Q420qE鋼形變奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變研究

譙明亮 史根豪 王同良 康雙雙 王青峰,3

(1.南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京 210035；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

目前，我國鐵路鋼橋建設(shè)正在向適應(yīng)重載、高速、大跨度、輕量化、全焊接節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。為適應(yīng)橋梁技術(shù)進步要求，集高強、高韌、低屈強比、易焊接等多項性能為一體的新一代高性能橋梁鋼是未來大跨重載鐵路鋼橋關(guān)鍵構(gòu)件的首選材料，需求明確而迫切。新一代的低合金高強度用鋼不僅要具有高強度、高韌性、優(yōu)異的焊接性能，同時還要具備良好的抗變形能力，以應(yīng)對重型載荷和地震等地質(zhì)災(zāi)害，因此為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，把屈強比作為衡量結(jié)構(gòu)安全性的一項指標[1]。而屈強比不僅與應(yīng)變硬化指數(shù)密切相關(guān)，還與均勻延伸率(即最大力總延伸率)密切相關(guān)，屈強比越低則意味著應(yīng)變應(yīng)化指數(shù)越高，均勻延伸率越高，金屬具有較強的塑形變形能力，可以有效緩解應(yīng)力集中。反之，較高的屈強比，則會導(dǎo)致由于變形引起的超載荷失穩(wěn)現(xiàn)象[2]。

為了提高結(jié)構(gòu)材料在受到?jīng)_擊載荷時的結(jié)構(gòu)安全性，部分關(guān)鍵構(gòu)件不僅要求高的強度以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，還需要較低的屈強比等以保證結(jié)構(gòu)安全。通常隨著鋼強度級別的升高，其所對應(yīng)的屈強比值也相應(yīng)升高，所以研究如何降低鋼的屈強比意義重大[3]。大量的試驗研究表明，屈強比與材料的加工硬化能力有關(guān)，而加工硬化能力又與鋼材的顯微組織密切相關(guān)。因此需要通過對化學(xué)成分優(yōu)化及控軋控冷(TMCP)工藝設(shè)計，來改變鋼材的顯微組織，以此來獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[4]。

多相組織鋼的調(diào)控能有效提高高強度鋼的塑性，降低屈強比；鐵素體/貝氏體復(fù)相、針狀鐵素體/馬氏體(殘留奧氏體)等多相組織已成為抗變形及高強度低屈強比結(jié)構(gòu)鋼的主要組織調(diào)控手段。根據(jù)軟硬相組織類型設(shè)計，本文從本質(zhì)上是要在鋼中形成中溫轉(zhuǎn)變鐵素體軟相和M- A島硬相組織。采用TMCP工藝制備和生產(chǎn)這種軟硬相組織復(fù)合的高性能橋梁鋼時，除了要在軋制階段獲得均勻細化的奧氏體晶粒外，還需要通過測定試驗鋼兩階段變形奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(動態(tài)CCT圖)，研究中溫轉(zhuǎn)變鐵素體軟相/M- A島硬相組織形態(tài)隨軋后冷速的變化規(guī)律，據(jù)此確定相應(yīng)軟硬相組織形態(tài)控制的冷卻工藝窗口。

1 試驗材料與方法

試驗鋼為南鋼提供的Q420qE鋼板，板厚為16 mm，其化學(xué)成分如表1所示，原始組織如圖1所示，主要包括準多邊形鐵素體(QF)、針狀鐵素體(AF)、粒狀貝氏體(GB)和馬氏體- 奧氏體島(M- A)。

表1 Q420qE鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of Q420qE steel (mass fraction) %

