高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼組織性能和強(qiáng)化機(jī)理研究

李 顯，余志軍，楊躍標(biāo)，肖 娟

(1.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545002； 2.廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司熱軋廠，廣西 防城港 538000)

鋼結(jié)構(gòu)建筑具有節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)使用等優(yōu)勢(shì)，符合節(jié)能建筑和持續(xù)發(fā)展要求，被譽(yù)為21世紀(jì)的“綠色建筑”之一[1]。在當(dāng)前建筑物不斷向高層化和超高層化發(fā)展的趨勢(shì)下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑所用鋼材的高強(qiáng)度、高韌性、窄屈服點(diǎn)、低屈強(qiáng)比、抗層狀撕裂能力、焊接性、耐火性等提出了更高要求[2-3]。其中窄屈服點(diǎn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能的影響非常大，屈服強(qiáng)度波動(dòng)較大會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)部件之間的強(qiáng)度不均衡性加強(qiáng)，在發(fā)生震動(dòng)時(shí)導(dǎo)致局部變形過(guò)大而造成對(duì)整體的破壞，降低了建筑物的抗震性能，甚至導(dǎo)致倒塌發(fā)生[4-6]。而在工業(yè)化大生產(chǎn)中，高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼由于合金添加量較大，性能穩(wěn)定性控制往往存在較大難度，故而有必要對(duì)高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼微合金元素的析出行為和強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

建筑結(jié)構(gòu)用鋼Q420GJ，其典型成分見(jiàn)表1，軋制工藝見(jiàn)表2。Q420GJ采用Nb-V復(fù)合微合金化技術(shù)，其生產(chǎn)工藝流程為：KR鐵水預(yù)脫硫→150T轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH真空精煉→板坯連鑄→精整→板坯加熱→除鱗→粗軋→精軋→鋼板檢查→入庫(kù)。

表1 試驗(yàn)鋼Q420GJ化學(xué)成分(%)

該產(chǎn)品的軋制工藝目標(biāo)參數(shù)如表2 所示，鑄坯進(jìn)入加熱爐前清理表面，去除火焰切割焊瘤等異物，并將其在加熱爐內(nèi)均熱段溫度控制在1230 ℃左右，保證加熱時(shí)間≥200 min。加熱后采用兩階段軋制，增加粗軋、精軋階段各道次壓下率，根據(jù)成品厚度分檔控制鋼板開(kāi)軋及終軋溫度，因設(shè)備限制軋后進(jìn)行空冷。

本實(shí)驗(yàn)材料為Q420GJ的20 mm和40 mm厚度產(chǎn)品(以下用編號(hào)為420-20，420-40代替)，對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行常規(guī)拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)定各試樣的強(qiáng)度指標(biāo)；采用OM和SEM進(jìn)行組織觀察，分析顯微組織中各相組成、各相比例、組織形貌、晶粒尺寸等；在帶有能譜儀的透射電鏡下觀察析出物形貌、檢測(cè)析出物類(lèi)型和化學(xué)成分，分析微合金元素含量不同的鋼中，析出物類(lèi)型、成分、數(shù)量和尺寸的差異；在配備EBSD的掃描電鏡上進(jìn)行EBSD實(shí)驗(yàn)，獲取晶粒取向分布圖以及大小角度晶界分布圖等數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)鋼Q420GJ軋制工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)拉伸

在420-20，420-40厚度方向1/2處截取試樣進(jìn)行常規(guī)拉伸，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率見(jiàn)表3，可見(jiàn)20 mm厚度試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于40 mm厚度，相較于國(guó)標(biāo)要求，試驗(yàn)鋼的性能余量充足。

表3 試驗(yàn)鋼Q420GJ力學(xué)性能

2.2 OM觀察

取厚度方向1/4處制備金相試樣，將試樣用砂紙研磨、拋光后，在4%硝酸酒精溶液中侵蝕，采用Zeiss金相顯微鏡觀察試樣組織。圖1分別為420-20，420-40的OM組織圖像。從圖1中可觀察到，組織基本上由鐵素體和珠光體組成。使用Image-Pro-Plus軟件計(jì)算鐵素體和珠光體球團(tuán)的體積分?jǐn)?shù)，并記錄在表4中，可見(jiàn)420-20和420-40珠光體體積分?jǐn)?shù)分別為14.70%和9.72%，420-20珠光體較多與鋼板厚度較薄冷卻速度更快，更易發(fā)生珠光體相變有關(guān)。另外隨著厚度的增加，整體壓下率的降低，組織呈現(xiàn)粗化趨勢(shì)。

