控軋控冷工藝中終冷溫度對高強(qiáng)建筑用鋼組織與拉伸性能的影響

張潤智，劉志琦

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，武漢 430074；2. 武漢科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081)

0 引 言

控軋控冷(TMCP)工藝作為一種在鋼材熱軋過程中將控制軋制和控制冷卻結(jié)合起來的熱機(jī)械變形軋制工藝，能夠在不添加貴金屬元素以及不進(jìn)行復(fù)雜熱處理前提下進(jìn)一步提高鋼材的綜合性能，且相較于傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝(出爐后軋制至成品厚度并空冷至室溫)，具有低溫韌性、焊接性能、成形性能更好，以及生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)[1]。在我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大規(guī)模興起的時(shí)期，雖然國內(nèi)在高強(qiáng)建筑用鋼的微合金化[2]和熱處理工藝[3]方面已進(jìn)行了廣泛研究，并取得了一些成果，但都不同程度地存在生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜以及環(huán)境污染等問題[4]；采用TMCP工藝制備高強(qiáng)建筑用鋼已經(jīng)成為必要的發(fā)展趨勢，且TMCP工藝為在減少微合金化元素添加量和避免后續(xù)熱處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)780 MPa級高強(qiáng)塑性、低屈強(qiáng)比建筑用鋼的生產(chǎn)提供了新的思路，但是目前國內(nèi)在這方面的研究工作還處于起步階段?？剀埧乩涔に囍胁煌に噮?shù)對建筑用鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響較為復(fù)雜，且具體的作用規(guī)律還不清楚[5]。作者選取TMCP過程中對建筑用鋼性能影響較大的終冷溫度為研究方向，討論了終冷溫度對建筑用鋼顯微組織和拉伸性能的影響，擬為具有低成本、高強(qiáng)塑性和低屈強(qiáng)比等優(yōu)點(diǎn)的建筑用鋼的開發(fā)與應(yīng)用提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為唐山鋼鐵股份有限公司提供的高強(qiáng)建筑用鋼錠，該鋼錠是在500 kg真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉而成的。鋼錠經(jīng)過鍛造后加工成尺寸為90 mm×120 mm×120 mm的方坯，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.07C，0.20Si，1.87Mn，0.01P，0.005S，0.32Cr，0.16Ti，0.20Cu，0.22Ni，余Fe。該方坯經(jīng)1 180 ℃×1.5 h預(yù)熱處理后，在φ500 mm兩輥可逆式軋機(jī)上進(jìn)行兩段控軋，其中：階段1的開軋溫度為1 140 ℃，中軋溫度為1 070 ℃，軋制溫度處于該鋼的再結(jié)晶區(qū)；階段2的開軋溫度為910 ℃，終軋溫度為850 ℃，軋制溫度處于該鋼的未再結(jié)晶區(qū)。每階段的軋制次數(shù)均為5道次，每道次壓下量不小于16%，總壓下量不小于60%，經(jīng)10道次軋制后制成厚度為12 mm的鋼板。終軋后立即將鋼板置于壓力為0.8 MPa的水中進(jìn)行快速冷卻，冷卻速率約80 ℃·s-1，終冷溫度分別為350，400,450,550，650 ℃，然后空冷至室溫。

在鋼板上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用AxioScope.A1型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。在鋼板上截取透射電鏡試樣，預(yù)加工成厚度為1 mm薄片后，在砂紙上打磨至厚度為60 μm，然后沖壓成直徑為3 mm的圓片，在DJ2000型雙噴電解減薄儀上用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%高氯酸酒精溶液離子減薄后，在JEOL-2010型透射電鏡(TEM)上觀察微觀形貌。按照GB/T 228.1-2010，在鋼板上沿軋制方向截取直徑6 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在MTS-809型電液伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1.5 mm·min-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知：當(dāng)終冷溫度為650，550 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微組織相似，都為貝氏體鐵素體+馬氏體-奧氏體(M-A)島；降低終冷溫度至450 ℃時(shí)，組織仍為貝氏體鐵素體+M-A島，但是M-A島含量比終冷溫度為650，550 ℃時(shí)的低；終冷溫度為400，350 ℃時(shí)，組織主要為呈明顯板條形態(tài)的貝氏體鐵素體，局部板條間分布著少量薄膜狀M-A島。其中，貝氏體鐵素體為軟質(zhì)相,M-A島為硬質(zhì)相[6]，因此可通過調(diào)節(jié)終冷溫度來調(diào)整建筑用鋼中二者的比例,以實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)塑性[7]。

