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(北京科技大學(xué) 鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100083)

進(jìn)入21世紀(jì)，城市高層建筑不斷涌現(xiàn)，耐火鋼因其具有良好的抗震性和耐火性而被廣泛應(yīng)用[1]。耐火鋼在600 ℃時(shí)的屈服強(qiáng)度至少保持其室溫屈服強(qiáng)度的2/3[2]。Mo被認(rèn)為是提高材料高溫力學(xué)性能最有效的元素之一，添加適量的Mo，可以促進(jìn)形成粒狀貝氏體，粒狀貝氏體熱穩(wěn)定性好，在其內(nèi)部分布的M/A島組織是硬質(zhì)相，可以保證耐火鋼的高溫強(qiáng)度[3]。目前，常規(guī)耐火鋼如NSFR400、NSFR490鋼中的Mo含量幾乎都超過(guò)0.5%[4]。然而，Mo作為微合金元素，價(jià)格昂貴，減少M(fèi)o的添加，可以降低生產(chǎn)成本。Speer等[5]研究了Nb和V微合金化替代部分Mo元素，取得了一定效果，但是成本依然很高。因此，尋找成本更低的微合金元素來(lái)替代Mo等成為耐火鋼的主要發(fā)展方向。

在本研究中，通過(guò)添加Ti替代部分Mo，并進(jìn)行控軋控冷工藝處理，實(shí)驗(yàn)室制備了具有不同Ti含量的低Mo耐火鋼，研究了Ti微合金化及控軋控冷工藝對(duì)其高溫強(qiáng)度的影響，并進(jìn)行了理論分析以揭示Ti添加的主要高溫強(qiáng)化機(jī)理，為460 MPa級(jí)低成本耐火鋼的成分、工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 成分設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室試制鋼板的化學(xué)成分見表1，采用低碳設(shè)計(jì)，碳含量控制在0.11%；3種試驗(yàn)鋼都采用Mo微合金化，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%；為穩(wěn)定奧氏體，保證在控軋控冷狀態(tài)下得到更多的貝氏體組織，試驗(yàn)鋼中還加入Si、Mn等元素，這些元素同時(shí)還能起到固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用，提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度。主要區(qū)別在于3種鋼采用不同Ti含量進(jìn)行微合金化。

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

1.2 冶煉與軋制

試驗(yàn)鋼在25 kg真空感應(yīng)爐中冶煉，鋼水澆鑄成尺寸為100 mm×80 mm×60 mm的鋼錠。熱變形采用兩階段軋制，即再結(jié)晶階段和未再結(jié)晶階段，在二輥軋機(jī)上經(jīng)7道次熱軋成12 mm厚鋼板，加熱爐加熱溫度為1200 ℃，冷至1150 ℃左右開軋，終軋溫度880 ℃，軋后水冷到550 ℃左右保溫20 min，最后空冷至室溫。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試及組織觀察

室溫拉伸試驗(yàn)在CMT5605電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，高溫拉伸試驗(yàn)在CM75105高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，顯微組織觀察分別在DM2700M光學(xué)顯微鏡、ULTRA55掃描電鏡和FEI TECNAI F20透射電鏡上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

根據(jù)GB/T 28415—2012《耐火結(jié)構(gòu)用鋼板及鋼帶》對(duì)熱軋鋼板沿橫向截取拉伸試樣，在600 ℃下保溫3 h進(jìn)行高溫拉伸，其室溫和高溫力學(xué)性能見表2。由表2可知，Ti系列鋼的室溫屈服強(qiáng)度都在480 MPa以上，隨著Ti含量的增加，4Ti鋼、7Ti鋼和10Ti鋼的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，分別為489、565及641 MPa。3種試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率≥17%，塑性較好；屈強(qiáng)比均<0.85，符合460 MPa級(jí)耐火鋼抗震性能要求。3種試驗(yàn)鋼的高溫屈服強(qiáng)度均高于307 MPa的標(biāo)準(zhǔn)要求，10Ti鋼達(dá)到394 MPa；其YS值(600 ℃屈服強(qiáng)度/室溫屈服強(qiáng)度)分別為0.65、0.68和0.62，基本達(dá)到耐火鋼性能要求，其中7Ti鋼YS比值0.68，超過(guò)0.67，滿足耐火鋼的使用標(biāo)準(zhǔn)。

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

圖1 熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼的室溫顯微組織Fig.1 Room temperature microstructure of the hot-rolled tested steels(a1, a2) 4Ti; (b1, b2) 7Ti; (c1, c2) 10Ti

