卷取溫度對(duì)高強(qiáng)鋼700L組織和性能的影響

劉廣超 劉艷紅 劉艷玲

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 引言

我國(guó)汽車油耗占石油年消耗總量的一半左右，而汽車油耗的49.2%是被只占汽車總量13.9%的中、重型商用車（>3.5 t）消耗掉的。也就是說(shuō)，雖然我國(guó)中、重型商用車數(shù)量比乘用轎車少得多，但其消耗的燃油大體上卻與乘用車相當(dāng)。由于我國(guó)商用車通常是歇人不歇車的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此帶來(lái)的污染和能耗浪費(fèi)比轎車要嚴(yán)重得多。中國(guó)商用車的輕量化對(duì)于降低能源消耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因而也成為當(dāng)前汽車工業(yè)亟待解決的問題。商用車輕量化是設(shè)計(jì)、制造、材料技術(shù)的集成，車身設(shè)計(jì)以及鋼鐵材料的高強(qiáng)化則是商用車實(shí)現(xiàn)有效減重的關(guān)鍵，二者對(duì)輕量化的貢獻(xiàn)率可達(dá)到60%以上。因此，對(duì)商用車進(jìn)行輕量化的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的，其社會(huì)和環(huán)境效益更為巨大。用薄規(guī)格高強(qiáng)鋼代替厚規(guī)格普通鋼材使車身減重是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要手段。采用TMCP工藝生產(chǎn)的700L主要用于制造輕量化汽車大梁，大梁是車身的重要承重部位，要求其具有高強(qiáng)度、高塑韌性，因此對(duì)材料的組織和性能要求較高。

常規(guī)熱連軋產(chǎn)品比較容易實(shí)現(xiàn)TMCP工藝，該工藝不僅可以充分發(fā)揮Nb、Ti微合金元素的細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化綜合作用，節(jié)約能源消耗，降低生產(chǎn)成本，還可以根據(jù)材料的用途和加工工藝，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的軋制工藝參數(shù)使材料獲得不同的性能和組織。卷取溫度是制定軋制工藝的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)鋼材的組織和性能有重要的影響。通過(guò)研究不同卷取溫度下700L的組織和性能，為700L生產(chǎn)工藝的制定提供了重要的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)所用材料為安鋼生產(chǎn)的700L，經(jīng)鐵水預(yù)處理—150 t轉(zhuǎn)爐—精煉爐—連鑄生產(chǎn)出230 mm的鑄坯，試樣鋼的成分見表1。將鑄坯加熱至1 230～1 280 ℃，保溫一定時(shí)間，采用TMCP工藝軋制，經(jīng)過(guò)2架粗軋機(jī)6道或8道次粗軋，進(jìn)入7架精軋機(jī)，將鑄坯軋制成為規(guī)格為8 mm的鋼卷，出精軋溫度為840 ℃，經(jīng)層流冷卻后，分別以460 ℃、540 ℃、590 ℃，630 ℃，680 ℃進(jìn)行卷取，卷取后鋼卷在鋼卷庫(kù)正常冷卻48 h后取樣，進(jìn)行組織和性能分析。

表1 700L化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

采用GB/T 2975取樣方法，利用PME3 Axiovert200光學(xué)顯微鏡進(jìn)行試樣組織檢測(cè)；利用型號(hào)為WAW-Y500微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用GB/T228.1進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)；利用型號(hào)為JBW-500沖擊試驗(yàn)機(jī)采用GB/T229試驗(yàn)方法進(jìn)行-20 ℃沖擊功試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同卷取溫度的力學(xué)和沖擊性能

為掌握安鋼700L在實(shí)際生產(chǎn)卷取尾部溫度波動(dòng)情況下力學(xué)性能變化情況，大生產(chǎn)試驗(yàn)采用了460 ℃、540 ℃、590 ℃、630 ℃、680 ℃、732 ℃卷取溫度，其中732 ℃為層流冷卻故障沒有出水溫度，其余每個(gè)溫度試驗(yàn)軋制4～6卷，直到鋼卷尾部CT溫度命中目標(biāo)為止。各個(gè)卷取溫度尾部力學(xué)和沖擊性能（試樣尺寸5 mm×10 mm×55 mm）如圖1～2所示。

