龍 瓊 余靜喜 李保軍 李 娟 伍劍明 伍玉嬌

(1.貴州理工學(xué)院材料與冶金工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205;3.中建科技有限公司貴州分公司，貴州 貴陽(yáng) 550025)

Q235鋼具有高強(qiáng)度和斷裂韌度、良好的焊接性能以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、隧道、橋梁等領(lǐng)域，主要是承力構(gòu)件[1-3]。但是，由于異形鋼結(jié)構(gòu)存在連接、疲勞、應(yīng)力集中等缺點(diǎn)，在隧道橋梁等領(lǐng)域拱頂用異形型鋼的冷彎過(guò)程中容易開(kāi)裂，因此很難采用冷彎工藝制備出合格的異形型鋼[4-5]，目前主要依賴(lài)進(jìn)口或通過(guò)焊接獲得。因此，從安全和節(jié)約資源的角度出發(fā)，加強(qiáng)對(duì)隧道橋梁等特殊領(lǐng)域異形鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

添加稀土元素對(duì)鋼液進(jìn)行改性，可以?xún)艋撘骸⒆冑|(zhì)-變性-變形夾雜物以及微合金化等。由于稀土元素的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，微量稀土元素就能與鋼液中氧、硫、鉛等有害元素形成高熔點(diǎn)化合物，靜置后不但能凈化鋼液，還能改善夾渣物形態(tài)，顯著改善鋼的力學(xué)性能[6-10]。噴丸處理也可以進(jìn)一步提高材料力學(xué)性能。對(duì)金屬材料表面進(jìn)行噴丸處理，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)并引起組織變化，由于材料內(nèi)部的自平衡作用，表面會(huì)形成一層壓縮殘余應(yīng)力層[11-13]。表層殘余壓應(yīng)力能部分抵消工件載荷施加的拉應(yīng)力，阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高材料的力學(xué)性能[14-16]。因此，研究稀土合金化及噴丸強(qiáng)化對(duì)型鋼表面殘余應(yīng)力分布的影響，對(duì)開(kāi)發(fā)型鋼表面改性新技術(shù)具有重要意義。

本文以Q235鋼為原料，添加稀土Ce、重熔和軋制后，再進(jìn)行噴丸處理，考察了稀土含量、噴丸參數(shù)對(duì)Q235鋼的組織及力學(xué)性能的影響，并對(duì)影響機(jī)制進(jìn)行了討論。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料在感應(yīng)爐中熔煉并脫氧，采用沖入法加入稀土Ce，經(jīng)過(guò)均勻化處理再軋制成薄板，各爐試樣的化學(xué)成分如表1所示，其中0號(hào)為原始鋼樣。

表1 試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用TS-9080P-A加壓式噴砂機(jī)對(duì)稀土合金化鋼表面進(jìn)行噴丸處理，鋼珠直徑為0.8 mm，噴丸壓力0～0.66 MPa，噴丸時(shí)間0～480 s。試樣經(jīng)磨、拋后，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，用Axio Observer Z1m倒置式光學(xué)顯微鏡觀察組織形貌。使用MH-3顯微硬度計(jì)測(cè)量硬度，試驗(yàn)力為100 g，保壓時(shí)間為5 s。采用Ultima Ⅳ X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定試樣的晶面間距、點(diǎn)陣常數(shù)和表面應(yīng)力等。使用X-350A X射線(xiàn)殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量試樣不同深度處的殘余應(yīng)力。根據(jù)GB/T 228—2010，用NKK-4100型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為5 mm/min。采用Nova Nano SEM 450掃描電鏡及能譜儀對(duì)拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察分析。采用電子探針X射線(xiàn)顯微分析儀及其附帶的TEAM Octane Pro型能譜儀分析稀土元素分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表層顯微組織

圖1為以0.4 MPa壓力噴丸不同時(shí)間的未加稀土Ce試樣的顯微組織。由圖1可見(jiàn)，未經(jīng)噴丸的試樣晶粒呈等軸狀，噴丸后，試樣表層發(fā)生了明顯的塑性變形，引起加工硬化，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，塑性變形層的厚度不斷增加。圖2為不同Ce含量試樣以0.4 MPa壓力噴丸60 s后的顯微組織。可見(jiàn)試樣晶粒顯著細(xì)化，隨著Ce含量的增加，平均晶粒尺寸從未加稀土的11.17 μm減小到Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.024%的7.71 μm。

