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        鉬含量和熱軋后的冷卻工藝對Q500qE橋梁鋼板組織和力學(xué)性能的影響

        2022-09-26 02:07:54韓承良黃樂慶董占斌
        上海金屬 2022年5期
        關(guān)鍵詞:粒狀層流貝氏體

        韓承良 黃樂慶 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.首鋼集團有限公司 技術(shù)研究院, 北京 100043)

        近年來,我國橋梁建設(shè)在向大跨度、重載荷、全焊接方向發(fā)展,對鋼板強度、屈強比、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,采用熱機械軋制(thermo-mechanical control process, TMCP)工藝使鋼板兼具高強度、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,獲得兼具高強度、高韌性和低屈強比的顯微組織是生產(chǎn)Q500qE橋梁鋼產(chǎn)品的難點。

        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,抗拉強度提高幅度大于屈服強度,從而降低屈強比[6- 7]。層流冷卻結(jié)束溫度不同的鋼板組織類型、相比例、晶粒尺寸均會有明顯差異,導(dǎo)致Q500qE橋梁鋼板強度、塑性、韌性、屈強比有顯著差異[8- 12]。本文研究了鉬的質(zhì)量分數(shù)和層流冷卻結(jié)束溫度對Q500qE橋梁鋼板組織和力學(xué)性能的影響,通過控制組織使鋼板的屈強比、強度、韌性和塑性達到最佳結(jié)合。

        1 試驗材料及方法

        試驗用鋼采用低碳和微合金化成分設(shè)計,如表1所示,其中Mo質(zhì)量分數(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→雙機架4 300 mm中厚板軋機軋制→層流冷卻→熱矯直→冷床空冷。

        表1 試驗用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

        板坯加熱溫度為1 150~1 190 ℃,在爐時間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) ℃,累計變形量為64%,成品鋼板厚度為8 mm。軋后采用層流冷卻,開冷溫度為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)量分數(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。進行拉伸試驗和夏比V型缺口沖擊試驗,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)裝置進行金相檢驗,研究Mo含量和層流冷卻結(jié)束溫度對鋼板力學(xué)性能和顯微組織的影響。

        2 試驗結(jié)果

        2.1 Mo含量對力學(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??梢婋S著Mo質(zhì)量分數(shù)從0.05%增加至0.20%,屈服強度從463 MPa上升至581 MPa,抗拉強度從637 MPa上升至705 MPa,斷后伸長率從25.0%下降至20.5%,屈強比先升高后降低,-40 ℃沖擊韌性先降低后升高。此外,含質(zhì)量分數(shù)0.05% Mo的鋼板屈服強度低于技術(shù)要求,含質(zhì)量分數(shù)0.15% Mo的鋼板屈強比高于技術(shù)要求。含質(zhì)量分數(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)量分數(shù)0.05% Mo的鋼板組織為準多邊形鐵素體+針狀鐵素體+粒狀貝氏體;含質(zhì)量分數(shù)0.15% Mo的鋼板組織為粒狀貝氏體,M- A組織粗大;含質(zhì)量分數(shù)0.20% Mo的鋼板組織為粒狀貝氏體,貝氏體和M- A組織明顯細化,且M- A組織明顯增多。隨著Mo質(zhì)量分數(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組織細化。

        圖1 含質(zhì)量分數(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 ℃,鋼板屈服強度從526 MPa提高至662 MPa,抗拉強度從683 MPa提高至723 MPa,屈強比從0.77提高至0.92,斷后伸長率從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比和斷后伸長率不符合技術(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,粒狀貝氏體進一步細化。

        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檢驗結(jié)果如圖3所示。圖3表明:含質(zhì)量分數(shù)0.20% Mo,層流冷卻結(jié)束溫度為560、530和500 ℃的鋼板均無鐵素體,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)量分數(shù)為0.05%的鋼板生成了大量先共析鐵素體,強度低、韌性好,導(dǎo)致未轉(zhuǎn)變的奧氏體穩(wěn)定性提高,形成細針狀鐵素體和細小M- A的粒狀貝氏體[13],提高了抗拉強度和沖擊韌性。具有鐵素體和貝氏體雙相組織的鋼板在塑性變形過程中,強度較低的鐵素體首先屈服,強度較高的貝氏體在隨后的變形過程中抗拉強度提高,從而明顯降低屈強比,并且軟硬相的強度差越大,屈強比越小[14- 15]。隨著Mo含量的增加,抑制C元素擴散的作用增強,先共析鐵素體消失,得到完全貝氏體,M- A組織細化。含質(zhì)量分數(shù)0.15% Mo的鋼板獲得完全貝氏體組織,但M- A組織較粗,抗拉強度低,屈強比不符合要求,并且沖擊韌性降低。含質(zhì)量分數(shù)0.20% Mo的鋼板貝氏體和M- A組織明顯細化,抗拉強度和沖擊韌性明顯提高,屈強比滿足要求。

        由表3可知,隨著層流冷卻結(jié)束溫度的降低,鋼板屈服強度、抗拉強度、屈強比及沖擊韌性升高,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,其屈服強度較低;M- A島為二次相強化粒子,確保鋼板具有較高的抗拉強度,所以屈強比較??;此外由于粗大粒狀貝氏體結(jié)構(gòu)簡單,大角度晶界比例僅為15.0%,不能有效阻礙裂紋擴展,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,且貝氏體明顯細化,因此屈強比提高;降低層流冷卻結(jié)束溫度導(dǎo)致的晶粒細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

        對含質(zhì)量分數(shù)0.20%Mo、層流冷卻結(jié)束溫度為530 ℃的鋼板進行了300余批次性能檢驗,其屈強比和-40 ℃沖擊韌性統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示??梢娗鼜姳染禐?.80,-40 ℃沖擊吸收能量均值為109 J,鋼板性能良好。

        圖4 鋼板的屈強比和低溫沖擊韌性統(tǒng)計結(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)致屈服強度不合格;Mo含量增加能得到完全貝氏體組織,并且組織細化、強度提高。

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

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

        (4)含質(zhì)量分數(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。

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