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        低溫軋制的Q420qENH鋼厚板的組織和力學性能

        2022-11-25 12:24:16劉東博趙麗洋劉志平尹邵江劉寶喜顧曉勇徐向軍
        上海金屬 2022年6期
        關鍵詞:貝氏體鐵素體晶界

        劉東博 趙麗洋 劉志平 尹邵江 劉寶喜 顧曉勇 徐向軍

        (1.燕山大學 亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北 秦皇島 066004; 2.唐山中厚板材有限公司,河北 唐山 063200; 3.中鐵山橋集團有限公司,河北 秦皇島 066004)

        近年來,我國橋梁工程發(fā)展快速,為滿足建造大跨度、復雜環(huán)境中橋梁的需求,高性能耐候橋梁鋼中厚板逐漸得到推廣應用。Q420qENH鋼具有較高的強度、優(yōu)良的韌性及良好的焊接性能和耐蝕性能,已被逐步用于橋梁建造[1- 4]。

        Q420qENH鋼在控制軋制階段通過細化奧氏體晶粒,為鐵素體提供更多的形核點,可得到細小彌散的鐵素體和貝氏體組織,從而提高其強度和韌性[5- 7]。但在軋制厚板的過程中,鋼板心部的變形不均勻,將導致其組織細化不充分[8]。此外,鋼板軋制結束后,其表面和1/4厚度處受心部較高溫度的影響,會發(fā)生明顯的返溫,使組織嚴重粗化[9- 11]。

        本文研究了低溫軋制的Q420qENH鋼厚板的組織和性能,可為厚度不小于60 mm的Q420qENH鋼板的工業(yè)生產提供參考。

        1 試驗材料與方法

        試驗用60 mm厚Q420qENH鋼板由唐鋼中厚板有限公司生產,其化學成分如表1所示,碳當量CE為0.44,冷裂紋敏感指數(shù)Pcm為0.19,耐候指數(shù)I為6.5。試驗用Q420qENH鋼經150 t轉爐冶煉,澆鑄成280 mm鑄坯,冷坯入爐加熱3 h以上,出爐溫度不低于1 150 ℃,控軋控冷工藝參數(shù)如表2所示。在奧氏體再結晶區(qū)進行5道次粗軋,未再結晶區(qū)進行6道次精軋,軋后層流水冷,鋼板厚度為60 mm。

        表1 研究用Q420qENH鋼的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the investigated Q420qENH steel(mass fraction) %

        表2 Q420qENH鋼厚板的控軋控冷工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of controlled rolling and cooling for the Q420qENH steel thick plate

        分別從鋼板距上表面1/4和1/2厚度處及距下表面1/4厚度處切取縱向沖擊試樣和橫向拉伸試樣,進行擺錘式沖擊試驗和拉伸試驗。金相試樣采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕,采用Lepera試劑對M- A組元進行著色腐蝕。

        2 試驗結果與分析

        2.1 力學性能

        1號和2號鋼板的室溫拉伸性能和-40 ℃沖擊性能分別如表3和表4所示。1號和2號鋼板不同部位的力學性能如圖1所示。隨著終軋溫度的降低,鋼板典型部位的屈服強度和抗拉強度均升高,斷后伸長率略有降低,屈強比升高,沖擊韌性大幅度提高,上1/4厚度處沖擊吸收能量從91 J增加到355 J,1/2厚度處沖擊吸收能量從33 J增加到325 J,下1/4厚度處沖擊吸收能量從75 J增加到346 J。

        表3 Q420qENH鋼板不同部位的拉伸性能Table 3 Tensile properties in different positions of the Q420qENH steel plates

        表4 Q420qENH鋼板不同部位的-40 ℃沖擊吸收能量(KV2)Table 4 Impact absorbed energy(KV2) at -40 ℃ in different positions of the Q420qENH steel plates

        圖1 1號、2號鋼板力學性能的變化Fig.1 Change in mechanical properties of the steel plates No.1 and No.2

