒材厂轧制成规格为 Φ25mm 的钢棒，并拉伸成 1#、2#、3#钢棒样品 在实验中，分别测试了三种钢材的屈服强度和抗拉强度，计算了 1#、2#、3#钢棒的强度-屈服比，并观察了三种钢材的金相组织。
根据 1#、2# 和 3#钢筋的拉伸试验结果，其曲线如图 1 所示。从图 1 的曲线可以看出，随着氮含量的增加，钢筋的屈服强度和抗拉强度依次增加。1# 钢棒的屈服强度为 526MPa，抗拉强度为 678MPa；2# 钢棒的屈服强度为 553MPa，抗拉强度为 698MPa；3# 钢棒的屈服强度为 607MPa，抗拉强度为 738MPa。氮含量由 81PPM 提高到 269PPM，钢筋屈服强度由 526MPa 提高到 607MPa，提高了 81MPa，屈服强度提高了 15.4% ；同时，抗拉强度从 678MPa 提高到 738MPa，提高了 60MPa，抗拉强度提高了 8.
根据 1#、2# 和 3#钢筋的屈服强度和抗拉强度值，分别计算出三者的强度-屈服比，并绘制成图 2 所示的曲线。从图 2 的曲线可以看出，随着含氮量的增加，钢筋的强度-屈服比依次降低。其中，1#、2#和 3#钢筋的强度-屈服比依次为 1.29、1.26 和 1.22。
氮含量对钢筋晶粒尺寸的影响
图 3 显示了 1#、2# 和 3# 钢棒的金相显微组织。三种金相显微组织的详细信息见表 2。表 2 列出了 1#、2#、3# 钢筋的相组成和结构晶粒度。三种钢材结构均为铁素体+珠光体，1#钢筋铁素体晶粒度约为 9 -9. 5 级，2#钢筋铁素体晶粒度约为 9. 5 级，3#钢筋铁素体晶粒度约为 9-9.5 级。表 2 中的数据表明，随着氮含量的增加，钢棒的晶粒度变化不大，或者说氮的增加对 V-N 微合金钢棒的显微组织没有明显影响。
分析和讨论
500MPa 级 V-N 微合金钢中氮强化机理分析
本文的测试结果表明，500MPa 级 VN 微合金钢棒的含氮量从 81PPM 增加到 269PPM，钢棒的晶粒度均在 9-9 左右。5.也就是说，氮含量的增加对 VN 微合金钢棒的组织没有明显影响。同时，钢筋的屈服强度和抗拉强度都有不同程度的提高，屈服强度提高了 81MPa，抗拉强度提高了 60MPa。目前，钢材料的主要强化理论包括固溶强化、细晶粒强化、相变强化和第二相强化。显然，本文的测试结果明显排除了细晶粒强化的影响，而固溶强化和相变强化等强化效果对于本文测试的三种钢材来说，除了第二相强化外，其他强化效果基本一致。大量的理论研究和实践表明，氮在含钒微合金钢中被钒固定形成氮化钒或碳氮化钒等第二相颗粒产物，钢中的第二相颗粒通过与滑动位错的相互作用机理大大提高了钢的强度，即沉淀强化效应。
相关研究表明，增加氮有利于钒的沉淀。也就是说，氮能促进钒的析出，增加第二相颗粒的体积分数。一致的研究结果表明，钢的强度与第二相颗粒体积分数的二分之一成正比。因此，当钒含量充足时，VN 微合金钢中的氮增加实际上是钢中第二相颗粒（氮化钒、碳氮化钒）体积分数的增加，从而使沉淀强化效果更强。本文的试验结果表明，随着氮含量的增加，500MPa 级 V-N 钢棒的屈服强度和抗拉强度依次提高。显然，本文的试验结果与相关理论研究结果是一致的。
氮对 500MPa 级 V-N 微合金钢棒强度-屈服比的影响分析
本文的测试结果表明，随着氮含量的增加，VN 微合金钢棒的屈服强度和抗拉强度并没有同比例增加。屈服强度提高了 15.4% ，抗拉强度提高了 8.正是由于屈服强度的增幅大于抗拉强度的增幅，才出现了钢筋强度-屈服比下降的现象。
钢铁材料的屈服强度与抗拉强度的微观控制机制明显不同。屈服主要由材料中位错的大尺度滑移控制，而断裂主要由材料中微裂纹的产生和扩展控制。.因此，研究材料屈服主要考虑材料中的位错行为，而研究材料断裂主要考虑材料中的微裂纹行为。钢铁材料的屈服强度是指材料中的位错源被激活，大量可移动位错滑移，使材料屈服或产生一定程度塑性变形时的强度。第二相颗粒的析出强化机制是第二相颗粒与滑动位错之间的相互作用机制。这种相互作用机理分为切穿机理和奥罗恩机理，无论是切穿机理还是奥罗恩机理，第二相粒子的析出都会阻碍位错的滑移，从而大大提高钢的屈服强度。就钢材料的抗拉强度而言，它主要与钢中微裂纹的形成和扩展有关。微裂纹的形成涉及到微位移运动的阻碍，这必然会阻碍微裂纹的形成和扩展，从而在一定程度上提高钢材的抗拉强度。因此，在提高钢材屈服强度的同时，也在一定程度上提高了其抗拉强度。
文章指出，当第二相的尺寸很小时，析出强化对提高钢材屈服强度的作用大于提高钢材抗拉强度的作用。本文的试验结果表明，析出强化对屈服强度的贡献值为 81MPa，对抗拉强度的贡献值为 60MPa。本文的结果证明，沉淀强化对屈服强度的贡献大于抗拉强度。此外，即使钢的屈服强度和抗拉强度提高到相同程度，钢的屈强比也会下降。总之，第二相颗粒的析出强化作用最终会降低钢的屈强比。因此，随着氮含量的增加，V-N 钢棒的析出强化效应越强，钢棒的强度-屈服比就越低。
研究成果对开发 500MPa 抗震加固材料的启示
在本文的试验结果中，500MPa 级 VN 微合金钢棒的含氮量分别为 81PPM、136PPM、269PPM，相应的钢棒强度和屈强比分别为 1.29、1.26、1.22，即 VN 微合金钢棒的强度和屈强比随含氮量的增减而变化，其原因已做了详细的分析。目前，高强抗震钢筋抗震性能的主要指标要求不低于 1.25。因此，从本文的研究成果来看，对于 500MPa 级 VN 微合金化高强抗震钢筋的研制，为了保证抗震性能的主要指标较强 屈服比合格，在化学成分方面应严格控制氮含量。氮含量控制在 130PPM 以内较为适宜。