從Q420qE鋼板上取樣，加工成尺寸為φ10 mm × 85 mm的棒狀樣品，在Gleeble- 3500試驗機上進行兩階段熱壓縮變形以模擬兩階段控扎。具體工藝為：以10 ℃/s的速度加熱到1 150 ℃，保溫10 min進行奧氏體化；然后以5 ℃/s的冷速降到1 050 ℃，以1 s- 1的應(yīng)變速率進行35%的壓縮變形，模擬第一階段軋制；再以5 ℃/s的冷速降至830 ℃，以1 s- 1的應(yīng)變速率進行30%的壓縮變形，模擬第二階段軋制；最后以2 ℃/s的冷速冷至780 ℃的開冷溫度后，再分別以0.5、1、5、10、15、20、25、30 ℃/s的冷速冷至200 ℃，工藝示意圖如圖2所示。實時采集熱膨脹曲線，利用切線法確定相變溫度點。針對不同冷速樣品，觀察顯微組織形態(tài)，并測試維氏硬度。結(jié)合測試和觀察結(jié)果，繪制試驗鋼的動態(tài)CCT圖，分析冷速對組織形態(tài)的影響規(guī)律，并初步確定了試驗鋼獲得針狀鐵素體、粒狀貝氏體和M- A島多相組織的控冷工藝窗口。

圖1 試驗鋼的原始組織Fig.1 Original microstructure of the tested steel

圖2 試驗鋼動態(tài)CCT曲線測定的工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram for measuring dynamic CCT curve of the tested steel

將不同冷速的模擬樣品沿?zé)犭娕妓诘慕孛婢€切割切開，隨后經(jīng)金相砂紙磨制和機械拋光后，再在4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液中進行腐蝕，最后在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品在不同冷速下的組織形態(tài)。采用FM- 300型顯微硬度計測量硬度，試驗力為10 kg。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗鋼的動態(tài)CCT圖

試驗鋼變形奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT圖)如圖3所示?？梢钥闯觯瑑呻A段形變奧氏體在控冷過程中發(fā)生了轉(zhuǎn)變，組織類型與冷速有關(guān)。在0.5～1 ℃/s的冷速范圍內(nèi)，奧氏體主要發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變，形成多邊形鐵素體和珠光體的混合組織。在1～5 ℃/s冷速時，隨著冷速的增加，奧氏體除了轉(zhuǎn)變成先共析鐵素體和珠光體外，還形成部分針狀鐵素體，從而形成了多邊形鐵素體、珠光體和針狀鐵素體的混合組織。在5～25 ℃/s的冷速范圍內(nèi)，隨著冷速的進一步增大，開始出現(xiàn)中溫組織，貝氏體開始出現(xiàn)，試驗鋼的組織主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。當(dāng)冷速≥25 ℃/s時，試驗鋼中出現(xiàn)板條貝氏體[5- 7]。

圖3 試驗鋼的動態(tài)CCT曲線Fig.3 Dynamic CCT curve of the tested steel

2.2 冷速對試驗鋼顯微組織的影響

試驗鋼在不同冷速下的顯微組織如圖4所示。當(dāng)冷卻速度為0.5 ℃/s時，試驗鋼組織主要由多邊形鐵素體與珠光體組成，其中部分珠光體發(fā)生了退化。當(dāng)冷卻速度為1 ℃/s時，多邊形鐵素體晶粒略有細化，大部分珠光體發(fā)生了褪化。當(dāng)冷速為5 ℃/s時，珠光體已基本消失，鐵素體形態(tài)由多邊形轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧?，晶粒細化，出現(xiàn)少量粒狀貝氏體。在10～20 ℃/s的冷速范圍內(nèi)，形成針狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，并隨冷速的進一步增大，針狀鐵素體的數(shù)量明顯減少，粒狀貝氏體的數(shù)量進一步增多，鐵素體晶粒明顯細化。在25～30 ℃/s的冷速范圍內(nèi)，出現(xiàn)板條貝氏體，形成了針狀鐵素體、粒狀貝氏體和板條貝氏體的混合組織。隨著冷速的進一步增大，板條貝氏體逐漸增多，針狀鐵素體和粒狀貝氏體逐漸減少。

