固溶溫度對新型建筑耐候鋼性能的影響

張書娜,何 宇,焦麗君,盧志文,劉 駿

(1. 邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，邢臺(tái) 054035； 2. 邢臺(tái)鋼鐵有限責(zé)任公司，邢臺(tái) 054035；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

建筑耐候鋼相較于普通建筑用鋼具有更好的耐大氣腐蝕的能力，但在潮濕大氣中S、Cl等化合物會(huì)溶于水中形成腐蝕性介質(zhì)[1]，使建筑用鋼受到不同形式的腐蝕破壞(點(diǎn)蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕等[2])，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，整體結(jié)構(gòu)承載力下降，甚至建筑倒塌等[3]。為了增強(qiáng)建筑用鋼的耐大氣腐蝕性能，提升建筑物的安全性，開發(fā)出低成本、高耐候性的新型建筑耐候鋼變得尤為重要。雖然我國在建筑耐候鋼的開發(fā)與應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的工作，但是由于起步較晚，在體系建設(shè)方面與國外還有一定的差距，國產(chǎn)耐候鋼的綜合性能也不如國外先進(jìn)耐候鋼的，如屈服強(qiáng)度高于500 MPa級(jí)的耐候鋼還存在耐蝕性較差等問題[4-5]。熱處理是一種廣泛應(yīng)用的提升金屬材料性能的方法。但目前關(guān)于耐候鋼熱處理的研究不多，且這些研究主要集中在時(shí)效處理方面，而關(guān)于固溶溫度對耐候鋼顯微組織、力學(xué)性能和耐蝕性能影響方面的報(bào)道較少[6-7]。本工作選取耐候鋼組織與性能較為敏感的固溶溫度(1 025～1 200 ℃)，分析了固溶溫度對新型耐候鋼顯微組織和性能的影響，并分析了固溶溫度對改善耐候鋼顯微組織和性能的作用機(jī)理，以期為新型建筑耐候鋼的開發(fā)與應(yīng)用提供必要參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選取熱軋態(tài)新型建筑耐候鋼板(厚度16 mm)為試驗(yàn)材料，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.035% C、0.35% Si、0.66% Mn、0.007% P、0.004% S、22.57% Cr、7.40% Ni、4.41% Mo、0.28% N，余量為Fe。在箱式電阻爐中對熱軋耐候鋼板進(jìn)行固溶處理，即將鋼板加熱到設(shè)定溫度后裝爐并保溫60 min后出爐水冷。固溶溫度分別為1 025、1 075、1 125、1 175、1 200 ℃。

1.2 測試與表征

采用冷鑲法制備金相試樣，試樣經(jīng)打磨、拋光后分別進(jìn)行電解腐蝕(15% NaOH溶液，電解30 s)和晶粒度腐蝕(2.5 g KMnO4+8 mL H2SO4+92 mL H2O,48 ℃水浴20 min)，再置于GX51型金相顯微鏡上觀察組織特征，采用專業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus 6.0分析試樣中鐵素體和奧氏體含量；采用S-4800型掃描電鏡(SEM)觀察微觀組織和斷口形貌；在MTS-810型拉伸機(jī)、JB30B擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)和TH320型洛氏硬度計(jì)上分別進(jìn)行室溫拉伸、室溫沖擊和洛氏硬度測試；在P4000A型電化學(xué)工作站中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三電極體系的室溫極化曲線和電化學(xué)阻抗測試，腐蝕溶液都為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl，測試電位均相對于參比電極(飽和甘汞電極，SCE)。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的OM形貌。無論是熱軋態(tài)還是固溶態(tài)，耐候鋼的組織都由黑灰色條狀鐵素體(α)和亮白色帶狀?yuàn)W氏體(γ)組成。熱軋態(tài)和較低固溶溫度下(1 025和1 075 ℃)，耐候鋼中的α和γ相有明顯的變形特征，且分布不均勻；在較高的固溶溫度下(1 125～1 200 ℃)，耐候鋼中α和γ相的變形特征消失，隨著固溶溫度升高,α晶粒有長大的趨勢，α和γ相的分布變得均勻。

(a) 熱軋態(tài) (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃圖1 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼的OM形貌Fig. 1 OM morphology of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures (b-f)

