Al元素對(duì)耐候橋梁鋼微觀組織及力學(xué)性能的影響

徐海健 沙孝春 孟勁松 李 凡 王文仲 王昭東

(1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114021； 2. 鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司，遼寧 鞍山 114021；3. 東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

隨著大型橋梁建設(shè)的興起，橋梁鋼的用量正在不斷增加，鋼材的性能和成本問題越來越受到人們的重視。目前，我國(guó)現(xiàn)有橋梁用鋼多為低合金高強(qiáng)度鋼，鋼材的耐蝕性較差，主要靠涂裝的辦法來抑制大氣腐蝕[1]。但涂裝不僅需要投入大量的人力、物力，后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)高昂，而且老化廢棄的涂料還會(huì)污染環(huán)境。因此，具有綠色環(huán)保、綜合性能優(yōu)良、幾乎無維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)的耐候橋梁鋼，越來越受到橋梁設(shè)計(jì)者的青瞇。但耐候橋梁鋼由于含有貴重合金元素，一次性投資較高，在應(yīng)用上受到一定限制[2- 3]。因此，如何在不降低耐候鋼性能的情況下降低其貴重元素的含量，已成為橋梁用鋼研究者的主要工作之一。

在大氣環(huán)境中，鋁能快速被氧化并在其表面形成一層致密的氧化膜來抑制大氣腐蝕，所以通常將鋁噴涂在鋼的表面以增強(qiáng)其耐候性[4]。在冶煉過程中，鋁主要被用作脫氧劑，但是如果鋁含量過高，常會(huì)產(chǎn)生夾雜物增多、堵塞等一系列問題。但因鋁在提高鋼材耐候性、降低成本方面蘊(yùn)藏著巨大的潛力，用鋁來改善鋼材耐候性的研究早已開始[5- 6]。Evans[7]研究認(rèn)為，添加少量的鋁會(huì)改善低碳鋼的耐候性。陳新華等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在海洋大氣條件下，添加Al的低合金鋼的表面會(huì)生成細(xì)粒尖晶石類氧化物FeAl2O4，從而增強(qiáng)銹層對(duì)腐蝕介質(zhì)與水分的阻隔。Nishimura等[9]研究了含Al鋼的耐海洋大氣腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)隨著鋁含量的增加，鋼的耐候性提高。李東亮等[4]研究發(fā)現(xiàn)，Al具有強(qiáng)化鐵素體、抑制腐蝕產(chǎn)物結(jié)晶和促進(jìn)具有保護(hù)作用的細(xì)晶氧化物膜生成等優(yōu)勢(shì)，有利于提高鋼的耐蝕性。目前，我國(guó)在建和規(guī)劃中的大型橋梁多分布在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，但這些地區(qū)大氣中的SO2含量日益升高，SO2和Cl-共存的形勢(shì)已成為常態(tài)，這給橋梁的安全服役帶來了很大威脅，同時(shí)也會(huì)大幅縮短其使用壽命。目前，普遍通過增加鋼中的Ni含量來提高其耐海洋大氣腐蝕的性能，但由于Ni的價(jià)格高昂且受市場(chǎng)波動(dòng)較大，因此如何通過Al替代部分Ni，開發(fā)低成本的含Al耐海洋大氣腐蝕的橋梁鋼逐漸成為未來橋梁鋼研發(fā)的重點(diǎn)。目前，鋁的添加對(duì)耐候鋼的微觀組織演化及力學(xué)性能的影響機(jī)制還不清楚。為此，本文主要研究了Al的添加對(duì)耐濕熱工業(yè)- 海洋大氣橋梁鋼微觀組織及力學(xué)性能的影響，以期為鞍鋼開發(fā)低成本、輕量化橋梁鋼提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用200 kg真空感應(yīng)爐熔煉3種成分的耐候鋼，其化學(xué)成分如表1所示。利用450軋機(jī)將鋼錠軋成12 mm厚的薄板坯，具體工藝為：加熱溫度1 150～1 200 ℃，道次變形量10%～20%，采用再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制，終軋溫度780～860 ℃，最后快速冷卻至室溫。 在鋼板上取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后在OLYMPUS- PMG3光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織。在JEOL JIB- 4600F 聚焦離子束 (focused ion beam, FIB)裝置上，利用FIB傾轉(zhuǎn)法制備TEM試樣，試樣厚度小于100 nm，然后利用JEOL 21F型高分辨透射電鏡觀察試樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

