控軋控冷工藝中冷卻溫度對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼顯微組織和拉伸性能的影響

雷 波1，何 雨2，黃顯彬

(1.廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣安 638000；2.北京科技大學(xué)材料學(xué)院，北京 100083；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，都江堰 611800)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，中國(guó)建筑結(jié)構(gòu)形式朝著高層/超高層以及大跨度方向發(fā)展。由于近年來(lái)四川汶川、雅安以及青海玉樹(shù)等地區(qū)頻繁發(fā)生地震災(zāi)害，研究者們都在努力合作開(kāi)發(fā)具有良好綜合性能的高強(qiáng)韌性建筑用抗震鋼，并解決高強(qiáng)韌性與低屈強(qiáng)比不匹配問(wèn)題[1-2]：在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比通常無(wú)法匹配，即提高強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)增大屈強(qiáng)比[3-5]。為了滿足新時(shí)期建筑用鋼的市場(chǎng)需求，具有良好強(qiáng)韌性、低屈強(qiáng)比(≤0.85)等優(yōu)點(diǎn)的590 MPa級(jí)高強(qiáng)抗震鋼是目前亟待開(kāi)發(fā)的鋼種。已有研究成果表明，高強(qiáng)度低屈強(qiáng)比結(jié)構(gòu)用鋼通常含有多相或者雙相組織，一般通過(guò)改變化學(xué)成分、調(diào)整生產(chǎn)工藝等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)。其中，控軋控冷工藝可以在對(duì)鋼材進(jìn)行組織調(diào)控的同時(shí)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，是開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度低屈強(qiáng)比結(jié)構(gòu)用鋼的一種有效方法。目前，有關(guān)控軋控冷工藝的研究多集中在冷卻速率、冷卻方式等對(duì)熱軋鋼板組織與性能的影響上[6-7]。作者在調(diào)研國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)韌建筑用鋼開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，選取熱軋態(tài)Q550D鋼板為研究對(duì)象，研究了控軋控冷過(guò)程中開(kāi)始冷卻(開(kāi)冷)溫度和終冷溫度對(duì)其顯微組織和拉伸性能的影響，擬為590 MPa級(jí)抗震鋼板的工業(yè)化生產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為Q550D鋼板，厚度為24 mm，由河鋼集團(tuán)鋼研總院提供，采用傳統(tǒng)熱軋工藝生產(chǎn)。采用iCAP7000 Plus型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測(cè)得試驗(yàn)鋼的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.07C，0.39Si，1.69Mn，0.011P，0.005S，0.067Nb，0.013Ti，≤0.80(Mo+Cr+Ni)，余Fe。采用DIL402PC型熱膨脹儀測(cè)定試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體溫度Ac1，鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體溫度Ac3，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Ar1和奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ar3，結(jié)果分別為812，884，684，758 ℃。

在試驗(yàn)鋼板上截取尺寸為380 mm×36 mm×24 mm的試樣，用去離子水清洗并吹干后，進(jìn)行控軋控冷處理，其具體工藝為：將吹干后的試樣在KJ-M1200-12LZ型箱式電阻爐中進(jìn)行875 ℃保溫45 min的熱處理，再升溫至910 ℃后，在3 min內(nèi)在MSB-6C-650型可逆軋機(jī)上進(jìn)行壓下量為20%的軋制，然后以較慢的冷卻速率(約10 ℃·s-1)緩冷至開(kāi)冷溫度，再以相對(duì)較快的冷卻速率(約80 ℃·s-1)冷卻至終冷溫度，然后空冷至室溫。如表1所示，共設(shè)計(jì)了6組軋后冷卻溫度，分別對(duì)比了終冷溫度相同、開(kāi)冷溫度不同(1#和4#，3#和5#)，開(kāi)冷溫度相同、終冷溫度不同(4#，5#，6#)以及同時(shí)降低開(kāi)冷溫度和終冷溫度(1#，2#，3#)條件下試驗(yàn)鋼的顯微組織和拉伸性能。

表1 控軋控冷工藝的開(kāi)冷溫度和終冷溫度

采用線切割方法截取金相試樣(表面尺寸為12 mm×12 mm)，經(jīng)鑲嵌、磨拋，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在S-4800型掃描電鏡(SEM)上觀察顯微組織，并用Axio Imager M2m型光學(xué)顯微鏡附帶Image Pro Plus 6.0軟件分析不同相含量，觀察5個(gè)視場(chǎng)取平均值。根據(jù)GB/T 228.1-2010，在MTS-809型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸為140 mm×18 mm×3 mm，標(biāo)距為40 mm，拉伸速度為2 mm·min-1，測(cè)3個(gè)平行試樣取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知：在不同開(kāi)冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后，試驗(yàn)鋼的基體組織基本相同，都為貝氏體+少量鐵素體+大量馬氏體/奧氏體(M/A)島，M/A島分布在鐵素體/貝氏體相界上，均主要呈顆粒狀、塊狀和長(zhǎng)條狀。