圖2 不同Ce含量試樣以0.4 MPa壓力噴丸60 s后的顯微組織

圖1 以0.4 MPa壓力噴丸不同時(shí)間的未加Ce試樣的顯微組織

圖3為未噴丸和噴丸的不含Ce試樣的表層SEM形貌?？梢?jiàn)，試樣組織由片層狀的珠光體和鐵素體組成。噴丸處理后，試樣表層發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，晶界不再明顯，這是由于不同取向的相鄰片層狀珠光體在噴丸后相互擠壓、滑移導(dǎo)致片層消失且不再連續(xù)，從而導(dǎo)致珠光體的晶界完全消失。此外，片層狀的珠光體晶粒被擠壓得長(zhǎng)，鐵素體晶粒出現(xiàn)了密集的垂直于沖擊方向的塑性變形痕，兩相在噴丸過(guò)程中受強(qiáng)烈沖擊作用發(fā)生嚴(yán)重變形而融合在一起，整體呈河流狀形貌。

圖3 未噴丸(a)、噴丸的(b)不含Ce的試樣的SEM形貌

2.2 表層顯微硬度分布

圖4為以0.66 MPa壓力噴丸不同時(shí)間的不含Ce和含Ce試樣的表層顯微硬度。隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，表面硬度逐漸提高，噴丸30 s后硬度趨于穩(wěn)定。圖5為Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.024%的3號(hào)試樣以不同壓力噴丸30 s的表層硬度分布?？梢?jiàn)，試樣橫截面的顯微硬度沿深度方向不斷下降，0.66 MPa壓力噴丸的試樣表面硬度從未噴丸的162.2 HV0.1升高到282.7 HV0.1，而不含Ce試樣的硬度從147.2 HV0.1升高到247.3 HV0.1。鋼中加入稀土Ce后，一方面起固溶強(qiáng)化作用，另一方面稀土傾向于在晶界偏聚，起拖拽晶界的作用，降低晶粒尺寸，從而顯著提高鋼的顯微硬度[17]。

圖5 以不同壓力噴丸的3號(hào)試樣的表層硬度分布

圖4 以0.66 MPa壓力噴丸30 s的不含Ce和含Ce試樣的表層顯微硬度分布

2.3 表面殘余應(yīng)力

圖6 未噴丸和噴丸的不含Ce試樣的XRD圖譜(a)和晶格常數(shù)的外推曲線(xiàn)(b)

圖7為不含Ce和含Ce試樣以0.66 MPa壓力噴丸30 s后沿深度的殘余應(yīng)力分布。試樣噴丸前基本無(wú)殘余壓應(yīng)力層。噴丸后，隨著與表面距離的增加，試樣的殘余壓應(yīng)力先增大后減小，其中3號(hào)試樣在距表層20 μm處達(dá)到最大值452.7 MPa，殘余壓應(yīng)力層深約140 μm。噴丸后，材料內(nèi)層變形的彈性區(qū)域由于要恢復(fù)變形而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，而表層及次表層形成的加工硬化區(qū)要阻止其變形而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[12]。殘余壓應(yīng)力可以在較大程度上減小外加交變載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，繼而阻礙裂紋源的萌生，同時(shí)可以有效減小裂紋尖端的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展[14]。添加稀土元素Ce后，由于Ce的固溶強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化作用，試樣近表層的殘余壓應(yīng)力增大。

圖7 不含和含Ce試樣噴丸后的殘余壓應(yīng)力分布

2.4 抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

圖8為以0.66 MPa壓力噴丸不同時(shí)間的不含和含稀土Ce試樣的抗彎強(qiáng)度。從圖8可以看出，抗彎強(qiáng)度隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)均呈先上升后下降的趨勢(shì)，不含Ce試樣在噴丸約30 s時(shí)達(dá)到最大值，含Ce試樣在噴丸40～60 s時(shí)達(dá)到最大值。隨著Ce含量的增加，抗彎強(qiáng)度也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。其中3號(hào)試樣的抗彎強(qiáng)度在噴丸60 s時(shí)達(dá)到了713.2 MPa，比未噴丸的569.7 MPa提高了25.2%，比不含Ce但經(jīng)過(guò)噴丸處理的試樣的最大值623.3 MPa提高了14.4%，比不含Ce且未噴丸的試樣的最大值489.5 MPa提高了45.7%。

