陳建超，郭龍?chǎng)危?，?磊，，郭 瀟，關(guān)秀格

(1.河北省高韌性風(fēng)塔鋼工程研究中心,河北 邯鄲 056305;2.河北省高塑韌性耐磨鋼板技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056305)

高性能橋梁鋼作為新一代先進(jìn)鋼鐵材料，與傳統(tǒng)普通橋梁鋼相比，除了具備高強(qiáng)度外，鋼材的低溫韌性、耐大氣腐蝕性能，尤其是焊接性能有較大幅度提升[1]。耐候橋梁鋼作為高性能橋梁鋼的發(fā)展方向，在美國(guó)、日本及歐洲等地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用[2-5]。隨著鋼鐵冶金行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)耐候鋼認(rèn)識(shí)的逐步加深，耐候鋼橋梁所具有的綠色環(huán)保、維護(hù)養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便、壽命周期成本低等優(yōu)勢(shì)[6]，已開(kāi)始引起國(guó)內(nèi)高度重視。近年來(lái)我國(guó)對(duì)大跨度、高負(fù)載、綠色環(huán)保的橋梁建設(shè)需求越來(lái)越大，新型耐候橋梁鋼Q420qENH應(yīng)運(yùn)而生。

本文研究了在500 ℃回火溫度下不同回火保溫時(shí)間對(duì)Q420qENH耐候橋梁鋼拉伸性能和微觀組織的影響，旨在為Q420qENH耐候橋梁鋼回火工藝的制定提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用320 mm厚的Q420qENH耐候橋梁鋼連鑄坯，成分體系采用低碳成分設(shè)計(jì)，Nb、Cr、Ni、Cu微合金化，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。以TMCP方式軋制成厚度為50 mm的耐候橋梁鋼板，開(kāi)坯厚度為120 mm，精軋開(kāi)軋溫度為830 ℃，精軋終軋溫度為803 ℃，ACC冷卻返紅溫度為712 ℃。其TMCP態(tài)鋼板拉伸性能見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表2 試驗(yàn)鋼的拉伸性能

1.2 試驗(yàn)方法

在軋后鋼板的寬度四分之一處厚度四分之一處沿橫向加工4根直徑為10 mm的拉伸試樣進(jìn)行回火試驗(yàn)，回火使用KKQ中低溫回火爐進(jìn)行試驗(yàn)，回火溫度為500 ℃，回火保溫時(shí)間設(shè)置為15 min、30 min、60 min、90 min，出爐后空冷。

回火完畢后按照GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并分別取軋態(tài)和不同回火時(shí)間下的金相試樣進(jìn)行打磨和拋光，腐蝕液采用4%的硝酸酒精溶液，通過(guò)金相顯微鏡和電子掃描顯微鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 回火時(shí)間對(duì)拉伸性能的影響

試驗(yàn)鋼在500 ℃時(shí)不同回火時(shí)間下的拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖1為不同回火保溫時(shí)間下試驗(yàn)鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比的變化趨勢(shì)圖。

圖1 試驗(yàn)鋼拉伸性能與回火時(shí)間的關(guān)系

由圖1可以看出，回火時(shí)間在0～90 min之間變化時(shí)，隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，抗拉強(qiáng)度隨回火時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先稍微下降后上升再下降的趨勢(shì)，回火時(shí)間為60 min時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，屈服強(qiáng)度達(dá)到481 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到590 MPa；斷后伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，回火時(shí)間為30 min時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率最低降至24.5%；屈強(qiáng)比隨回火時(shí)間的延長(zhǎng)先逐步升高后保持穩(wěn)定為0.82。當(dāng)回火保溫時(shí)間為60 min時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及屈強(qiáng)比達(dá)到最優(yōu)匹配狀態(tài)，為最佳熱處理時(shí)間。

2.2 回火時(shí)間對(duì)鋼板組織的影響

分別對(duì)TMCP態(tài)及不同回火時(shí)間下的試驗(yàn)鋼進(jìn)行金相觀察，其金相組織如圖2所示。

圖2 軋態(tài)及不同回火時(shí)間下的金相組織

圖2(a)為軋態(tài)組織，圖2(b、c、d)分別為回火時(shí)間為30 min、60 min、90 min的金相組織。從圖2可以看出，軋態(tài)鋼板的組織為貝氏體+鐵素體+珠光體組織。經(jīng)過(guò)30～90 min時(shí)間回火后，試驗(yàn)鋼的組織變化不大，仍是貝氏體+鐵素體+珠光體組織，只是隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng)，貝氏體中M-A島發(fā)生部分分解，組織中析出物越來(lái)越多，同時(shí)細(xì)小的貝氏體、鐵素體片條合并為較寬較長(zhǎng)的鐵素體片條。回火時(shí)間超過(guò)60 min后，析出物開(kāi)始聚集長(zhǎng)大并且球化。