2.3 SEM觀察

為進(jìn)一步觀察各試樣的高倍組織形貌，采用Nova 400 Nano場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀察。圖2為各試樣的2000倍放大組織圖，從中可觀察到大量的珠光體球團(tuán)。進(jìn)一步放大珠光體區(qū)域，可從圖3中觀察到珠光體的片層狀結(jié)構(gòu)。使用Nano Measurer測(cè)量各試樣的鐵素體尺寸、珠光體球團(tuán)尺寸、珠光體的片層間距，結(jié)果見(jiàn)表5，可見(jiàn)420-20的鐵素體晶粒尺寸15.12 μm、珠光體片層間0.14 μm，均小于420-40的鐵素體晶粒尺寸19.35 μm、珠光體片層間0.20 μm。在高建鋼生產(chǎn)過(guò)程中，薄規(guī)格由于軋后冷速更快，珠光體轉(zhuǎn)變溫度低，珠光體片層間距減小，強(qiáng)度、硬度提高，塑性也變好，可見(jiàn)在軋后空冷的條件是適當(dāng)提高冷速對(duì)組織性能較為有利。

(a)420-20 (b)420-40圖1 試驗(yàn)鋼Q420GJ的OM組織Figure 1 OM structure of Q420GJ

表4 試驗(yàn)鋼Q420GJ珠光體、鐵素體體積分?jǐn)?shù)

(a)420-20 (b)420-40圖2 試驗(yàn)鋼Q420GJ的SEM組織(2000倍)Figure 2 SEM structure of Q420GJ (2000 times)

(a)420-20 (b)420-40圖3 試驗(yàn)鋼Q420GJ的SEM組織(60000倍)Figure 3 SEM structure of Q420GJ (60000 times)

表5 試驗(yàn)鋼Q420GJ的鐵素體、珠光體球團(tuán)尺寸、珠光體的片層間距

2.4 析出物分析

將樣品切成適當(dāng)?shù)某叽?，?jīng)機(jī)械打磨、拋光、重腐蝕、標(biāo)記、噴碳、撈取碳膜，制得TEM樣品，使用高分辨透射電子顯微鏡觀察析出形貌。

圖4為觀察到的420-20、420-40試樣的析出物圖像，圖片(a)(b)為小尺寸析出物，圖片(c)(d)為大尺寸析出物，其尺寸達(dá)到幾十到幾百納米不等。使用Nano Measurer軟件測(cè)量析出物尺寸，并使用Origin軟件繪制了析出物尺寸柱狀分布圖(如圖5)。由柱狀圖可知，析出物尺寸大部分集中在0～15 nm范圍內(nèi)，其中，超過(guò)50%的析出物尺寸在5～10 nm范圍內(nèi)。

(a)420-20小尺寸析出物；(b)420-40小尺寸析出物；(c)420-20大尺寸析出物 ；(d)420-40大尺寸析出物。圖4 試驗(yàn)鋼Q420GJ的析出物高倍形貌Figure 4 High profile of precipitates of steel Q420GJ

析出物尺寸較大時(shí)，其析出強(qiáng)化的效果微弱，故在本實(shí)驗(yàn)中，忽略析出物尺寸大于100 nm時(shí)的析出強(qiáng)化效果。經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到，420-20試樣的析出物平均尺寸為11.14 nm，使用Image-Pro-Plus計(jì)算出析出物體積百分?jǐn)?shù)為0.162%。420-40試樣的析出物平均尺寸為12.18 nm，使用Image-Pro-Plus計(jì)算出析出物體積百分?jǐn)?shù)為0.174%。

圖6為試樣的能譜結(jié)果，析出物元素百分比見(jiàn)表6。從圖6中可觀察到，大尺寸的析出物呈方形(如譜2、4)或者橢球形(譜5)，細(xì)小析出物(譜3)呈聚集的胞狀或鏈狀分布。由表5知，大尺寸析出物中均含有一定的Nb、Ti以及C元素，個(gè)別顆粒中含有極少量的V；而小尺寸析出物中幾乎全部都為C元素，含有少量的Nb、V、Ti元素。通常情況下，大尺寸析出物形成于高溫階段，細(xì)小析出物形成于低溫階段，為提高高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的性能穩(wěn)定性及微合金元素的強(qiáng)化效果，需對(duì)其析出物進(jìn)行穩(wěn)定性控制。

圖5 試驗(yàn)鋼Q420GJ析出物尺寸柱狀分布圖Fig.5 Columnar distribution of precipitation size of Q420GJ

圖6 試驗(yàn)鋼Q420GJ析出物的高倍形貌及對(duì)應(yīng)的能譜結(jié)果Figure 6 High power morphology and corresponding energy spectrum results of precipitates in Q420GJ

