張 穎，孫小巍，寧安剛，羅志勇

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，太原 030006；2.沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110168；3.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030002)

0 引 言

Q460GJD鋼作為一種高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼，在現(xiàn)代化高層建筑和大跨度建筑中具有良好的應(yīng)用前景，這主要與其強度高、屈強比低、沖擊韌性良好以及焊接性能優(yōu)異等有關(guān)[1]。但是，Q460GJD鋼在實際生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過反復(fù)加熱和變形，會產(chǎn)生各種缺陷(組織不均勻、混晶等)[2]，這不僅會影響材料的性能，而且還可能在制造過程中由于熱塑性較差而在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力綜合作用下出現(xiàn)鑄坯開裂等問題[3-5]。奧氏體晶粒尺寸是影響鋼熱塑性的重要因素，這主要是因為裂紋通常會沿著奧氏體晶界萌生和擴展，尤其是當(dāng)奧氏體晶粒較粗大且晶界上存在第二相時，裂紋擴展會愈發(fā)明顯[6]。因此，有必要對Q460GJD鋼鑄件進(jìn)行多次熱處理或多向鍛造以改善其組織均勻性[7-8]，但是熱變形或者熱處理對Q460GJD鋼晶粒長大的影響規(guī)律仍不清楚。為此，作者對均勻化處理后的Q460GJD鋼鑄錠進(jìn)行多向鍛造和熱處理，研究了多向鍛造后的加熱溫度和保溫時間對奧氏體晶粒長大行為的影響，以期為生產(chǎn)和開發(fā)具有良好成形性能和最終力學(xué)性能的建筑用Q460GJD鋼提供試驗參考。

圖1 鑄態(tài)試驗鋼和鍛造態(tài)試驗鋼不同部位的晶粒形貌Fig.1 Grain morphology of as-cast test steel (a) and different parts of forged test steel (b-d): (b) upper part;(c) center part and (d) lower part

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為中國一重公司冶煉的建筑用Q460GJD鋼鑄錠，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.17C，0.34Si，1.48Mn，0.009P，0.003S，0.03Nb，0.08V，6.8×10-5N，余Fe。在鑄錠上截取尺寸為30 mm×30 mm×30 mm的塊狀試樣，先進(jìn)行820 ℃×12 h的均勻化處理，隨爐冷卻至室溫；將均勻化態(tài)鋼錠加熱至760 ℃后進(jìn)行多向鍛造處理，先鍛造第一個面并旋轉(zhuǎn)鍛坯至90°進(jìn)行第二個面的鍛造，再將鍛坯旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第三個面的鍛造，完成1個道次的鍛造處理后重復(fù)上述鍛造處理至3個道次，總鍛造比為9.90[9]，鍛造后水冷至室溫，然后進(jìn)行840 ℃×1 h的退火處理，隨爐冷卻至室溫。對退火態(tài)試樣進(jìn)行1 250 ℃×3 h水冷的淬火處理，分析多向鍛造對Q460GJD鋼奧氏體晶粒尺寸的影響。將退火態(tài)試樣進(jìn)行930 ℃×3 h水冷的均勻化處理，并將此時Q460GJD鋼的奧氏體晶粒尺寸作為初始晶粒尺寸；再將均勻化處理的試樣加熱至950～1 250 ℃并保溫0.5～8 h后水冷至室溫，分析熱處理加熱溫度和保溫時間對鍛造態(tài)試驗鋼晶粒長大行為的影響。

在鍛造態(tài)試樣上以及經(jīng)不同加熱溫度和不同保溫時間熱處理后的鍛造態(tài)試樣上截取金相試樣，經(jīng)冷鑲后采用60#～1500#碳化硅砂紙逐級打磨，W1.5金剛石研磨膏拋光后，在沸騰的飽和苦味酸溶液中腐蝕，分別用清水和酒精清洗后，在BX51M型光學(xué)顯微鏡上觀察晶粒形貌，按照GB/T 6394—2017，采用Image-Pro Plus 6.0軟件對20個視場下的晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計[10]。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 多向鍛造對晶粒形貌與尺寸的影響

由圖1可知：鑄態(tài)試驗鋼中存在尺寸不等的奧氏體晶粒，且晶粒尺寸差異較大，最大尺寸可達(dá)200 μm,說明組織中出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；多向鍛造處理后，試驗鋼不同部位的奧氏體晶粒均得到明顯細(xì)化，且不同部位的晶粒尺寸差異性較小?？梢钥闯?，多向鍛造可以消除鑄態(tài)試驗鋼中的混晶現(xiàn)象。

2.2 鍛造后的熱處理對晶粒形貌與尺寸的影響

由圖2可知：在950 ℃保溫1 h熱處理后，試驗鋼中較多的細(xì)小晶粒在原奧氏體晶界處生成；當(dāng)加熱溫度升高至1 000 ℃時，晶界處生成的細(xì)小晶粒增多，且呈現(xiàn)出向晶粒內(nèi)部生長的趨勢；當(dāng)加熱溫度為1 100 ℃時，細(xì)小晶粒長大，且出現(xiàn)了由尺寸不等晶粒形成的混晶現(xiàn)象；隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，晶粒明顯長大，且加熱溫度為1 250 ℃時的平均晶粒尺寸達(dá)118 μm。