圖2為熱軋態(tài)和和固溶態(tài)耐候鋼的SEM形貌。對比分析可見，熱軋態(tài)和較低固溶溫度下(1 025 ℃和1 075 ℃)，耐候鋼界面處存在塊狀析出相，能譜分析表明這些析出相主要含有Fe、Cr、Mo和O等元素；在較高的固溶溫度下(1 125～1 200 ℃)，耐候鋼中的塊狀析出相基本都回熔至基體，耐候鋼中未見明顯析出相存在。

(a) 熱軋態(tài) (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃圖2 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼的SEM形貌Fig. 2 SEM morphology of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures (b-f)

圖3為固溶溫度對耐候鋼中奧氏體和鐵素體含量的影響。在1 125～1 200 ℃固溶溫度，塊狀析出相回熔至基體。從圖3可知，在較高的固溶溫度下，隨著固溶溫度升高，耐候鋼中的奧氏體含量逐漸降低，鐵素體含量升高；當(dāng)固溶溫度為1 175 ℃時(shí)，耐候鋼中鐵素體體積分?jǐn)?shù)為49.3%、奧氏體體積分?jǐn)?shù)為50.7%，二者的體積比約為1∶1。這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)果基本一致。

圖3 固溶溫度對耐候鋼中奧氏體和鐵素體含量的影響Fig. 3 Effect of solution treatment temperature on austenite content and ferrite content in weathering steel

圖4為熱軋態(tài)和和固溶態(tài)耐候鋼的晶粒度照片。固溶態(tài)耐候鋼的晶粒相較于熱軋態(tài)有所長大，但是在固溶溫度為1 175 ℃時(shí)，耐候鋼中α和γ晶粒較為細(xì)小，且二者晶粒尺寸較為接近，組織均勻性較高，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)耐候鋼中奧氏體和鐵素體體積分?jǐn)?shù)分別為50.7%和49.3%，兩相體積比較為接近時(shí)可以互相抑制對方晶粒長大，從而獲得更小的晶粒尺寸[9]。如果固溶溫度過高(1 200 ℃)，鐵素體和奧氏體體積比在發(fā)生變化的同時(shí)，晶粒長大驅(qū)動(dòng)力增加，因此固溶溫度為1 200 ℃時(shí),耐候鋼的晶粒比1 175 ℃時(shí)的更大。

2.2 力學(xué)性能

表1為熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的室溫力學(xué)性能。分析可知，與熱軋態(tài)耐候鋼相比，固溶態(tài)耐候鋼的強(qiáng)度和硬度相對偏低，但是斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能相對較高；在固溶溫度為1 175 ℃時(shí)，耐候鋼具有較高的強(qiáng)度和硬度，且韌塑性和沖擊吸收能都獲得最大值。固溶態(tài)耐候鋼的強(qiáng)度和硬度低于熱軋態(tài)耐候鋼的是因?yàn)椋汗倘芴幚砗竽秃蜾摰幕貜?fù)和再結(jié)晶更加充分，晶粒會(huì)發(fā)生一定程度長大，且鐵素體含量減少[10]。固溶溫度為1 175 ℃時(shí)，耐候鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能，這主要與耐候鋼中硬脆析出相消失，以及奧氏體和鐵素體含量接近使其具有更好的組織協(xié)調(diào)性有關(guān)[11]。

圖5為熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的室溫拉伸斷口形貌。由圖5可見，熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的拉伸斷口都呈現(xiàn)出韌性斷裂特征的韌窩形態(tài)，沒有河流花樣的解理，也沒有冰糖狀的沿晶斷裂，但是固溶態(tài)耐候鋼斷口的韌窩相對更深、尺寸也更大，故耐候鋼的塑性相對更好，且固溶溫度為1 175 ℃時(shí)塑性最好，與表1中斷后伸長率的測試結(jié)果保持一致。

(a) 熱軋態(tài) (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃圖4 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼的晶粒度照片F(xiàn)ig. 4 Photographs of grain size of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures (b-f)

表1 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼的室溫力學(xué)性能Tab. 1 Room temperature mechanical properties of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures

