建筑裝飾用鋼的熱處理與性能研究

周 佳

(馬鞍山師范高等專科學校 藝術(shù)設(shè)計系,安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

現(xiàn)代化建筑高度增加、層數(shù)增多以及跨度增大的特點,給建筑裝飾用鋼的綜合性能提出了較高要求,其中良好的塑性和沖擊性能是除高強和良好焊接性能之外的特殊要求。新材料的開發(fā)需要與之匹配的新工藝,目前國內(nèi)外在高層建筑裝飾用鋼的工藝研發(fā)方面主要集中在淬回火、正火等[1-2],所得到的建筑裝飾用鋼很難實現(xiàn)高強與高韌塑性的結(jié)合,對于等溫淬火后進行回火的熱處理工藝的研究較少[3-4]。本文在對已有的中碳低合金鋼成分優(yōu)化的基礎(chǔ)上,研究了等溫淬火和回火對建筑裝飾用鋼組織和性能的影響,以期開發(fā)出高綜合性能的建筑裝飾用鋼。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

以中國寶武鋼鐵集團有限公司制備的厚度20 mm熱軋板坯為試驗原料,具體制備工藝為:真空感應(yīng)熔煉后置于納博熱(Nabertherm)高溫爐中進行1 225 ℃保溫12 h的均勻化退火,空冷至開軋溫度(1 175 ℃)后進行多道次軋制直至得到厚18 mm熱軋板坯,終軋溫度為875 ℃,然后空冷至室溫。采用光譜法測得熱軋板成分為w(C)=0.36%、w(Si)=1.44%、w(Mn)=1.01%、w(P)=0.009%、w(S)=0.004%、w(Cr)=1.03%、w(Ni)=1.02%、w(Cu)=0.12%,余量為Fe。采用Gleeble-3 800型熱模擬試驗機測得熱軋鋼板的Ac1、 Ac3和Ms溫度分別為778 ℃、816 ℃和210 ℃。由此設(shè)計熱軋鋼板的等溫淬火-回火工藝為:將熱軋板坯加熱至完全奧氏體(A)化溫度875 ℃保溫1 h后,降溫至585 ℃進行變形量30%的壓縮變形處理,然后進行315 ℃/(45 min)等溫淬火后空冷至室溫得到等溫淬火態(tài)試樣,之后再進行235～435 ℃保溫1 h的回火并空冷至室溫。

1.2 測試與表征

等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣經(jīng)過鑲嵌和磨拋后,采用體積分數(shù)為3.5%的酒精溶液腐蝕后置于Leica DM6M型金相顯微鏡進行觀察;采用SU5000型掃描電鏡對顯微形貌和斷口形貌進行觀察;采用Tecnai G2 F30型透射電鏡對微觀組織結(jié)構(gòu)進行觀察;在島津AGS-X型萬能試驗機上進行拉伸速率1.5 mm/min的室溫拉伸性能測試,最終結(jié)果取3個試樣的平均值;室溫沖擊性能測試在JBW-300B型微機控制沖擊試驗機上進行。拉伸試樣和沖擊試樣尺寸如圖1.

圖1 拉伸試樣和沖擊試樣尺寸Fig.1 Dimensions of tensile and impact specimens

2 結(jié)果及討論

圖2為建筑裝飾用鋼的光學顯微組織。等溫淬火態(tài)試樣的組織為灰色殘余A+黑色針狀下貝氏體(B);

經(jīng)過235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保溫1 h的回火處理后,基體組織中的A組織隨著回火溫度升高而逐漸減少直至消失,而B組織的板條界面則隨著回火溫度升高而逐漸鈍化。此外,235～435 ℃回火熱處理后的光學顯微組織中雖然可見A和B組織的變化規(guī)律,但是回火過程中是否有碳化物則無法分辨。

圖3為建筑裝飾用鋼的掃描電鏡顯微組織。等溫淬火態(tài)試樣中可見黑色塊狀A(yù)組織；而經(jīng)過235 ℃保溫1 h的回火處理后,基體組織中大部分A組織消失,雖然沒有發(fā)現(xiàn)碳化物析出,但是局部可見細小B鐵素體形成,這主要是因為此時的回火溫度高于Ms所致[5];當回火溫度升高至285 ℃時,保溫1 h后的試樣中的黑色塊狀A(yù)基本消失并分解成滲碳體和鐵素體。

圖4為建筑裝飾用鋼的透射電鏡顯微組織。等溫淬火態(tài)試樣中可見白色/灰色殘余A以及板條界面清晰的B;經(jīng)過235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保溫1 h的回火處理后,基體組織中的塊狀A(yù)含量逐漸減少并轉(zhuǎn)變?yōu)锽組織,而B板條界面也逐漸模糊。在這個回火過程中,塊狀A(yù)的分解使得殘余A中的碳含量升高而變得愈發(fā)穩(wěn)定[6],且由于試驗用鋼中有較高的Si含量(w(Si)=1.44%),在回火過程中會強烈抑制殘余A中碳化物的析出[7],兩方面共同作用下會使得未發(fā)生分解的殘余A中聚集濃度較高的碳原子并最終轉(zhuǎn)變成無碳化物B,這種在B板條間形成的薄膜狀殘余A可以減小碳化物析出的不利影響并有助于改善試驗用鋼的韌塑性[8]。此外,沿著某一方向分布的B板條間薄膜狀殘余A還會將鐵素體板條分割成細小層片狀,這種在回火過程中形成的復(fù)合組織有助于減小裂紋尖端應(yīng)力集中并抑制裂紋擴展[9],從而在一定程度上改善材料的韌塑性。