由圖3可以看出：在加熱溫度為1 200 ℃條件下，當(dāng)保溫時間為0.5 h時，試驗鋼中晶粒尺寸較細(xì)小、均勻；當(dāng)保溫時間延長至1 h和5 h時，晶粒尺寸增加較明顯，部分晶粒尺寸可達(dá)100 μm以上；繼續(xù)延長保溫時間至8 h，晶粒尺寸變化不大，表明這個階段的晶粒長大趨勢趨于穩(wěn)定。

圖2 鍛造態(tài)試驗鋼在不同溫度保溫1 h后的晶粒形貌Fig.2 Grain morphology of forged test steel after holding at different temperatures for 1 h

圖3 鍛造態(tài)試驗鋼在1 200 ℃保溫不同時間后的晶粒形貌Fig.3 Grain morphology of forged test steel after holding at 1 200 ℃ for different times

由圖4可以看出,在相同保溫時間下，隨著加熱溫度的升高，試驗鋼的平均晶粒尺寸增大，尤其是當(dāng)加熱溫度高于1 100 ℃時，平均晶粒尺寸增長速率較快。在較低的加熱溫度下，Q460GJD鋼中的鈮和釩元素會形成碳氮化物而起到釘扎作用[11-12]，因此晶粒尺寸變化較?。浑S著加熱溫度的升高，第二相發(fā)生粗化和長大，釘扎作用減弱，導(dǎo)致晶粒長大并在局部形成混晶；繼續(xù)升高加熱溫度，第二相逐漸回溶至基體，晶粒長大的驅(qū)動力增加，當(dāng)驅(qū)動力與第二相釘扎作用平衡時，晶粒長大速率變緩[13-14]。當(dāng)保溫時間從0.5 h延長至3 h，不同加熱溫度下試驗鋼的平均晶粒尺寸增加較明顯，而當(dāng)保溫時間超過3 h時，平均晶粒尺寸變化幅度不大。對比發(fā)現(xiàn)，加熱溫度對Q460GJD鋼平均晶粒尺寸的影響明顯大于保溫時間，因此在后續(xù)實際操作中可通過調(diào)節(jié)加熱溫度來調(diào)控Q460GJD鋼的晶粒尺寸。

圖4 鍛造態(tài)試驗鋼經(jīng)不同溫度熱處理后的平均晶粒尺寸隨保溫時間的變化曲線Fig.4 Curves of average grain size vs holding time of forged test steel after heat treatment at different temperatures

2.3 分析與討論

Q460GJD鋼的奧氏體晶粒長大行為可采用Sellars模型[15-17]表示，具體表達(dá)式為

(1)

式中：D0，Dt分別為初始晶粒尺寸和時間為t時的晶粒尺寸；A為與Q460GJD鋼有關(guān)的常數(shù)；Q為激活能；R為氣體常數(shù)，8.314×10-3J·kg-1·mol-1·K-1；T為加熱溫度;n為晶粒長大指數(shù)。

由于Q460GJD鋼的初始平均晶粒尺寸較小(12.67 μm)，因此在計算過程中可忽略D0的影響[18-19]。對式(1)兩邊取對數(shù)，可得：

(2)

根據(jù)式(2)，基于試驗數(shù)據(jù)得到Q460GJD鋼的lnDt-1/T和lnDt-lnt關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5可知，不同保溫時間下的lnDt和1/T基本呈線性關(guān)系，不同加熱溫度下的lnDt和lnt也基本呈線性關(guān)系。擬合可得A=1.19×1010，n=2.657，Q=2.41×105J·mol-1，代入式(1)得到Q460GJD鋼的奧氏體晶粒長大模型為

(3)

圖5 試驗鋼的ln Dt-1/T關(guān)系曲線和ln Dt-ln t關(guān)系曲線Fig.5 ln Dt-1/T relation curve (a) and ln Dt-ln t relation curve (b) of test steel

根據(jù)式(3)計算得到1 150 ℃加熱溫度和不同保溫時間下試驗鋼的平均晶粒尺寸，并與試驗值進(jìn)行對比以驗證模型的準(zhǔn)確性。由表1可以看出，在相同加熱溫度下，試驗鋼的平均晶粒尺寸試驗值和計算值都隨著保溫時間延長而增大，且相對誤差小于5%，驗證了該模型的準(zhǔn)確性，該模型可為實際工業(yè)生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)。

3 結(jié) 論

(1) 鑄態(tài)Q460GJD鋼中存在尺寸不等的奧氏體晶粒，且晶粒尺寸差異較大，出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；經(jīng)過多向鍛造后，晶粒明顯細(xì)化，不同部位的晶粒尺寸差異性較小，混晶現(xiàn)象消除。

表1 1 150 ℃加熱溫度和不同保溫時間下試驗鋼平均晶粒尺寸的試驗值與計算值以及相對誤差

(2) 在相同保溫時間下，隨著加熱溫度的升高，Q460GJD鋼的平均晶粒尺寸增大，且在相同加熱溫度下，保溫時間越長，平均晶粒尺寸越大；加熱溫度對晶粒尺寸的影響明顯大于保溫時間。