圖1 700L在不同卷取溫度下尾部力學(xué)性能

圖2 700L在不同卷取溫度下-20 ℃沖擊功

從圖1可以看出，當(dāng)卷取溫度在460～732 ℃時(shí)，隨著卷取溫度的升高，強(qiáng)度先降低，然后增加再降低，卷取溫度達(dá)到630 ℃左右時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值796 MPa，卷取溫度為680 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度較低，為698 MPa。層流未出水732 ℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度最低，為587 MPa。

從圖2可以看出，-20 ℃沖擊功隨著溫度的升高先降低后增加再降低，與強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)卷取溫度為590 ℃時(shí)，沖擊功達(dá)到最大值93 J；當(dāng)卷取溫度為680 ℃時(shí)，沖擊功達(dá)到最低值，僅為32 J。

2.2 不同卷取溫度的金相組織

不同卷取溫度下700L的金相組織如圖3所示。當(dāng)卷取溫度為540 ℃時(shí)，組織均勻，含有大量粒狀貝氏體；當(dāng)卷取溫度為590 ℃時(shí)，組織均勻，以準(zhǔn)多邊形鐵素體為主，含少量多邊形鐵素體和珠光體；當(dāng)卷取溫度為630 ℃時(shí)，組織主要為多邊形鐵素體和塊狀珠光體，有輕微混晶現(xiàn)象；當(dāng)卷取溫度為680 ℃時(shí)，晶粒粗大，有嚴(yán)重混晶現(xiàn)象。隨卷取溫度的升高，鐵素體晶粒尺寸不斷增大，珠光體的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。

3 分析和討論

3.1 卷取溫度對(duì)性能影響

通常，在成分相同的情況下，貝氏體相的強(qiáng)度應(yīng)該大于鐵素體相的強(qiáng)度，因?yàn)樨愂象w鋼中存在大量的碳化物或馬奧島。卷取溫度為460～630 ℃時(shí)，材料的強(qiáng)度隨卷取溫度的升高先降低后再升高，表明540 ℃繼續(xù)降低溫度到460 ℃卷取時(shí)，貝氏體相變更加充分，形成了相變強(qiáng)化效應(yīng)，強(qiáng)度可以滿足700L標(biāo)準(zhǔn)要求，但其塑性指標(biāo)的最低均值僅為14%。隨著卷曲溫度繼續(xù)升高，強(qiáng)度升高，說(shuō)明鐵素體基體有大量析出物，這些析出物能顯著提高鋼的性能。卷取溫度升高到630 ℃時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，為796 MPa，這說(shuō)明該溫度下鐵素體晶內(nèi)和晶界的Ti、Nb碳氮化物析出最充分，這些析出物能顯著提高鋼的性能；卷取溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于冷卻速度變慢，鐵素體晶粒尺寸增大，碳氮化物析出粗化長(zhǎng)大，析出強(qiáng)化作用減弱，強(qiáng)度降低，且在后續(xù)的卷取自回火保溫過(guò)程中析出物尺寸進(jìn)一步粗化長(zhǎng)大，析出強(qiáng)化作用減弱，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[2]。

從材料的塑性來(lái)看，隨著溫度的降低，晶粒逐漸變細(xì)和均勻化，低溫沖擊性能越來(lái)越好，原因一是細(xì)晶粒在受到外力發(fā)生塑形變形時(shí)，會(huì)有更多的晶粒參與變形，減少了應(yīng)力集中，二是晶粒越細(xì)，晶界面積越大，裂紋越不容易擴(kuò)展。當(dāng)卷取溫度從732 ℃降低到460 ℃時(shí)，沖擊功變化曲線呈現(xiàn)2個(gè)低谷和1個(gè)高峰，540 ℃時(shí)的沖擊韌性低谷主要是由于該溫度處于珠光體型和貝氏體型相變交界區(qū)，組織呈現(xiàn)粒狀貝氏體、退化珠光體和多邊形鐵素體混合組織，相界面相對(duì)比較脆弱，因?yàn)樵诖司砣囟认拢撝泻写罅苛钬愂象w，粒狀貝氏體的有效晶粒尺寸比較大，馬奧島組織并不能有效阻止裂紋的擴(kuò)展，所以裂紋容易產(chǎn)生和擴(kuò)展，導(dǎo)致沖擊功下降[3]。680 ℃時(shí)的沖擊韌性低谷主要是由于鐵素體晶粒較大，且不均勻，同時(shí)該溫度下，析出物尺寸偏大，這二者綜合下來(lái)表現(xiàn)韌性不好且為最低32 J。但732 ℃層流未出水時(shí)，強(qiáng)度較低，析出物較少且主要為珠光體型相變，為此沖擊韌性反而較高，但其不能滿足700L的性能指標(biāo)。