2.2 顯微組織及析出相

通過(guò)線切割，在試驗(yàn)鋼板厚度的1/4處截取尺寸為5 mm×5 mm×5 mm的金相試樣。熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼的室溫顯微組織見圖1，4Ti鋼組織為多邊形鐵素體+復(fù)相組織(片層珠光體和粒狀貝氏體)，7Ti鋼為準(zhǔn)多邊形鐵素體+M/A島，10Ti鋼為針狀鐵素體+M/A島。隨Ti含量的增加，3種試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸遞減，其鐵素體形態(tài)是從多邊形到準(zhǔn)多邊形再到針狀的轉(zhuǎn)變過(guò)程。10Ti鋼晶粒尺寸最小，且組織分布均勻。

熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)600 ℃保溫回火3 h水淬后，其顯微組織的掃描電鏡、透射電鏡照片及EDS成分檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。經(jīng)高溫作用后，4Ti鋼仍保留完整的復(fù)相組織(片層珠光體+粒狀貝氏體)，這證實(shí)了粒狀貝氏體高溫穩(wěn)定性較好，其內(nèi)部分布的M/A島組織只發(fā)生少許分解，分解析出碳化物；通過(guò)EDS點(diǎn)掃描分析析出相成分得知，析出物是Mo、Ti的復(fù)合碳化物，尺寸在100～200 nm。與4Ti鋼一樣，7Ti鋼和10Ti鋼中的M/A島組織在保溫過(guò)程中分解析出碳化物，這是M/A島的細(xì)化過(guò)程[6]。

圖2 600 ℃保溫3 h后試驗(yàn)鋼的組織及EDS分析Fig.2 Microstructure and EDS analysis of the tested steels held at 600 ℃ for 3 h(a) 4Ti; (b) 7Ti; (c) 10Ti

圖3 600 ℃保溫3 h后試驗(yàn)鋼的TEM照片及EDS分析(a)4Ti鋼；(b)7Ti鋼；(c)10Ti鋼；(a1, b1, c1)位錯(cuò)；(a2, b2, c2)納米析出相；(d)圖(c2)中箭頭所指析出物EDS分析Fig.3 TEM images and EDS analysis of the tested steels held at 600 ℃ for 3 h(a) 4Ti steel; (b) 7Ti steel; (c) 10Ti steel; (a1, b1, c1) dislocation; (a2, b2, c2) nano precipitation; (d) EDS analysis of precipitate indicated by arrow in Figure (c2)

對(duì)600 ℃保溫3 h后的3種試驗(yàn)鋼進(jìn)行透射電鏡觀察，由圖3可見，600 ℃保溫3 h后試驗(yàn)鋼組織中仍保留部分位錯(cuò)，10Ti鋼中晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，所以在晶界處形成位錯(cuò)墻；位錯(cuò)相互纏結(jié)交割，對(duì)高溫強(qiáng)度有一定的積極作用[7]。在鐵素體基體中分布有大量彌散析出物，其中有大量小于10 nm的析出物，由EDS能譜分析(見圖3(d))顯示，10Ti鋼中析出物為Ti的碳化物。析出相會(huì)與基體中的位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，具體會(huì)產(chǎn)生兩種不同類型的強(qiáng)化機(jī)制，一是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)切割質(zhì)點(diǎn)，稱為切割機(jī)制；二是不穿過(guò)質(zhì)點(diǎn)，而是繞過(guò)它，并在其周圍留下位錯(cuò)環(huán)，稱為繞過(guò)機(jī)制[8]。這兩種機(jī)制都將阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高試驗(yàn)鋼的室溫及高溫力學(xué)性能。

3 分析與討論

隨Ti含量的增加，3種試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸遞減，當(dāng)Ti含量增加到0.1%時(shí)，10Ti鋼的組織以針狀鐵素體為主；考慮到3種成分試驗(yàn)鋼的冷卻方式和軋制工藝相同，因此是化學(xué)成分引起的差異。Ti能使奧氏體再結(jié)晶停止溫度升高，從而擴(kuò)大試驗(yàn)鋼的非再結(jié)晶軋制溫度區(qū)間。一方面，Ti原子可以偏聚于奧氏體晶界處，溶質(zhì)原子對(duì)晶界起拖曳作用，從而抑制奧氏體再結(jié)晶。另一方面，在奧氏體變形過(guò)程中，通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)析出的Ti(C,N)析出物會(huì)釘扎晶粒邊界，阻礙晶粒再結(jié)晶長(zhǎng)大[9]。在再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，變形和奧氏體再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)形變-再結(jié)晶反復(fù)交錯(cuò)進(jìn)行奧氏體晶粒細(xì)化，但晶粒細(xì)化效果不如非再結(jié)晶區(qū)軋制。在奧氏體非再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，多道次的變形使奧氏體晶粒被拉長(zhǎng)，晶內(nèi)產(chǎn)生畸變，存在大量位錯(cuò)、形變帶。形變帶的增多給鐵素體提供了更多的形核點(diǎn)，鐵素體形核點(diǎn)增加，發(fā)生相變后晶粒尺寸減小。因此，相比于在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制細(xì)化晶粒效果更加明顯[10]。所以，4Ti鋼、7Ti鋼和10Ti鋼隨著Ti含量的增加，抑制奧氏體再結(jié)晶越明顯，可間接起到細(xì)化晶粒的作用。