2.5 EBSD分析

圖7給出了各試樣的晶粒取向分布圖。由圖7可以看出，組織中沒(méi)有明顯的擇優(yōu)取向，晶?；緸殡S機(jī)分布。此外，對(duì)于同一鋼種而言，20 mm厚度的組織要明顯比40 mm厚度的組織細(xì)小。

表6 試驗(yàn)鋼Q420GJ析出物元素百分比表

(a)420-20 (b)420-40圖7 試驗(yàn)鋼Q420GJ的晶粒取向分布圖Figure 7 Grain orientation distribution of Q420GJ

圖8給出了2個(gè)試樣的晶界角度分布圖。紅色曲線表示晶界角度為2°～5°的晶界，綠色曲線表示晶界角度為5°～15°的晶界，藍(lán)色曲線表示晶界角度大于15°的晶界，圖右側(cè)給出了對(duì)應(yīng)的0～60°晶界角度的百分?jǐn)?shù)柱狀圖。由圖可知，420-20試樣的大部分晶界角度在2°～5°的范圍內(nèi)，而420-40試樣的晶界角度則相對(duì)較大。

(b)420-40圖8 試驗(yàn)鋼Q420GJ的晶界分布圖Figure 8 Grain boundary distribution of Q420GJ

3 微合金元素強(qiáng)化機(jī)理分析

根據(jù)顯微組織和析出物分析等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸、析出物含量和尺寸等數(shù)據(jù)，利用公式(1)～(5)計(jì)算各種強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)，分析微合金元素對(duì)高性能建筑結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)化機(jī)理。

微合金鋼的強(qiáng)化方式包括點(diǎn)陣阻力強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等，根據(jù)拓展的Hall-Petch公式[7]，其屈服強(qiáng)度可由公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

σ=σ0+σs+σg+σp+σd

(1)

式中，σ為屈服強(qiáng)度；σ0為鋼的點(diǎn)陣阻力強(qiáng)化；σs為固溶強(qiáng)化；σg為細(xì)晶強(qiáng)化；σp為析出強(qiáng)化；σd為位錯(cuò)強(qiáng)化。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，鋼的基礎(chǔ)強(qiáng)度為基本點(diǎn)陣阻力P-N，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要克服的點(diǎn)陣阻力，取σ0=48 MPa。

固溶強(qiáng)化可用以下公式表示：

σs=4570[C]0.5+4570[N]0.5+37[Mn]+83[Si]+470[P]+3[V]+80[Ti]-30[Cr]

(2)

式中，[X]為各元素在鐵素體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為%)。對(duì)于碳元素的固溶強(qiáng)化作用，由鐵碳相圖知，727℃時(shí)碳元素在鐵素體中的溶解量達(dá)到最大，為0.0218%。隨溫度的降低，鐵素體中不斷析出滲碳體，鐵素體中的溶碳量減小，300 ℃以下時(shí)小于0.001%。因此，可認(rèn)為幾乎所有碳存在于滲碳體中。鋼中的N幾乎全部以TiN形式析出，故可忽略不計(jì)。合金元素 Si、Mn為鐵素體形成元素，基本全部固溶于鐵素體基體中，故[Si]、[Mn]均為初始量。而Nb、V、Ti等微合金元素在室溫下呈析出狀態(tài)，因此也忽略其在固溶強(qiáng)化中的影響。代入鋼種的化學(xué)成分，計(jì)算得到的Q420GJ固溶強(qiáng)化值σS為93.86 MPa。

細(xì)晶強(qiáng)化是通過(guò)晶粒細(xì)化使材料的晶界所占比例提高從而阻止位錯(cuò)滑移所產(chǎn)生的強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化是各種強(qiáng)化機(jī)制中唯一使材料強(qiáng)化的同時(shí)并使之韌化的最為有利于鋼鐵材料強(qiáng)韌化的方式。根據(jù)Hall-Petch公式，細(xì)晶強(qiáng)化的強(qiáng)度增量與晶粒尺寸的關(guān)系可用以下公式表示：

σg=kyd-1/2ΔσG=17.402d-1/2

(3)

式中，ky為比例系數(shù)，鋼鐵材料中ky的數(shù)值在14.0-23.4 MPa·mm1/2之間，由于試驗(yàn)材料為低碳鋼，所以ky采用17.4 MPa·mm1/2。d為平均晶粒尺寸(單位為mm)。代入前文中統(tǒng)計(jì)得到的420-20、420-40平均晶粒尺寸：15.12 μm、19.35 μm，計(jì)算得到的試樣的細(xì)晶強(qiáng)化值σg分別為141.52 MPa、125.10 MPa。