對(duì)不同回火時(shí)間下的試驗(yàn)鋼進(jìn)行電子掃描顯微鏡觀察，其SEM組織形貌如圖3所示。

圖3(a、b、c)分別為回火時(shí)間為30 min、60 min、90 min的SEM組織，圖3(d)為圖3(b)中析出物的能譜分析?？梢钥闯?，圖3(a)中析出物多呈桿狀；圖3(b)中桿狀析出物變短且有球化趨勢(shì)，同時(shí)點(diǎn)狀析出物增多；圖3(c)中點(diǎn)狀析出物已經(jīng)明顯粗化；圖3(d)中回火后的析出物為多為碳化物包括Fe3C、NbC、TiC等及一些銅的析出物。

圖3 不同回火時(shí)間下的SEM組織及能譜

2.3 討論與分析

試驗(yàn)鋼軋態(tài)組織主要由貝氏體+鐵素體+珠光體組成。其中硬相珠光體和M-A島數(shù)量較多，因此，軋態(tài)樣具有較低的屈強(qiáng)比，為0.78。

貝氏體鐵素體中碳原子是過(guò)飽和的[7]，軋態(tài)樣經(jīng)過(guò)500 ℃回火15～90 min時(shí)，貝氏體、鐵素體中過(guò)飽和的碳原子及M-A島分解出的碳原子開(kāi)始向位錯(cuò)處偏聚，與Fe、Nb、Ti、Cu等原子結(jié)合形成碳化物析出，然后聚集長(zhǎng)大、球化，同時(shí)貝氏體鐵素體基體內(nèi)板條亞結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生合并和寬化，內(nèi)部位錯(cuò)數(shù)量減少。

當(dāng)軋態(tài)樣經(jīng)15 min短時(shí)回火后，少量碳原子將優(yōu)先在自由能較高的位錯(cuò)處析出，起到釘扎位錯(cuò)阻礙位錯(cuò)滑移的效果[8]，使屈服強(qiáng)度升高，而碳原子的析出會(huì)降低固溶強(qiáng)化效果，使抗拉強(qiáng)度稍微降低，屈強(qiáng)比上升至0.80；隨著回火時(shí)間延長(zhǎng)到30 min，M-A島硬相發(fā)生部分的分解，但是由于細(xì)小的碳化物大量析出，發(fā)揮較大的強(qiáng)化作用，使抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度同時(shí)升高，屈強(qiáng)比也繼續(xù)升高，達(dá)到0.81；在15～30 min短時(shí)回火析出的平衡相θ-Fe3C呈條片狀，條片狀θ-Fe3C大量析出并且集聚，非均勻分布，對(duì)于材料的韌性有不利的影響[9]，導(dǎo)致伸長(zhǎng)率與軋態(tài)相比有所下降；當(dāng)回火時(shí)間延長(zhǎng)到60 min時(shí)，碳化物的析出速度減慢，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)升高，但是升高速度減慢，屈強(qiáng)比升高至0.82，此時(shí)條片狀的θ-Fe3C集聚球化、粗化，顆粒數(shù)量減少，尺寸趨于均勻，對(duì)于韌性的不利影響逐漸減小，斷后伸長(zhǎng)率得到一定的提升，性能變得趨于強(qiáng)韌化；當(dāng)回火時(shí)間延長(zhǎng)至90 min時(shí)，貝氏體鐵素體不斷寬化,位錯(cuò)密度下降，固溶碳含量降低[10]，同時(shí)之前析出的碳化物進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大并球化，析出物數(shù)量減少，綜合作用，使可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率提高，屈強(qiáng)比仍維持在0.82。

3 結(jié)論

(1)TMCP態(tài)Q420qENH鋼板在500 ℃下15～90 min的時(shí)間范圍內(nèi)回火，隨著回火時(shí)間延長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率呈先下降后上升的趨勢(shì)，屈強(qiáng)比先逐步上升后趨于穩(wěn)定?；鼗饡r(shí)間為60 min時(shí)各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

(2)試驗(yàn)鋼TMCP態(tài)組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，在500 ℃下隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng)，貝氏體中M-A島發(fā)生部分分解，組織中碳化物析出越來(lái)越多，同時(shí)細(xì)小的貝氏體、鐵素體片條合并為較寬較長(zhǎng)的鐵素體片條。回火時(shí)間超過(guò)60 min后，析出的碳化物開(kāi)始聚集長(zhǎng)大并且球化。

(3)TMCP態(tài)Q420qENH鋼板在500 ℃下15～90 min較寬時(shí)間范圍內(nèi)回火，均具有穩(wěn)定良好的綜合力學(xué)性能，為開(kāi)發(fā)TMCP+T交貨狀態(tài)的Q420qENH耐候橋梁鋼提供了依據(jù)。