2.3 耐腐蝕性能

圖6為熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的陽極極化曲線。對比分析可知，熱軋態(tài)和5種固溶態(tài)耐候鋼的極化曲線變化趨勢基本相同，且鈍化區(qū)間較寬。這主要是因?yàn)殡娀瘜W(xué)腐蝕過程中耐候鋼表面生成了穩(wěn)定的鈍化膜[12]。采用Powersuite軟件對極化曲線進(jìn)行擬合，得到熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的自腐蝕電位、腐蝕電流密度和點(diǎn)蝕電位等電化學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表2所示。其中，點(diǎn)蝕電位Eb100是指電流密度為100 μA/cm2對應(yīng)的電位值。從表2可知，熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的點(diǎn)蝕電位都在1 V以上，這說明熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼都具有較好的耐點(diǎn)蝕性能[13]。此外，固溶溫度為1 075、1 125、1 175 ℃時(shí)，耐侯鋼的自腐蝕電位都比熱軋態(tài)耐候鋼的更正，且固溶溫度在1 175 ℃時(shí)，腐蝕電流密度取得最小值，根據(jù)自腐蝕電位和腐蝕電流密度與材料耐腐蝕性能之間的對應(yīng)關(guān)系可知[14]，耐候鋼最佳的固溶溫度為1 175 ℃，此時(shí)耐候鋼具有最好的耐腐蝕性能。

圖7為熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜和及等效電路圖。由圖7(a)可見，熱軋態(tài)和5種固溶態(tài)耐候鋼的電化學(xué)阻抗譜都近似為半圓形容抗弧。容抗弧半徑越大，對電荷傳遞的阻礙作用就越大，耐點(diǎn)蝕性能就更強(qiáng)[15-16]。因此可以判斷固溶態(tài)耐候鋼的耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)于熱軋態(tài)耐候鋼的，且固溶溫度為1 175 ℃時(shí)耐候鋼具有最佳的耐點(diǎn)蝕性能。采用Zsimpwin軟件對該腐蝕體系的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行擬合，得到溶液電阻Rsol、鈍化膜電阻R1和彌散系數(shù)n等電化學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表3所示。從鈍化膜電阻和彌撒系數(shù)擬合結(jié)果可知，固溶溫度為1 175 ℃時(shí)，耐候鋼的鈍化膜電阻最大、彌散系數(shù)接近于1，具有最強(qiáng)的阻礙電荷轉(zhuǎn)移的作用，耐腐蝕性能最好。這與極化曲線測試結(jié)果保持一致。

(a) 熱軋態(tài) (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃圖5 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼室溫拉伸后的斷口形貌Fig. 5 Fracture morphology of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures after tensile test at room temperature (b-f)

圖6 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼的陽極極化曲線Fig. 6 Anode polarization curves of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures

表2 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼極化曲線的電化學(xué)參數(shù)Tab. 2 Electrochemical parameters of polarization curves of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures

(a) 電化學(xué)阻抗譜

(b) 等效電路圖圖7 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理耐候鋼在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜和等效電路圖Fig. 7 EIS (a) and equivalent circuit diagram (b) of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures in 3.5% NaCl solution

3 結(jié)論

(1) 熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼的顯微組織為鐵素體(α)和奧氏體(γ)，固溶溫度為1 175 ℃時(shí)，耐候鋼中鐵素體體積分?jǐn)?shù)為49.3%、奧氏體體積分?jǐn)?shù)為50.7%，二者的比例約為1∶1。

表3 熱軋態(tài)和固溶態(tài)耐候鋼在3.5% NaCl溶液中電化學(xué)阻抗譜的擬合電化學(xué)參數(shù)Tab. 3 Fitted electrochemical parameters of EIS of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures in 3.5% NaCl solution

(2) 固溶態(tài)耐候鋼的強(qiáng)度和洛氏硬度會(huì)低于熱軋態(tài)耐候鋼的，但是斷后伸長率、斷面收縮率和室溫沖擊吸收能都高于熱軋態(tài)耐候鋼的。在固溶溫度為1 175 ℃時(shí)，耐候鋼具有較高的強(qiáng)度和硬度，且韌塑性和室溫沖擊吸收能都獲得最大值。

(3) 極化曲線和電化學(xué)阻抗譜測試結(jié)果顯示，固溶溫度為1 175 ℃時(shí),耐候鋼具有最好的耐腐蝕性能。