從掃描電鏡下可以觀察到，Ti系列試驗(yàn)鋼中都形成了形態(tài)不一的M/A島硬質(zhì)相。首先，Mo能增加鋼的淬透性，使CCT曲線右移，所以在軋后水冷的過(guò)程中會(huì)直接進(jìn)入貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。其次，軋后冷卻方式采用水冷，冷卻速率快，C元素在滲碳體和鐵素體之間來(lái)不及擴(kuò)散，水冷至貝氏體轉(zhuǎn)變溫度形成粒狀貝氏體[11]。粒狀貝氏體是耐火鋼理想的組織，在其內(nèi)部分布的M/A島組織是硬質(zhì)相，且M/A島組織熱穩(wěn)定性好。由高溫TEM組織觀察可知，在600 ℃保溫3 h后，M/A島組織只發(fā)生分解細(xì)化，分解析出合金碳化物，M/A島的細(xì)化過(guò)程使基體與硬質(zhì)相的變形更加協(xié)調(diào)，細(xì)小碳化物與位錯(cuò)相互作用對(duì)高溫屈服強(qiáng)度有一定的積極作用[12]。

由圖3的TEM照片可以發(fā)現(xiàn)，3種試驗(yàn)鋼中存在大量位錯(cuò)，10Ti鋼在晶界處出現(xiàn)位錯(cuò)墻。這是試驗(yàn)鋼在熱軋變形過(guò)程中，變形奧氏體內(nèi)形成了大量位錯(cuò)；發(fā)生相變后，位錯(cuò)保留在鐵素體晶粒內(nèi)，當(dāng)施加外力時(shí)，位錯(cuò)在滑移過(guò)程中發(fā)生纏結(jié)，起到位錯(cuò)強(qiáng)化作用[13]。另一方面，鐵素體基體內(nèi)有大量小于10 nm的小顆粒析出物，由于軋后水冷抑制相間析出，只在中間處理溫度下保溫時(shí)發(fā)生了部分彌散析出，所以控軋控冷態(tài)試驗(yàn)鋼已經(jīng)存在部分納米級(jí)析出物，大部分Ti元素是處于固溶狀態(tài)；在高溫回火時(shí)有大量新的納米析出物析出，舊的析出物發(fā)生了粗化長(zhǎng)大，但仍然處于納米級(jí)別。納米級(jí)析出物與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

由力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知，在微合金化技術(shù)和控軋控冷技術(shù)的共同作用下，4Ti鋼、7Ti鋼和10Ti鋼獲得理想的耐火鋼組織：鐵素體+粒狀貝氏體+M/A島。在相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化的共同作用下，使得4Ti鋼、7Ti鋼和10Ti鋼獲得了良好的高溫力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了低成本、高強(qiáng)度及工藝流程簡(jiǎn)化。

4 結(jié)論

1) 控軋控冷態(tài)試驗(yàn)鋼的顯微組織是由鐵素體、粒狀貝氏體、M/A島所組成的混合組織，其中粒狀貝氏體、M/A島是耐火鋼的理想組織。試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸隨Ti含量的增加而遞減，Ti含量為0.1%的試驗(yàn)鋼中的鐵素體主要以針狀形式存在，其細(xì)化晶粒效果最好。在600 ℃保溫3 h后，試驗(yàn)鋼中大量析出納米碳化物，析出強(qiáng)化效果明顯。

2) 力學(xué)性能結(jié)果顯示，3種試驗(yàn)鋼的室溫屈服強(qiáng)度都在460 MPa以上，斷后伸長(zhǎng)率≥17%，表現(xiàn)出良好的塑性，屈強(qiáng)比皆小于0.85，滿足抗震性能要求。在600 ℃保溫3 h后，試驗(yàn)鋼中的M/A島組織發(fā)生分解細(xì)化，使得基體與硬質(zhì)相的變形更加協(xié)調(diào)，使其高溫力學(xué)性能更優(yōu)異。

3) 在相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化的共同作用下，不同Ti含量的試驗(yàn)鋼獲得了良好的高溫力學(xué)性能，其YS值分別為0.65、0.68和0.62，基本達(dá)到耐火鋼的性能要求，其中Ti含量為0.07%的試驗(yàn)鋼耐火性能更優(yōu)異。