參照TB/T 2375—1993，在周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)箱內(nèi)模擬濕熱的大氣環(huán)境。浸泡溶液成分為1%NaCl + 0.05%Na2SO4+ 0.05%CaCl2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，水浴溫度為40 ℃，浸潤(rùn)周期為60 min，干燥時(shí)間為48 min，浸潤(rùn)時(shí)間為12 min，腐蝕周期為6天。帶銹試樣經(jīng)機(jī)械除銹后，用除銹液(500 ml鹽酸+500 ml去離子水+20 g六次甲基四胺)和超聲波振動(dòng)除銹，之后除雜、除漬、脫水、吹干，干燥24 h后稱量，得出失重，并用未經(jīng)腐蝕的試樣來校正除銹液對(duì)基體的腐蝕量，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。根據(jù)GB/T 228—2002,沿鋼板橫向截取直徑為10 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，加載速率為3～30 MPa/s。根據(jù)GB/T 229—2007,沿鋼板縱向截取V 型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。拉伸試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)在-20 ℃下進(jìn)行。使用JSM- 6510A型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖1為不含Al、含0.23%Al和0.74%Al耐候鋼的微觀組織。由圖1可知，采用超低碳成分設(shè)計(jì)、高純度冶煉、全程保護(hù)澆鑄和適宜的軋制制度，獲得的3種試驗(yàn)鋼的微觀組織主要由組織均勻性較好的細(xì)晶粒多邊形鐵素體和少量珠光體構(gòu)成。與未添加Al的耐候鋼相比，添加Al的耐候鋼的晶粒明顯粗化，其中含0.23%Al耐候鋼的晶粒是未添加Al耐候鋼的3倍大。隨著鋼中Al含量的增加，晶粒進(jìn)一步粗化，鐵素體含量明顯增加。不含Al鋼的鐵素體平均晶粒尺寸約為6 μm，鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為78%；含0.25%Al耐候鋼的鐵素體平均晶粒尺寸約為12 μm，鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為92%；含0.75%Al耐候鋼的鐵素體平均晶粒尺寸約為20 μm，鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為95%。圖2為3種試驗(yàn)鋼板的微觀組織TEM像。通過選區(qū)電子衍射標(biāo)定可見，耐候鋼的組織主要為鐵素體，未添加Al的耐候鋼中有貝氏體存在，隨著Al含量增加，貝氏體的含量逐漸減少。Al的添加使耐候鋼中鐵素體含量明顯增加，這主要是由于Al具有強(qiáng)化鐵素體、抑制鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的作用。但是Al的添加會(huì)使晶粒開始長(zhǎng)大的溫度比微合金溶解溫度低得多，同時(shí)也會(huì)使鋼中原子的擴(kuò)散激活能降低，從而促進(jìn)耐候鋼中的鐵素體在高溫變形過程中易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，阻礙奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，上述幾方面因素共同作用使得添加Al的耐候鋼的晶粒發(fā)生粗化。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the tested steels(mass fraction) %

2.2 力學(xué)性能

圖1 試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the tested steels

圖2 試驗(yàn)鋼的透射電鏡照片F(xiàn)ig.2 TEM images of the tested steels

圖3為3種耐候鋼的常溫拉伸性能和-20 ℃的沖擊性能?？梢钥闯?，與未添加Al的耐候鋼相比，添加Al的耐候鋼的強(qiáng)度略有下降，斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能量有所提高。由霍爾- 佩奇公式可知，在外加載荷條件下，耐候鋼中的每個(gè)晶粒的變形都要受到周圍晶粒的牽制，故耐候鋼的室溫強(qiáng)度總是隨著晶粒的粗化(即晶界總面積的減少)而降低，從而導(dǎo)致位錯(cuò)滑移的有效距離增加，耐候鋼的塑性增加，沖擊吸收能量增加。隨著Al含量的增加，鋼中貝氏體含量減少，鐵素體含量增加，從而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度降低，斷后伸長(zhǎng)率增加。

2.3 耐腐蝕性能

從周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果看，如圖4所示，3種含Al耐候鋼的腐蝕失重相對(duì)較小。隨著Al含量的增加，腐蝕失重逐漸減小，與未添加Al的耐候鋼相比，添加Al的耐候鋼的腐蝕失重減小了25%，說明Al的添加可以改善耐候鋼的耐腐蝕性能。對(duì)此，Evans[7]的解釋為，Al的添加使銹層內(nèi)部富集的Al形成細(xì)粒尖晶石類氧化物FeAl2O4，這種特殊的銹層結(jié)構(gòu)，使含Al的耐候鋼在濕熱- 海洋大氣條件下，增強(qiáng)銹層對(duì)腐蝕介質(zhì)和水分的阻隔。

圖3 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of the tested steels

2.4 斷口形貌

圖5為不含Al、含0.23%Al和0.74%Al的耐候鋼的室溫拉伸斷口形貌。由圖5可知，不含Al的耐候鋼的整個(gè)斷面為解理斷裂，解理面較大且不均勻。Al的添加使耐候鋼的室溫拉伸斷裂機(jī)制由解理斷裂向韌窩斷裂轉(zhuǎn)變。這主要?dú)w因于Al的添加使鋼中鐵素體含量增加，而鐵素體的強(qiáng)度和硬度比珠光體低，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力小，從而有利于改善鋼的塑性。此外，隨著鋼中Al含量的增加，拉伸斷口韌窩尺寸減小、深度增加，從而使鋼的塑性提高。

圖4 試驗(yàn)鋼的腐蝕失重Fig.4 Corrosion weight loss of the tested steels

圖5 試驗(yàn)鋼拉伸試樣斷口的微觀形貌 Fig.5 Micrographs of tensile specimen fractures for the tested steels

3 結(jié)論

(1)耐候橋梁鋼中Al的添加具有強(qiáng)化鐵素體、抑制鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的作用。

(2)Al的添加使得耐候鋼的晶粒粗化，并使鋼中貝氏體含量減少，鐵素體含量增加，從而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度降低、斷后伸長(zhǎng)率和低溫沖擊性能以及耐腐蝕性能提高。

(3)Al的添加使得耐候鋼的室溫拉伸斷裂機(jī)制由解理斷裂向韌窩斷裂轉(zhuǎn)變。