鋼鐵材料中絕大部分情況下第二相的尺寸均大于臨近轉(zhuǎn)換尺寸，因而其強(qiáng)化機(jī)制主要是Orowan機(jī)制，可以用Ashby-Orowan模型進(jìn)行描述，即沉淀強(qiáng)化效果與第二相體積分?jǐn)?shù)的二分之一次方成正比，與第二相顆粒的尺寸大小成反比，析出強(qiáng)化可用以下公式表示：

(4)

式中，G為剪切模量(取8.3×104MPa)，取b為柏氏矢量 (0.248 nm)，f為析出物體積分?jǐn)?shù)(420-20、420-40分別為0.162%、0.174%)，x為析出物平均尺寸(分別為11.14 nm、12.18 nm)，計(jì)算得到420-20、420-40析出強(qiáng)化值σP分別為124.10 MPa、121.35 MPa。

鋼鐵材料中的位錯(cuò)強(qiáng)化主要是源于基體中的滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)鄰近的其它位錯(cuò)與之發(fā)生各種交互作用，使其運(yùn)動(dòng)受阻而產(chǎn)生強(qiáng)化效果，位錯(cuò)強(qiáng)化是鋼鐵材料中目前最有效的強(qiáng)化方式之一。鋼鐵材料中獲得大量位錯(cuò)的工藝技術(shù)措施包括塑性變形和固態(tài)相變，對(duì)于一般的熱軋鋼帶來(lái)說(shuō)，壓下量越大，終軋溫度越低，卷取溫度越低，位錯(cuò)密度則越高，則位錯(cuò)強(qiáng)化的貢獻(xiàn)也越大[9]，位錯(cuò)強(qiáng)化可用以下公式表示：

σd=aGbρ1/2[10]

(5)

式中，α為位錯(cuò)強(qiáng)化因子(取0.38)，G為剪切模量(取8.3×104MPa)，b為柏式矢量(0.248 nm)，ρ為位錯(cuò)密度。對(duì)于鐵素體珠光體鋼來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)密度不像貝氏體、馬氏體具有較高水平的位錯(cuò)密度[11]，位錯(cuò)密度按20 mm厚度取1×1010/cm2、40 mm厚度取0.5×1010/cm2計(jì)算，得到20 mm和40 mm厚度試樣中位錯(cuò)強(qiáng)化σd分別為78.22 MPa和55.31 MPa。

計(jì)算得到的四種試樣的各強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)值匯總在表7中, 可見(jiàn)高建鋼中的強(qiáng)度貢獻(xiàn)大小為細(xì)晶強(qiáng)化>析出強(qiáng)化>位錯(cuò)強(qiáng)化>固溶強(qiáng)化>晶格點(diǎn)陣強(qiáng)化，其中細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化的強(qiáng)化效果最顯著。對(duì)于20 mm、40 mm不同厚度鋼板而言，特別是細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化的差別較大，可見(jiàn)大壓下率可有效提高細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化效果。

表7 各強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)值以及總屈服強(qiáng)度計(jì)算值(MPa)

4 結(jié)論

(1)高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的顯微組織基本上由鐵素體和珠光體組成，薄規(guī)格420-20珠光體體積分?jǐn)?shù)14.70%>厚規(guī)格420-40珠光體體積分?jǐn)?shù)9.72%，薄規(guī)格420-20的鐵素體晶粒尺寸15.12 μm、珠光體片層間0.14 μm，均小于厚規(guī)格420-40的鐵素體晶粒尺寸19.35 μm、珠光體片層間距0.20 μm。

(2)高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的析出物尺寸大部分集中在0～15 nm范圍內(nèi)，其中超過(guò)50%的析出物尺寸在5～10 nm范圍內(nèi)。420-20試樣的析出物平均尺寸為11.14 nm，析出物體積百分?jǐn)?shù)為0.162%。420-40試樣的析出物平均尺寸為12.18 nm，析出物體積百分?jǐn)?shù)為0.174%。

(3)高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的的晶?；緸殡S機(jī)分布，組織中沒(méi)有明顯的擇優(yōu)取向，420-20試樣的大部分晶界角度在2°～5°的范圍內(nèi)，而420-40試樣的晶界角度則相對(duì)較大。

(4)高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)度貢獻(xiàn)大小為細(xì)晶強(qiáng)化>析出強(qiáng)化>位錯(cuò)強(qiáng)化>固溶強(qiáng)化>晶格點(diǎn)陣強(qiáng)化，其中細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化的強(qiáng)化效果最顯著，對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)超過(guò)50%。對(duì)于不同厚度鋼板而言，特別是細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化的差別較大，可見(jiàn)大壓下率可有效提高細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化效果。