由表2可以看出：在相同終冷溫度下降低開(kāi)冷溫度(1#和4#或5#和3#)，試驗(yàn)鋼中的鐵素體和M/A島含量增加，且鐵素體含量的增加幅度較大而M/A島的很小。這是因?yàn)榻档烷_(kāi)冷溫度亦即增大軋制和開(kāi)始冷卻之間的溫差，會(huì)在增加鐵素體形核驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)延長(zhǎng)鐵素體形核孕育時(shí)間[8]，從而促進(jìn)鐵素體形成；而快速冷卻階段形成的M/A島的含量主要與終冷溫度有關(guān)，開(kāi)冷溫度對(duì)其影響較小。在相同開(kāi)冷溫度下降低終冷溫度(4#，5#，6#)，試驗(yàn)鋼中的鐵素體含量略有減少而M/A島含量明顯增加。這是因?yàn)榻K冷溫度對(duì)較高溫度下形成的鐵素體形核和孕育的影響較小，而對(duì)快速冷卻過(guò)程中形成的M/A島影響較大[9]；終冷溫度的降低更有利于形成M/A島。同時(shí)降低開(kāi)冷溫度和終冷溫度(1#，2#，3#)，試驗(yàn)鋼中的鐵素體和M/A島含量同步遞增，但M/A島的增加幅度小于鐵素體的。

圖1 在不同開(kāi)冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

表2 在不同開(kāi)冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼中鐵素體和M/A島的體積分?jǐn)?shù)

Table 2 Volume fractions of ferrite and M/A island in test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

編號(hào)開(kāi)冷溫度/℃終冷溫度/℃鐵素體體積分?jǐn)?shù)/%M/A島體積分?jǐn)?shù)/%1#80544513.8310.362#75539520.2313.123#72535525.7815.084#78544516.2011.605#78535515.4912.856#78526515.2715.49

圖2 在不同開(kāi)冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

2.2 拉伸性能

由圖2可見(jiàn)：在相同終冷溫度下降低開(kāi)冷溫度(1#和4#或5#和3#)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度顯著降低，抗拉強(qiáng)度變化幅度較小，反映在屈強(qiáng)比上表現(xiàn)為屈強(qiáng)比減小，這是因?yàn)樵谠摋l件下組織中硬質(zhì)相M/A島的含量雖略有增加但增加幅度較小，而軟質(zhì)相鐵素體的含量明顯增大[10-11]。此外，試驗(yàn)鋼的拉伸性能還與其晶粒大小有關(guān)[12]。在相同終冷溫度下降低開(kāi)冷溫度會(huì)造成晶粒的粗化和長(zhǎng)大，而晶粒粗化對(duì)屈服強(qiáng)度的降低作用大于對(duì)其抗拉強(qiáng)度的作用[13]，這也導(dǎo)致了屈強(qiáng)比的減小。在相同開(kāi)冷溫度下降低終冷溫度(4#，5#，6#)，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度基本不變，而屈服強(qiáng)度增大，反映在屈強(qiáng)比上表現(xiàn)為屈強(qiáng)比增大，這是因?yàn)樵谠摋l件下組織中的軟質(zhì)相鐵素體含量略有減少，而硬質(zhì)相M/A島含量明顯增大。同時(shí)降低開(kāi)冷溫度和終冷溫度(1#，2#，3#)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度減小，而抗拉強(qiáng)度先增大后減小，且抗拉強(qiáng)度的減小幅度小于屈服強(qiáng)度的，反映在屈強(qiáng)比上表現(xiàn)屈強(qiáng)比降低。在6組軋后冷卻溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的屈強(qiáng)比都符合建筑抗震鋼對(duì)屈強(qiáng)比的要求，即不大于0.85。

對(duì)比可知：在開(kāi)冷溫度725 ℃、終冷溫度355 ℃(3#)條件下，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比最低；在開(kāi)冷溫度755 ℃、終冷溫度395 ℃(2#)條件下，試驗(yàn)鋼具有最高的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度則與開(kāi)冷溫度805 ℃、終冷溫度445 ℃(1#)條件下的相當(dāng)(相對(duì)最高)，但屈強(qiáng)比更低。由此可見(jiàn)，當(dāng)開(kāi)冷溫度為755 ℃，終冷溫度為395 ℃(2#)時(shí)，試驗(yàn)鋼具有最佳的拉伸性能。

3 結(jié) 論

(1) 不同開(kāi)冷溫度和終冷溫度(共6組)下試驗(yàn)鋼的基體組織均由貝氏體+鐵素體+M/A島組成，M/A島分布在鐵素體/貝氏體相界上，均主要呈顆粒狀、塊狀和長(zhǎng)條狀；在相同終冷溫度下降低開(kāi)冷溫度能增加鐵素體和M/A島含量，但M/A島含量的增加幅度較??；在相同開(kāi)冷溫度下降低終冷溫度，鐵素體含量略有減少而M/A島含量明顯增加；同時(shí)降低開(kāi)冷溫度和終冷溫度，鐵素體和M/A島含量同步遞增，但M/A島含量的增加幅度小于鐵素體的。

(2) 在6組軋后冷卻溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的屈強(qiáng)比都符合建筑抗震鋼的屈強(qiáng)比不大于0.85的要求；在相同終冷溫度下降低開(kāi)冷溫度，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度顯著降低，抗拉強(qiáng)度變化幅度較小，屈強(qiáng)比減小；相同開(kāi)冷溫度下降低終冷溫度，抗拉強(qiáng)度基本不變，屈服強(qiáng)度增大，屈強(qiáng)比增大；同時(shí)降低開(kāi)冷溫度和終冷溫度，屈服強(qiáng)度減小，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，屈強(qiáng)比降低。

(3) 試驗(yàn)鋼組織中軟質(zhì)相鐵素體和硬質(zhì)相M/A島含量的變化決定著屈強(qiáng)比的變化：鐵素體含量明顯增加，則屈強(qiáng)比降低；M/A島含量明顯增加，則屈強(qiáng)比增大。在開(kāi)冷溫度755 ℃、終冷溫度395 ℃下，試驗(yàn)鋼具有最佳的拉伸性能。