圖8 以0.66 MPa壓力噴丸不同時(shí)間的不含和含Ce試樣的抗彎強(qiáng)度

圖9為以不同壓力噴丸不同時(shí)間的不含和含Ce試樣的抗拉強(qiáng)度。從圖9可以看出，噴丸30 s時(shí)，隨著噴丸壓力的升高，抗拉強(qiáng)度顯著升高(圖9(a))。以0.66 MPa壓力噴丸，抗拉強(qiáng)度隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì)；不含Ce試樣的抗拉強(qiáng)度在噴丸約30 s時(shí)達(dá)到最大值，含Ce試樣的抗拉強(qiáng)度在40～60 s時(shí)達(dá)到最大值(圖9(b))。3號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度在噴丸40 s時(shí)達(dá)366.3 MPa，比未噴丸的提高了6.73%，比未加Ce但經(jīng)噴丸處理的試樣的最大值343.2 MPa提高了13.54%，比未加Ce且未噴丸的試樣的最大值305.2 MPa提高了20.02%。此外，適量稀土的加入有助于提高鋼的斷后伸長(zhǎng)率，Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.024%的試樣以0.66 MPa壓力噴丸不同時(shí)間后其斷后伸長(zhǎng)率均最高(見(jiàn)圖10)。

圖9 噴丸壓力(a)和噴丸時(shí)間(b)對(duì)不含和含Ce試樣的抗拉強(qiáng)度的影響

圖10 以0.66 MPa壓力噴丸的時(shí)間對(duì)不含和含Ce試樣斷后伸長(zhǎng)率的影響

圖11斷口分析結(jié)果表明：未加Ce試樣的斷口呈沿晶斷裂即脆性斷裂的特征。加入Ce后，由于Ce對(duì)鋼液的改性作用，拉伸斷口呈現(xiàn)明顯的韌窩狀塑性斷裂特征。

3號(hào)試樣的表層微區(qū)成分分析結(jié)果如圖11和表2所示。可見(jiàn)，稀土元素Ce主要分布于晶界附近。Ce的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，微量Ce就能與鋼液中O、S、C等元素形成高熔點(diǎn)化合物，起彌散強(qiáng)化作用[18-19]。同時(shí)，稀土化合物在鋼液中可作為微小的固體質(zhì)點(diǎn)，在鋼液凝固過(guò)程中提供異質(zhì)晶核，在結(jié)晶界面偏聚并阻礙晶粒長(zhǎng)大，起細(xì)化晶粒的作用。但由于Ce與Fe原子半徑相差很大(Ce和 Fe原子的共價(jià)半徑分別為0.165和0.121 nm)，Ce在鋼液中的固溶度很小，從而使Ce的合金化作用減弱。當(dāng)Ce作為表面活性元素時(shí)，其在鋼液凝固過(guò)程中主要偏聚于晶界，可顯著降低界面張力、晶界能以及晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，從而引起晶界結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分以及性能的變化，并影響其他合金元素在邊界的擴(kuò)散、新相形核及長(zhǎng)大過(guò)程，進(jìn)而顯著影響鋼的微觀組織及性能，即微合金化作用[20-21]。此外，適量的稀土除了能凈化鋼液外，還能使夾雜物變形，即改善鋼的塑性[18]。因此，Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.024%的3號(hào)試樣塑性較好。但是過(guò)量的稀土Ce也會(huì)產(chǎn)生較多的稀土夾雜物，降低鋼的力學(xué)性能[22]。

表2 圖12(a)所示微區(qū)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3 結(jié)論

(1)噴丸處理后，Q235鋼表面產(chǎn)生了明顯的塑性變形，晶粒顯著細(xì)化。

(2)噴丸處理后，Q235鋼的表層顯微硬度顯著提高，沿深度方向呈明顯的梯度分布，并形成了深約140 μm的殘余壓應(yīng)力層；Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.024%的鋼在距表層20 μm處殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值452.7 MPa。

(3)噴丸處理顯著改善了稀土合金化鋼的力學(xué)性能，以0.66 MPa的壓力噴丸后，Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.024%的鋼的最大抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可達(dá)713.2和366.3 MPa，比未加稀土但經(jīng)過(guò)噴丸處理的鋼的最大值分別提高了14.4%和13.54%，比未加稀土且未噴丸的鋼的最大值分別提高了45.7%和20.02%。