韓承良 黃樂(lè)慶 董占斌 馮 偉

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200； 2.首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院， 北京 100043)

近年來(lái)，我國(guó)橋梁建設(shè)在向大跨度、重載荷、全焊接方向發(fā)展，對(duì)鋼板強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、焊接性能和低溫韌性提出了更高要求[1]。新一代橋梁鋼采用低碳成分，添加Nb、Ti、Mo等合金元素，采用熱機(jī)械軋制(thermo-mechanical control process, TMCP)工藝使鋼板兼具高強(qiáng)度、高韌性和良好的可焊性。但采用TMCP工藝生產(chǎn)橋梁鋼組織難以控制，獲得良好綜合力學(xué)性能的難度大[2]。因此，獲得兼具高強(qiáng)度、高韌性和低屈強(qiáng)比的顯微組織是生產(chǎn)Q500qE橋梁鋼產(chǎn)品的難點(diǎn)。

鉬是低碳貝氏體鋼的主要合金元素，能抑制先共析鐵素體形成，提高貝氏體含量[3- 5]；并且隨著鉬的加入，抗拉強(qiáng)度提高幅度大于屈服強(qiáng)度，從而降低屈強(qiáng)比[6- 7]。層流冷卻結(jié)束溫度不同的鋼板組織類型、相比例、晶粒尺寸均會(huì)有明顯差異，導(dǎo)致Q500qE橋梁鋼板強(qiáng)度、塑性、韌性、屈強(qiáng)比有顯著差異[8- 12]。本文研究了鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和層流冷卻結(jié)束溫度對(duì)Q500qE橋梁鋼板組織和力學(xué)性能的影響，通過(guò)控制組織使鋼板的屈強(qiáng)比、強(qiáng)度、韌性和塑性達(dá)到最佳結(jié)合。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼采用低碳和微合金化成分設(shè)計(jì)，如表1所示，其中Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.15%、0.20%。生產(chǎn)工藝為KR脫硫預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→VD處理→板坯連鑄→板坯加熱→雙機(jī)架4 300 mm中厚板軋機(jī)軋制→層流冷卻→熱矯直→冷床空冷。

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

板坯加熱溫度為1 150～1 190 ℃，在爐時(shí)間180～350 min。采用兩階段軋制：第一階段為再結(jié)晶區(qū)軋制，軋制溫度高于1 050 ℃，累計(jì)變形量為89%；第二階段為未再結(jié)晶區(qū)軋制，為避免產(chǎn)生混晶，始軋溫度低于980 ℃，終軋溫度為(860±20) ℃，累計(jì)變形量為64%，成品鋼板厚度為8 mm。軋后采用層流冷卻，開(kāi)冷溫度為720 ℃，冷速為35 ℃/s，冷卻結(jié)束溫度為530 ℃，在線熱矯直后鋼板置于冷床空冷至室溫。設(shè)定Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%，冷速為35 ℃/s，層流冷卻結(jié)束溫度分別為560、530、500 ℃，在線熱矯直后鋼板置冷床空冷至室溫。進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)和電子背散射衍射(electron back- scattered diffraction, EBSD)裝置進(jìn)行金相檢驗(yàn)，研究Mo含量和層流冷卻結(jié)束溫度對(duì)鋼板力學(xué)性能和顯微組織的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 Mo含量對(duì)力學(xué)性能和顯微組織的影響

不同Mo含量鋼板的力學(xué)性能如表2所示?？梢?jiàn)隨著Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%增加至0.20%，屈服強(qiáng)度從463 MPa上升至581 MPa，抗拉強(qiáng)度從637 MPa上升至705 MPa，斷后伸長(zhǎng)率從25.0%下降至20.5%，屈強(qiáng)比先升高后降低，-40 ℃沖擊韌性先降低后升高。此外，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05% Mo的鋼板屈服強(qiáng)度低于技術(shù)要求，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15% Mo的鋼板屈強(qiáng)比高于技術(shù)要求。含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20% Mo的鋼板具有最佳綜合力學(xué)性能。

表2 不同Mo含量鋼板的力學(xué)性能

不同Mo含量鋼板的顯微組織如圖1所示。含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05% Mo的鋼板組織為準(zhǔn)多邊形鐵素體+針狀鐵素體+粒狀貝氏體；含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15% Mo的鋼板組織為粒狀貝氏體，M- A組織粗大；含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20% Mo的鋼板組織為粒狀貝氏體，貝氏體和M- A組織明顯細(xì)化，且M- A組織明顯增多。隨著Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%增加至0.20%，鋼板中先共析鐵素體減少直至消失，粒狀貝氏體增多，且粒狀貝氏體和M- A組織細(xì)化。

圖1 含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%(a)、0.15%(b)和0.20% Mo(c)鋼板的顯微組織

2.2 層流冷卻結(jié)束溫度對(duì)力學(xué)性能和顯微組織的影響

不同溫度結(jié)束層流冷卻的鋼板的力學(xué)性能如表3所示。隨著層流冷卻結(jié)束溫度從560 ℃降低至500 ℃，鋼板屈服強(qiáng)度從526 MPa提高至662 MPa，抗拉強(qiáng)度從683 MPa提高至723 MPa，屈強(qiáng)比從0.77提高至0.92，斷后伸長(zhǎng)率從20.0%降低至17.0，-40 ℃沖擊吸收能量均值從65 J提高至130 J。在560 ℃結(jié)束層流冷卻的鋼板屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的富余量不大，在500 ℃結(jié)束層流冷卻的鋼板屈強(qiáng)比和斷后伸長(zhǎng)率不符合技術(shù)要求。在530 ℃結(jié)束層流冷卻的鋼板具有最佳的綜合力學(xué)性能，均符合技術(shù)要求。