圖4 試驗鋼以(a)0.5、(b)1、(c)5、(d)10、(e)15、(f)20、(g)25、和(h)30 ℃/s冷速連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后的顯微組織Fig.4 Microstructures of the tested steel after continuous cooling at rates of (a) 0.5, (b) 1, (c) 5, (d) 10, (e) 15, (f) 20, (g) 25 and (h) 30 ℃/s

采用投射電鏡進一步觀察試驗鋼在不同冷速下的精細結(jié)構(gòu)，如圖5所示。當(dāng)冷速為5 ℃/s時，組織主要為尺寸較大的塊狀鐵素體和粒狀貝氏體，如圖5(a)所示，在透射電鏡下還觀察到了退化的珠光體。此外，原始奧氏體晶界清晰可見。在15 ℃/s的冷速下，由于冷速增大，鐵素體由塊狀變成針狀，并且組織主要以粒狀貝氏體為主，如圖5(b)所示，還可以看到M- A組元的分布情況，M- A組元的尺寸約為1 μm。在30 ℃/s的冷速下，由于冷速的進一步提高，此時出現(xiàn)的主要是中溫組織，由針狀鐵素體、粒狀貝氏體和板條貝氏體組成。如圖5(c)所示，可以看出有明顯的板條貝氏體，并且板條貝氏體中的位錯密度明顯高于粒狀貝氏體的位錯密度，從而導(dǎo)致板條貝氏體的強度和硬度高于粒狀貝氏體。

2.3 冷速對試驗鋼硬度的影響

圖5 試驗鋼在(a)5、(b)15、(c)30 ℃/s冷速連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the tested steel after continuous cooling at rates of (a) 5, (b) 15 and (c) 30 ℃/s

試驗鋼在不同冷速下的顯微硬度如圖6所示。由圖6可以看出，在0.5～5 ℃/s的冷速范圍內(nèi)，兩階段變形試樣的硬度隨冷速的增加而大幅提高，這與試驗鋼中組織類型的變化密切相關(guān)，此時試驗鋼中的多邊形鐵素體減少，針狀鐵素體和粒狀貝氏體增加，從而導(dǎo)致組織更加細化[8- 9]。當(dāng)冷速為10～20 ℃/s時，硬度進一步大幅度提高，主要是因為組織中的粒狀貝氏體數(shù)量明顯增多，針狀鐵素體數(shù)量減少，晶粒進一步細化。當(dāng)冷速為25～30 ℃/s時，硬度增加幅度較小，主要與組織類型變化不大有關(guān)[10- 14]。

圖6 試驗鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織硬度隨冷速的變化Fig.6 Variation of hardness of microstructure developed in the tested steel during continuous cooling with cooling rate

3 結(jié)論

本文在Gleeble- 3500熱模擬試驗機上測定了Q420qE橋梁鋼在不同冷速下的連續(xù)冷卻膨脹曲線，并結(jié)合不同冷速下試樣的顯微組織觀察和維氏硬度測量，繪制了試驗鋼形變奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。得出結(jié)論如下：

(1)當(dāng)冷速為0.5～1 ℃/s時，試驗鋼組織主要由多邊形鐵素體與珠光體組成，并隨著冷速的進一步增大，針狀鐵素體的數(shù)量明顯減少，粒狀貝氏體的數(shù)量進一步增多，鐵素體晶粒明顯細化，在25～30 ℃/s的冷速范圍內(nèi)，出現(xiàn)板條貝氏體組織。

(2)在0.5～30 ℃/s的冷速范圍內(nèi)，隨著冷速的增加，鐵素體基體組織明顯細化，是硬度提高的主要原因。

(3)根據(jù)試驗鋼的動態(tài)CCT圖和冷速對試驗鋼顯微組織的影響，初步確定試驗鋼兩階段變形后的控冷工藝窗口為5～10 ℃/s。在該冷速范圍內(nèi)，試驗鋼的組織類型是針狀鐵素體、粒狀貝氏體和M- A島多相組織。