3.2 卷取溫度對(duì)金相組織影響

多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體都是先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。多邊形鐵素體是在過(guò)冷度較低的情況下，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的過(guò)程中，通過(guò)擴(kuò)散相變形成的，溫度越高，C元素越容易擴(kuò)散，越有利于鐵素體的形核和長(zhǎng)大。準(zhǔn)多邊形鐵素體是在過(guò)冷度較高的情況下形成的，隨著卷取溫度的降低，過(guò)冷度增加，冷卻速率增大，鋼中的原子擴(kuò)散變得困難，奧氏體通過(guò)塊狀轉(zhuǎn)變形成準(zhǔn)多邊形鐵素體，這種轉(zhuǎn)變機(jī)制不需要C原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散，只需要?/α界面附近的原子發(fā)生短程擴(kuò)散即可，轉(zhuǎn)變速度極快。奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過(guò)程中過(guò)冷度越低，鐵素體的形核核心越多，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的晶粒尺寸越小[1]。因此，在460～680 ℃的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，晶粒有準(zhǔn)多變形鐵素體向多變形鐵素體轉(zhuǎn)變，且晶粒尺寸逐漸增大。當(dāng)卷取溫度降到540 ℃以下時(shí)，奧氏體直接進(jìn)入貝氏體的相變區(qū)，奧氏體通過(guò)塊狀轉(zhuǎn)變形成粒狀貝氏體。

高溫卷取造成混晶主要有兩方面因素：一是層流冷卻過(guò)程，冷速不夠快，不能滲透到心部，造成鋼板表面冷卻較快溫度達(dá)到卷取溫度，而心部返溫溫度依然較高，鋼卷卷取后，造成混晶；二是卷取溫度較高時(shí)，表層、1/4處和心部的鐵素體晶粒內(nèi)部的元素?cái)U(kuò)散能力較強(qiáng)，在不同的冷速條件下，相變不一致。同時(shí)在晶界曲率的驅(qū)動(dòng)下，相變后由于心部返溫，容易發(fā)生ostwald熟化機(jī)制，造成部分晶粒長(zhǎng)大[1]。

4 結(jié)論

（1）相同的軋制工藝下，在460～732 ℃的溫度范圍內(nèi)，卷取溫度越高，鐵素體晶粒尺寸不斷增大，珠光體的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，鐵素體形態(tài)有準(zhǔn)多邊形向多邊形轉(zhuǎn)變。卷取溫度為460 ℃時(shí)，組織以粒狀貝氏體和準(zhǔn)多邊形鐵素鐵為主，強(qiáng)度和韌性指標(biāo)處于700L設(shè)計(jì)的中下限范圍，在一定的規(guī)格上可以采用該種方案。

（2）卷取溫度為630 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值796 MPa，卷取溫度為590 ℃時(shí)，低溫度-20 ℃沖擊功半樣達(dá)到最大值93 J。綜合平衡這兩種卷取溫度下的力學(xué)性能、低溫沖擊韌性和塑性伸長(zhǎng)率指標(biāo)，安鋼8 mm的700L生產(chǎn)選擇采用（590±20） ℃的卷取工藝。

（3）當(dāng)層流未出水時(shí)，卷取溫度較高，晶粒尺寸和析出物尺寸較大且主要為珠光體型相變，力學(xué)性能無(wú)法滿足700L設(shè)計(jì)要求。