表3 層流冷卻至不同溫度隨后空冷至室溫的鋼板力學(xué)性能

不同溫度結(jié)束層流冷卻的鋼板顯微組織如圖2所示。隨著層流冷卻結(jié)束溫度的降低，鋼板組織細(xì)化，在560 ℃結(jié)束層流冷卻的鋼板組織為粗大的粒狀貝氏體；在530 ℃結(jié)束層流冷卻的鋼板組織為粒狀貝氏體，但粒狀貝氏體和M- A組織明顯細(xì)化；在500 ℃結(jié)束層流冷卻的鋼板有板條貝氏體，粒狀貝氏體進(jìn)一步細(xì)化。

圖2 層流冷卻至560(a)、530(b)和500 ℃(c)隨后空冷至室溫的鋼板顯微組織

不同溫度結(jié)束層流冷卻的鋼板的SEM和EBSD檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3表明：含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20% Mo，層流冷卻結(jié)束溫度為560、530和500 ℃的鋼板均無(wú)鐵素體，其組織均為貝氏體，且隨著層流冷卻結(jié)束溫度的降低，M- A組織細(xì)化且數(shù)量增多，層流冷卻結(jié)束溫度為500 ℃的鋼板出現(xiàn)板條貝氏體；隨著層流冷卻結(jié)束溫度的降低，鋼板平均晶粒尺寸從5.3 μm減小至4.5 μm，大角度晶界比例從15.0%提高至32.6%。

3 分析與討論

Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的鋼板生成了大量先共析鐵素體，強(qiáng)度低、韌性好，導(dǎo)致未轉(zhuǎn)變的奧氏體穩(wěn)定性提高，形成細(xì)針狀鐵素體和細(xì)小M- A的粒狀貝氏體[13]，提高了抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性。具有鐵素體和貝氏體雙相組織的鋼板在塑性變形過(guò)程中，強(qiáng)度較低的鐵素體首先屈服，強(qiáng)度較高的貝氏體在隨后的變形過(guò)程中抗拉強(qiáng)度提高，從而明顯降低屈強(qiáng)比，并且軟硬相的強(qiáng)度差越大，屈強(qiáng)比越小[14- 15]。隨著Mo含量的增加，抑制C元素?cái)U(kuò)散的作用增強(qiáng)，先共析鐵素體消失，得到完全貝氏體，M- A組織細(xì)化。含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15% Mo的鋼板獲得完全貝氏體組織，但M- A組織較粗，抗拉強(qiáng)度低，屈強(qiáng)比不符合要求，并且沖擊韌性降低。含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20% Mo的鋼板貝氏體和M- A組織明顯細(xì)化，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性明顯提高，屈強(qiáng)比滿足要求。

由表3可知，隨著層流冷卻結(jié)束溫度的降低，鋼板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比及沖擊韌性升高，但塑性降低。由圖3可知，層流冷卻結(jié)束溫度為560 ℃的鋼板組織為粗大的粒狀貝氏體，其屈服強(qiáng)度較低；M- A島為二次相強(qiáng)化粒子，確保鋼板具有較高的抗拉強(qiáng)度，所以屈強(qiáng)比較??；此外由于粗大粒狀貝氏體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大角度晶界比例僅為15.0%，不能有效阻礙裂紋擴(kuò)展，且粗大的M- A島與基體之間易形成裂紋，兩者綜合作用導(dǎo)致鋼板低溫韌性較差。層流冷卻結(jié)束溫度為500 ℃的鋼板組織為粒狀貝氏體和板條貝氏體，且貝氏體明顯細(xì)化，因此屈強(qiáng)比提高；降低層流冷卻結(jié)束溫度導(dǎo)致的晶粒細(xì)化和大角度晶界比例的升高，明顯改善了鋼板的低溫韌性。

4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20%Mo、層流冷卻結(jié)束溫度為530 ℃的鋼板進(jìn)行了300余批次性能檢驗(yàn)，其屈強(qiáng)比和-40 ℃沖擊韌性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)屈強(qiáng)比均值為0.80，-40 ℃沖擊吸收能量均值為109 J，鋼板性能良好。

圖4 鋼板的屈強(qiáng)比和低溫沖擊韌性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)Mo含量和層流冷卻結(jié)束溫度顯著影響Q500qE橋梁鋼板的顯微組織和力學(xué)性能；Mo含量較低的鋼板生成大量的先共析鐵素體，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度不合格；Mo含量增加能得到完全貝氏體組織，并且組織細(xì)化、強(qiáng)度提高。

(2)隨著層流冷卻結(jié)束溫度的降低，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20% Mo的鋼板貝氏體細(xì)化，強(qiáng)度和沖擊韌性提高，斷后伸長(zhǎng)率下降，層流冷卻至500 ℃隨后空冷的鋼板生成了細(xì)小的粒狀貝氏體和板條貝氏體，強(qiáng)度高、韌性好，但斷后伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比不符合要求。

(3)為獲得具有良好綜合力學(xué)性能的Q500qE橋梁鋼板，需提高M(jìn)o含量以避免生成先共析鐵素體，并使鋼板層流冷卻結(jié)束后生成大量細(xì)小的M- A組織或板條貝氏體，以提高屈強(qiáng)比。

(4)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20% Mo、層流冷卻至530 ℃隨后冷床空冷至室溫的Q500qE橋梁鋼板具有最佳的綜合力學(xué)性能。