表1為建筑裝飾用鋼的室溫拉伸性能測試結(jié)果。等溫淬火態(tài)試樣的抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度分別為1 822 MPa和1 027 MPa,而斷后伸長率僅為5.19%,較高的強度和較低的塑性使得此時材料的強塑積較小,約9 456 MPa%;經(jīng)過235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃和435 ℃保溫1 h的回火處理后,試驗用鋼的抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度雖有不同程度減小,但是斷后伸長率卻有明顯提升,反映在強塑積上則表現(xiàn)為回火態(tài)試樣的強塑積明顯高于等溫淬火態(tài)試樣,且在回火溫度為285 ℃時取得最大的強塑積,約為33 612 MPa%,相較于等溫淬火態(tài)提高255%。等溫淬火態(tài)試樣具有較高的強度和較低的塑性,這是因為等溫淬火態(tài)試樣保留了熱軋態(tài)試樣中的高密度位錯以及形成了針狀B組織[10];經(jīng)過回火處理后,試驗用鋼的基體組織會發(fā)生位錯密度降低以及B的碳原子重組[11],加工硬化作用降低的同時減弱了固溶強化效果,抗拉強度會有所降低,而斷后伸長率則會由于位錯回復(fù)而增加。綜合而言,在回火溫度為285 ℃時,等溫淬火-回火態(tài)試樣取得了較高的強度和最大的強塑積。

表1 建筑裝飾用鋼的室溫拉伸性能Table 1 Tensile property of building decoration steel at troom temperature

圖5為建筑裝飾用鋼的室溫沖擊性能測試結(jié)果。等溫淬火態(tài)試樣的室溫沖擊吸收能量明顯低于回火態(tài)試樣,前者的室溫沖擊吸收能量約19 J,而后者的室溫沖擊吸收能量都在31 J以上。隨著回火溫度從235 ℃上升至435 ℃,試驗用鋼的室溫沖擊吸收能量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。等溫淬火態(tài)試樣具有較低的沖擊吸收能量，這主要與此時基體組織中含有韌塑性較差的塊狀A(yù)組織有關(guān)[12]。而經(jīng)過235～435 ℃回火熱處理后,塊狀殘余A逐漸消失,基體組織中還出現(xiàn)了韌塑性較好的復(fù)相組織,此時的沖擊性能會有所提升；但是回火溫度的升高會造成B板條的粗化,從而在一定程度上降低沖擊韌性，并造成室溫沖擊吸收能量隨著回火溫度升高而減小。

圖5 建筑裝飾用鋼的室溫沖擊性能Fig.5 Impact property of building decoration steel at room temperature

圖6 等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣的室溫沖擊斷口形貌Fig.6 Impact fracture morphology of isothermal quenched and tempered specimens at room temperature

圖6為等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣的室溫沖擊斷口顯微形貌。等溫淬火態(tài)試樣的沖擊斷口中可見細小的解理小面、局部微孔聚集和撕裂棱,呈準解理斷裂形態(tài);經(jīng)過235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保溫1 h的回火處理后,試驗用鋼的沖擊斷口主要以尺寸不等、深度不一的韌窩和撕裂棱為主,表明回火態(tài)試樣主要以韌性斷裂為主。對比分析可知,當回火溫度為235 ℃、285 ℃和335 ℃時,沖擊斷口中韌窩較深、尺寸較大且撕裂棱數(shù)量較多,表明此時具有較好的沖擊韌性;而當回火溫度升高至385 ℃及以上時,沖擊斷口中韌窩變淺、數(shù)量變少,并在435 ℃的沖擊斷口中基本看不到尺寸較大以及較深的韌窩存在,此時的室溫沖擊韌性較差。等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣的室溫沖擊斷口形貌與圖5的室溫沖擊性能測試結(jié)果保持一致,即在回火態(tài)試樣的室溫沖擊韌性優(yōu)于等溫淬火態(tài),且回火溫度在235～335 ℃時具有較好的沖擊韌性。

3 結(jié)論

1)等溫淬火態(tài)試樣的組織為灰色殘余A+黑色針狀下B;隨著回火溫度從235 ℃升高至435 ℃,基體組織中的塊狀A(yù)含量逐漸減少并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锽鐵素體,而B板條界面逐漸鈍化。

2)等溫淬火態(tài)試樣的抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度分別為1 822 MPa和1 027 MPa,而斷后伸長率僅為5.19%;經(jīng)過235～435 ℃回火后,回火態(tài)試樣的強塑積明顯高于等溫淬火態(tài)試樣,且在回火溫度為285 ℃時取得最大的強塑積,約為33 612 MPa%,相較于等溫淬火態(tài)提高了255%。

3)等溫淬火態(tài)試樣的室溫沖擊吸收能量明顯低于回火態(tài)試樣,前者的室溫沖擊吸收能量約19 J,而后者的室溫沖擊吸收能量都在31 J以上。隨著回火溫度從235 ℃上升至435 ℃,試驗用鋼的室溫沖擊吸收能量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。