耐大气腐蚀钢属于低合金高强度钢,是在普碳钢中添加了Cu、P、Cr、Ni等耐候性合金元素后,在其表面形成一层致密的氧化物保护层,减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展,已被广泛的应用于机车车辆、桥梁、房屋等各种金属结构件中。当前铁路货车用钢供货量最大的450MPa级高强度耐大气腐蚀钢一般采用Cu-Cr-Ni-Nb体系合金化方案,而含钒氮的高强度耐候钢研究较少。本文研究充分利用攀枝花钒钛资源特点,高强度耐候钢成分方案设计为C u-Cr-Ni-V-Ti-N体系,N添加量0.01～0.02%。实验室开展了钒、氮复合添加后对V析出行为、组织和性能等影响研究。在建立实验室高氮钢小尺寸试样化学氮定量分析方法基础上,通过热模拟试验、析出相定量分析、显微组织观察及性能测试等实验手段,对不同钒、氮含量的450MPa级高强度耐大气腐蚀钢钒析出行为进行了探讨。同时开展了形变工艺对奥氏体-铁素体等温转变的影响规律、试验工艺对钢的组织性能及V析出形为的影响等研究,并运用热力学计算方法对V在奥氏体、铁素体中的析出规律及机理进行了分析。通过研究,建立了高氮钢小尺寸试样实验室“低合金钢化合氮的测定-电解提取、蒸馏分离-靛酚蓝光度法”分析方法,克服了原分析方法测试化合氮精确度低的不足,通过不同分析方法精度对比,新的测定方法能精确定量分析含氮高强耐候钢中的氮含量。研究表明加入大于0.01%N后,V(C,N)才有可能在奥氏体中析出。试验钢中V(C,N)沉淀析出的PTT曲线是典型的C曲线形状,其鼻子点温度为V析出过程所需时间最短的析出温度,高强耐候钢对应的温度为870℃左右,增加氮有利于促进V(C,N)析出。变形加快了V(C,N)颗粒在奥氏体中的析出,促使PTT曲线向左移动。相对于氮含量变化对PTT曲线的影响,预应变量对PTT曲线的影响相对较小。热力学分析发现V(C,N)在奥氏体中形核沉淀析出存在一最大形核率温度,均匀形核最大形核率温度约为840℃,而V(C,N)在位错线上形核和均匀形核时的PTT曲线的鼻尖温度为800℃左右。PTT试验结果表明Nb、V复合添加后可明显提高最大形核率温度及鼻尖温度。V(C,N)在铁素体中析出可明显提高钢的强度,试验钢V(C,N)在铁素体中析出的PTT曲线为单调曲线,不存在鼻子点。珠光体转变后,V(C,N)在铁素体中均匀形核和位错线上形核率均较其在奥氏体中相应的形核方式的形核率增大约2-3个数量级。V(C,N)在铁素体中沉淀析出产生沉淀强化是钒在高强度耐候钢中的最主要作用。Cu-Cr-Ni-V-Ti-N体系高强度耐候钢中的V具有促进铁素体相变的作用,增加V含量后,钢中的铁素体组织比例增加：增加N含量后铁素体组织明显细化,但对珠光体相变的影响较小。含钒氮高强耐候钢的锈层组成物主要为α-FeOOH和γ-FeOOH,添加钒／铌元素后由于提高了加速腐蚀后的Ecorr值,进一步提高了高强耐候钢锈层的保护作用。高强耐候钢的腐蚀开始于夹杂处,而V/Nb元素在腐蚀严重区域分布均匀且无富集,微合金元素V/Nb对高强耐候钢的耐腐蚀性能有积极作用。通过试验研究,确定了450MPa级高强度耐候钢关键控制参数,考虑晶粒细化和沉淀强化的综合作用,Cu-Cr-Ni-V-Nb-Ti-N体系高耐候钢最佳卷取温度为650℃。空冷工艺Cu-Cr-Ni-V-Ti-N体系高耐候钢适宜的终轧温度为870-890℃。考虑到N对冲击值及时效指数的影响,钒氮微合金化高强耐候钢中的V/N比值控制略高于V与N理想化学配位数(3.64),试验钢的综合性能最佳。本研究充分利用钒钛资源特点,设计了低成本、Cu-Cr-Ni-V-Nb-Ti-N体系新型高强度耐候钢生产方案,其生产成本低于国内外常规生产工艺Q450NQR1钢。在此基础上进行了工业生产应用试验,结果表明,试验钢的显微组织为细小、均匀的“多边形铁素体+少量珠光体”,铁素体晶粒度为11.5级(晶粒尺寸6.7μm);厚度<10mm的钢卷屈服强度、抗拉强度、延伸率的平均值分别达到508.3MPa、602.1MPa、28.8%。厚度≥10mm的钢卷屈服强度、抗拉强度、延伸率的平均值分别达到480.1MPa、602.9MPa、26.8%。试验钢的焊接性和耐腐蚀性能优良,-40℃低温冲击平均值为128.3J,-70℃低温冲击平均值为75.6J,完全满足铁路车辆用钢的使用要求。目前已经工业化生产应用11万余吨,新合金化体系的Q450NQR1高强耐候钢推广应用效果较好。试验研究为攀钢后期的含钒高强度耐候钢系列产品开发提供了必要的技术支持。