HRB400E抗震螺紋鋼靜態(tài)CCT曲線測定及組織分析

駱艷萍， 汪家晗， 李沐澤， 張云祥， 周建勛， 趙志恒

(1. 中冶南方工程技術(shù)有限公司， 湖北 武漢 430223；2. 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430081；3. 武鋼集團昆明鋼鐵股份有限公司， 云南 安寧 650302)

鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)中的主體材料，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑工程結(jié)構(gòu)的安全性，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，我國鋼筋的消耗量還在逐年上升[1]。目前在我國鋼筋主要以低合金鋼(HRB335、HRB400和HRB500 )為主，其中HRB400鋼筋作為三級鋼筋，對其強度有較高的要求，GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》中規(guī)定了HRB400鋼筋代換HRB335鋼筋，可節(jié)省10%～15%的鋼材，讓全社會用較少的優(yōu)質(zhì)鋼材達到同樣或更好的使用效果，推動鋼鐵行業(yè)提高鋼材質(zhì)量和使用效率，對全社會的減量化效果巨大，對建設(shè)節(jié)約型社會和碳中和具有重大貢獻[2-3]。其中HRB400E抗震螺紋鋼筋力學(xué)性能標準為抗拉強度≥540 MPa；屈服強度≥400 MPa；最大力均勻伸長率≥9.0%；抗拉強度與屈服強度的比值(強屈比)不應(yīng)小于1.25，屈服強度實測值與屈服強度標準值的比值(屈標比)不應(yīng)大于1.30。HRB400E鋼筋的組織主要為鐵素體和珠光體，規(guī)定其基圓上不得出現(xiàn)回火馬氏體組織。為避免基圓出現(xiàn)冷淬硬或封閉的環(huán)狀組織[4-5]，在熱軋盤螺冷卻相變過程中，需要嚴格控制其冷速，一方面防止冷速過快生成馬氏體和貝氏體組織，保證塑性指標達到技術(shù)要求；另一方面，需要合理控制相變過程中的冷卻速度，使其相變時有較大的過冷度，細化珠光體的片層間距，以提高材料的強度和韌性[6-8]。

鋼鐵材料的CCT曲線能夠系統(tǒng)地反映連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，即冷卻速度對相變開始點、結(jié)束點、相變程度和相變所得組織影響規(guī)律，是合理制定生產(chǎn)工藝及熱處理工藝的重要依據(jù)，也是研究固態(tài)相變理論的重要基礎(chǔ)[9-10]?；诖?，本文通過熱模擬試驗測定HRB400E鋼在不同冷卻工藝的膨脹曲線，分析冷卻后的組織及硬度變化，繪制連續(xù)冷卻相變CCT曲線，為散卷冷卻線上相變過程中工藝參數(shù)的設(shè)置提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗鋼取自某公司55萬噸高線車間生產(chǎn)的φ8 mm盤螺，經(jīng)粗軋后的中間坯(直徑為φ78 mm切頭樣)和散卷冷卻運輸線上采用3 ℃/s冷卻的成品試樣，采用光譜法測定的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：0.23C、0.48Si、1.39Mn、0.018S、0.031P、0.019Ni、0.021Cu、0.031Cr、0.013V，余量Fe。在粗軋后的中間坯上切取試樣，并加工成φ6 mm×15 mm的熱模擬圓柱試樣。在Gleeble3500熱模擬試驗機上將試樣以10 ℃/s加熱速度加熱到1050 ℃并保溫5 min，奧氏體晶粒尺寸為80 μm，然后以不同冷速(0.5、1、2、3、4、5、7、10、15、和30 ℃/s)冷卻至室溫，具體工藝如圖1所示。試驗過程中記錄膨脹量隨溫度的變化，并利用切線法確定相變起始點與結(jié)束點。將熱處理后的試驗鋼剖開，經(jīng)過磨制和拋光后，利用體積分數(shù)為4%硝酸酒精溶液浸蝕，采用Axioplan2 Imaging Zeiss光學(xué)顯微鏡和FEI-Nova 400掃描電鏡下觀察各試樣心部顯微組織，并利用ImageJ軟件統(tǒng)計分析各組織晶粒尺寸和體積分數(shù)。根據(jù)GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》。采用HV-1000B型維氏硬度計測試其硬度。載荷砝碼10 kg，保荷時間10 s，隨機選取7個點測量試樣硬度，去掉數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，取其平均值。

圖1 試驗鋼靜態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變熱模擬試驗方案Fig.1 Schematic of static continuous cooling transformation of the tested steel

將散卷冷卻運輸線上采用3 ℃/s冷卻的成品試樣沿著縱向切取，加工成φ5 mm標準拉伸試樣，標距25 mm，每組2個平行試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗法》，在WE-300型拉伸機上進行室溫拉伸試驗，測得其抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和最大力總伸長率。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 溫度-膨脹量曲線