圖1 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的顯微組織

由圖2可知，當(dāng)終冷溫度為650，450 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼中均存在彌散分布的白色M-A島，但較高終冷溫度(650 ℃)下的M-A島粗大,含量也高，主要呈塊狀或長條狀，而較低終冷溫度(450 ℃)下的M-A島細(xì)小,含量也低，主要呈顆粒狀。在承受外加載荷作用時(shí)，具有更高強(qiáng)度和硬度的M-A島可以增強(qiáng)建筑用鋼抵抗變形的能力，而較軟的貝氏體鐵素體則起到協(xié)調(diào)變形的作用，這種復(fù)相組織的存在有助于降低鋼的屈強(qiáng)比[8]。

圖2 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的M-A島形貌

由圖3可知，當(dāng)終冷溫度為350，450 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼組織均由貝氏體和尺寸不等的第二相組成，其中，較低終冷溫度(350 ℃)下貝氏體板條寬度較小，約0.3 μm，局部板條束間存在薄膜狀M-A島，而較高終冷溫度(450 ℃)下貝氏體板條寬度較大，約1.2 μm。試驗(yàn)鋼基體組織中析出的納米級第二相可以起到彌散強(qiáng)化作用，還可在控軋控冷過程中抑制貝氏體板條的合并與粗化[9]。

圖3 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的TEM形貌

2.2 拉伸性能

由表1可以看出：隨著終冷溫度由650 ℃降低至350 ℃，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度由630 MPa升高至1 040 MPa，抗拉強(qiáng)度由905 MPa升高至1 100 MPa，屈強(qiáng)比則由0.696上升至0.945；在終冷溫度為550，450,350 ℃下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的斷后伸長率都在16%以上。780 MPa級建筑用鋼的力學(xué)性能要求為抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別不小于780，630 MPa，斷后伸長率高于16%，屈強(qiáng)比低于0.85[10]。由此可知，終軋溫度在450 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能符合780 MPa級建筑用鋼的要求。

表1 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的室溫拉伸性能與屈強(qiáng)比

2.3 拉伸斷口形貌

由圖4可知，當(dāng)終冷溫度為650，450 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼拉伸斷口都主要由尺寸不等的韌窩和撕裂棱組成，斷裂類型為韌性斷裂。與終冷溫度為650 ℃時(shí)的相比，終冷溫度為450 ℃時(shí)拉伸斷口中韌窩較深且呈拋物線狀，具有更好的塑性，這與組織中M-A島硬質(zhì)相更細(xì)小有關(guān)。在拉伸過程中，尺寸相對較大的塊狀或長條狀M-A島處更容易形成應(yīng)力集中而促進(jìn)裂紋萌生和擴(kuò)展[11]，而細(xì)小、圓整度較高的M-A島組織則可增強(qiáng)材料抵抗變形的能力[12]，使得建筑用鋼在保持較高強(qiáng)塑性的同時(shí)，具有較低的屈強(qiáng)比[13]。

圖4 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌

3 結(jié) 論

(1) 在終冷溫度為650，550 ℃下控軋控冷后，試驗(yàn)鋼的顯微組織都為貝氏體鐵素體+M-A島；當(dāng)終冷溫度為450 ℃時(shí)，組織仍為貝氏體鐵素體+M-A島，但是M-A島的含量比終冷溫度為650，550 ℃時(shí)的低；終冷溫度為400，350 ℃時(shí)，組織主要為板條狀貝氏體鐵素體，局部板條間分布著少量薄膜狀M-A島。

(2) 隨著終冷溫度的降低，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與屈強(qiáng)比均增大，終冷溫度為550，450,350 ℃時(shí)試驗(yàn)鋼的斷后伸長率都大于16%；終冷溫度為450 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的拉伸性能滿足780 MPa級高強(qiáng)低屈強(qiáng)比建筑用鋼的要求，此時(shí)貝氏體鐵素體中彌散分布著細(xì)小、圓整度較高的M-A島，試驗(yàn)鋼具有高的強(qiáng)塑性以及低的屈強(qiáng)比。