        2.2 顯微組織

        圖2和圖3分別為1號和2號鋼板的顯微組織??梢钥闯?,1號鋼板不同部位的組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體,2號鋼板不同部位的組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體,1號鋼板組織明顯比2號鋼板粗大,這是由于終軋溫度升高使先共析多邊形鐵素體數(shù)量增多,抑制了粒狀貝氏體的轉變[12],而且較高的終軋溫度使鐵素體粗化。這將嚴重影響鋼板的低溫沖擊韌性。

        圖2 1號鋼板距上表面1/4厚度(a)、1/2厚度(b)和距下表面1/4厚度(c)處的顯微組織Fig.2 Microstructures at 1/4 thickness below upper surface(a), 1/2 thickness(b) and 1/4 thickness below lower surface(c) in the steel plate No.1

        圖3 2號鋼板距上表面1/4厚度(a)、1/2厚度(b)和距下表面1/4厚度(c)處的顯微組織Fig.3 Microstructures at 1/4 thickness below upper surface(a), 1/2 thickness(b) and 1/4 thickness below lower surface(c) in the steel plate No.2

        對兩種鋼板心部采用Lepera試劑著色腐蝕,然后用金相顯微鏡觀察M- A組元的形態(tài)和分布,結果如圖4所示。M- A組元呈亮白色,軋制溫度較低的2號鋼板M- A組元明顯細化,數(shù)量減少,主要呈小顆粒狀。采用IPP圖像分析軟件對鋼板中M- A組元進行定量統(tǒng)計,結果如表5所示,終軋溫度為803 ℃的1號鋼板M- A組元比例較高,為2.04%,其平均尺寸為1.64 μm,最大尺寸為5.94 μm;終軋溫度為761 ℃的2號鋼板M- A組元的比例明顯下降,僅為0.77%,其平均尺寸也僅為0.98 μm。M- A組元為硬脆相,是影響沖擊韌性的主要因素之一,在受到沖擊載荷時,基體發(fā)生塑性變形,大塊狀M- A組元周圍易產生應力集中,當超過臨界應力時,將在M- A組元與鐵素體基體界面形成微裂紋并失穩(wěn)擴展[13]。

        圖4 1號(a)和2號(b)鋼板1/2厚度處的M- A組元Fig.4 M- A constituents at 1/2 thickness in the steel plates No.1(a) and No.2(b)

        表5 鋼板中M- A組元的比例和尺寸Table 5 Proportion and size of M- A consituents in steel plates

        對鋼板心部進行電子背散射(electron back scattered diffraction, EBSD)分析,結果如圖5所示。將晶粒取向差角θ≥15°的晶界稱為大角度晶界,用黑線表示,晶粒取向差角θ為2°~15°的晶界稱為小角度晶界,用白線表示。從圖5可以看出,低溫軋制的2號鋼板的晶粒較細小,定量統(tǒng)計得出其平均晶粒尺寸為3.81 μm,大角度晶界比例為24%;1號鋼板晶粒較粗大,其平均晶粒尺寸為4.47 μm,大角度晶界比例為9%。通常,有效晶粒尺寸越大,其細晶強化效果越小,這是1號鋼板屈服強度降低的主要原因[12]。

        圖5 1號(a)和2號(b)鋼板1/2厚度處的EBSD分析結果Fig.5 EBSD analysis results at 1/2 thickness in the steel plates No.1 (a) and No.2 (b)

        3 結論

        (1)低溫軋制的60 mm厚Q420qENH鋼板晶粒較細小,組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體。

        (2)隨著精軋終軋溫度的降低,低溫軋制的60 mm厚Q420qENH鋼板的屈服強度和抗拉強度均略有提高,沖擊韌性大幅度提高,上1/4厚度處的沖擊吸收能量從91 J增加到355 J,1/2厚度處的沖擊吸收能量從33 J增加到325 J,下1/4厚度處的沖擊吸收能量從75 J增加到346 J。

        (3)低溫軋制的60 mm厚 Q420qENH鋼板中M- A組元平均尺寸從5.94 μm減小到0.98 μm,其比例從2.04%降低到0.77%,大角度晶界比例從9%提高至24%;細小的M- A組元使裂紋難以萌生和擴展,鋼板韌性提高,其心部平均晶粒尺寸從4.47 μm減小到3.81 μm,細晶強化效果較好,鋼板的屈服強度提高。

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