眾所周知，奧氏體組織為FCC結(jié)構(gòu)，鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體組織均為BCC結(jié)構(gòu)，而FCC結(jié)構(gòu)的致密度大于BCC結(jié)構(gòu)[11]，在相變過程中會產(chǎn)生體積膨脹。圖2為試驗鋼在降溫過程中不同冷速所對應(yīng)熱膨脹曲線。從圖2可以看出，當奧氏體發(fā)生相變時體積會膨脹，導(dǎo)致溫度-膨脹量曲線出現(xiàn)偏離，進而可以根據(jù)膨脹曲線的切點來確定相變開始點和結(jié)束點溫度。圖3(a)為1 ℃/s冷速下的膨脹曲線，根據(jù)切點法可以確定其相變開始點和相變結(jié)束點的溫度分別為737和631 ℃。由于鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體組織之間的線膨脹系數(shù)不同，即鐵素體>珠光體>貝氏體>馬氏體，其比容變化規(guī)律則相反，因此在發(fā)生連續(xù)相變時會導(dǎo)致溫度-膨脹量曲線出現(xiàn)拐點，如圖3(b) 所示7 ℃/s冷速下的膨脹曲線，可以確定鐵素體、珠光體和貝氏體相變開始的溫度分別為679、585和532 ℃。

圖2 不同冷速下試驗鋼的熱膨脹曲線圖Fig.2 Thermal expansion curves of the tested steel at different cooling rates

圖3 切線法確定相變轉(zhuǎn)變點(a)冷速為1 ℃/s;(b)冷速為7 ℃/sFig.3 Determination of phase transition point by tangent method(a) cooling rate 1 ℃/s; (b) cooling rate 7 ℃/s

2.2 顯微組織分析

圖4為不同冷卻速度下的顯微組織，由圖4可知，當冷卻速度≤3 ℃/s時，其組織主要為多邊形鐵素體和珠光體，隨著冷卻速度的提高，多邊形鐵素體含量逐漸減少，珠光體含量逐漸增加。當冷卻速度為4 ℃/s時，試驗鋼中出現(xiàn)少量貝氏體，珠光體含量開始減少；當冷卻速度為7 ℃/s時珠光體已全部消失，試驗鋼組織以貝氏體為主，還有少量多邊形鐵素體；隨著冷卻速度的提高到10 ℃/s時，試驗鋼的組織主要由貝氏體組成，此時鐵素體基本消失；當冷卻速度為15 ℃/s時，試驗鋼中開始出現(xiàn)馬氏體，并且貝氏體含量逐漸減少；在30 ℃/s時貝氏體基本消失，組織基本由馬氏體組成。

2.3 硬度曲線

對于鋼鐵材料，在實際生產(chǎn)過程中冷卻速度直接決定其奧氏體相變產(chǎn)物，而奧氏體相變產(chǎn)物與其力學(xué)性能密切相關(guān)。圖5為不同冷速下試驗鋼的維氏硬度，由圖5可知，隨著冷卻速度的提高，試驗鋼的硬度逐漸提高。當冷卻速度為0.5 ℃/s時，試驗鋼的組織主要為多邊形鐵素體和珠光體，硬度最低，為164 HV10。當冷速為30 ℃/s時，試驗鋼組織為全馬氏體，硬度最高，為273 HV10，相對于0.5 ℃/s時提高了67%。結(jié)合圖4中不同冷卻速度下的組織可發(fā)現(xiàn)，當冷卻速度為在0.5～3 ℃/s時，隨著珠光體含量的提高，鐵素體含量逐漸減少，試驗鋼的硬度逐漸提高；當冷速為在4～10 ℃/s時，隨著貝氏體含量的提高，鐵素體和珠光體含量減少，試驗鋼的硬度逐漸提高；當冷速為在15～30 ℃/s，隨著馬氏體含量的提高，貝氏體含量逐漸減少，試驗鋼的硬度逐漸提高。這意味著，在試驗鋼中奧氏體相變產(chǎn)物的硬度關(guān)系為馬氏體>貝氏體>珠光體>鐵素體。

2.4 CCT曲線

圖4 不同冷速下試驗鋼的顯微組織Fig.4 Microstructure of the tested steel at different cooling rates(a) 0.5 ℃/s; (b) 1 ℃/s; (c) 2 ℃/s; (d) 3 ℃/s; (e) 4 ℃/s; (f) 5 ℃/s; (g) 7 ℃/s; (h) 10 ℃/s; (i) 15 ℃/s; (j) 30 ℃/s

奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)提供了不同冷卻速度下奧氏體相變產(chǎn)物，從而為線材生產(chǎn)線上風(fēng)機風(fēng)量和輥道速度等參數(shù)的設(shè)置提供參考。根據(jù)圖2中熱膨脹曲線可知，試驗鋼在冷卻過程中開始相變和結(jié)束相變時的溫度(見表1)，并結(jié)合圖4中的相變產(chǎn)物，判斷出在不同冷卻速度條件下發(fā)生的相變類型，繪制出試驗鋼CCT曲線。由圖6可知，試驗鋼Ac1=758 ℃、Ac3=828 ℃，馬氏體相變溫度(Ms)為402 ℃。當冷卻速度小于3 ℃/s時，隨著冷速的提高，鐵素體和珠光體相變開始溫度和結(jié)束溫度均逐漸降低。主要原因是隨著冷卻速度增大，過冷度增大，臨界形核自由能逐漸減小，使形核更容易發(fā)生，因此相變點溫度降低；隨著冷速進一步提高(10～30 ℃/s)，奧氏體的過冷度進一步增大，原子的擴散速度減小，高溫轉(zhuǎn)變受到抑制，此時相變以中溫和低溫轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，組織以貝氏體和馬氏體為主。這意味著，在實際生產(chǎn)中盤螺終軋后在散卷冷卻運輸機上發(fā)生奧氏體連續(xù)冷卻相變，當冷速>10 ℃/s時鋼筋中會發(fā)生中低溫轉(zhuǎn)變，生成大量貝氏體或馬氏體，而貝氏體或馬氏體中與母相奧氏體保持K-S關(guān)系，會產(chǎn)生24種變體，由于部分變體之間取向差僅僅為4.42°，屬于小角度晶界，基本由可動位錯組成，進而導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)無屈服點和屈服點不明顯現(xiàn)象，最終會影響成品質(zhì)量[12-13]。

圖5 不同冷速下試驗鋼的維氏硬度Fig.5 Vickers hardness of the tested steel at different cooling rates

圖7 低冷速下試驗鋼的SEM圖對比Fig.7 Comparison of SEM images of the tested steel at low cooling rate(a) 0.5 ℃/s; (b) 1 ℃/s; (c) 2 ℃/s; (d) 3 ℃/s

表1 試驗鋼在不同冷卻速度下的相轉(zhuǎn)變溫度

圖6 HRB400E鋼的CCT曲線Fig.6 CCT curves of the HRB400E steel

2.5 低冷速下珠光體片層間距分析

眾所周知，珠光體的片層間距與材料的強度和韌性有直接關(guān)聯(lián)，減小珠光體片層間距，既能提高鋼的強度也能提高鋼的韌性。圖7為試驗鋼在冷速0.5、1、2和3 ℃/s時的SEM形貌，由圖7可知，試驗鋼中組織由多邊形鐵素體和珠光體組成，并且隨著冷速的提高，多邊形鐵素體含量逐漸減少，珠光體含量逐漸增加，這與圖4中觀察的結(jié)果一致。通過定量金相ImageJ統(tǒng)計可知，冷速為0.5、1、2和3 ℃/s時，試驗鋼中珠光體含量分別為19%、33%、40%和48%。另外，在0.5～3 ℃/s 冷速下，隨著冷速的增大，珠光體片層間距逐漸減小，通過截距法統(tǒng)計可知，冷速為0.5、1、2和3 ℃/s時,試驗鋼中珠光體片層間距分別為0.516、0.334、0.197 和0.172 μm。

表2 散卷冷卻線上冷速為3 ℃/s對應(yīng)試驗鋼的力學(xué)性能

圖8 冷速為3 ℃/s時試驗鋼φ8 mm盤螺成品顯微組織Fig.8 Microstructure of φ8 mm high-speed wire rod of the tested steel with the cooling rate 3 ℃/s(a) OM; (b) SEM

3 結(jié)論

1) 采用膨脹法測得HRB400E抗震螺紋鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)，試驗鋼的臨界溫度為Ac1=758 ℃、Ac3=828 ℃、Ms=402 ℃。

2) 冷速在3 ℃/s以下時，試驗鋼中組織為鐵素體和珠光體，并隨著冷速的提高，試驗鋼中珠光體含量逐漸提高，片層間距不斷減??；當冷速為4～10 ℃/s時，試驗鋼中開始出現(xiàn)貝氏體；當冷速>10 ℃/s時，試驗鋼開始發(fā)生馬氏體相變；并且隨著冷速的提高，試驗鋼的硬度逐漸提高。

3) 冷卻速度在2～3 ℃/s范圍內(nèi)，試驗鋼中珠光體含量、片層間距和力學(xué)性能均滿足GB/T 1499.2—2018中的要求，其結(jié)果與現(xiàn)場生產(chǎn)檢驗結(jié)果相符，在冷速為3 ℃/s 生產(chǎn)的φ8 mm盤螺成品試樣的珠光體含量和片層間距分別為47%和0.184 μm，下屈服強度、抗拉強度、強屈比、屈標比、斷后伸長率、最大力總伸長率分別為440 MPa、569 MPa、1.29、1.1、27.2%和17.8%。