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(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066004)

近年來(lái)，我國(guó)橋梁工程發(fā)展快速，為滿足建造大跨度、復(fù)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(yīng)用。Q420qENH鋼具有較高的強(qiáng)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(guò)細(xì)化奧氏體晶粒，為鐵素體提供更多的形核點(diǎn)，可得到細(xì)小彌散的鐵素體和貝氏體組織，從而提高其強(qiáng)度和韌性[5- 7]。但在軋制厚板的過(guò)程中，鋼板心部的變形不均勻，將導(dǎo)致其組織細(xì)化不充分[8]。此外，鋼板軋制結(jié)束后，其表面和1/4厚度處受心部較高溫度的影響，會(huì)發(fā)生明顯的返溫，使組織嚴(yán)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(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用60 mm厚Q420qENH鋼板由唐鋼中厚板有限公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表1所示，碳當(dāng)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(yàn)用Q420qENH鋼經(jīng)150 t轉(zhuǎn)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(jié)晶區(qū)進(jìn)行5道次粗軋，未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)。金相試樣采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用Lepera試劑對(duì)M- A組元進(jìn)行著色腐蝕。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

1號(hào)和2號(hào)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(hào)和2號(hào)鋼板不同部位的力學(xué)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均升高，斷后伸長(zhǎng)率略有降低，屈強(qiáng)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(hào)、2號(hào)鋼板力學(xué)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(hào)和2號(hào)鋼板的顯微組織。可以看出，1號(hào)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(hào)鋼板不同部位的組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體，1號(hào)鋼板組織明顯比2號(hào)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(zhuǎn)變[12]，而且較高的終軋溫度使鐵素體粗化。這將嚴(yán)重影響鋼板的低溫沖擊韌性。

圖2 1號(hào)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(hào)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(duì)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(jié)果如圖4所示。M- A組元呈亮白色，軋制溫度較低的2號(hào)鋼板M- A組元明顯細(xì)化，數(shù)量減少，主要呈小顆粒狀。采用IPP圖像分析軟件對(duì)鋼板中M- A組元進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表5所示，終軋溫度為803 ℃的1號(hào)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(hào)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?jīng)_擊載荷時(shí)，基體發(fā)生塑性變形，大塊狀M- A組元周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)超過(guò)臨界應(yīng)力時(shí)，將在M- A組元與鐵素體基體界面形成微裂紋并失穩(wěn)擴(kuò)展[13]。

圖4 1號(hào)(a)和2號(hào)(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(duì)鋼板心部進(jìn)行電子背散射(electron back scattered diffraction, EBSD)分析，結(jié)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(hào)鋼板的晶粒較細(xì)小，定量統(tǒng)計(jì)得出其平均晶粒尺寸為3.81 μm，大角度晶界比例為24%；1號(hào)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(xì)晶強(qiáng)化效果越小，這是1號(hào)鋼板屈服強(qiáng)度降低的主要原因[12]。

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

3 結(jié)論

(1)低溫軋制的60 mm厚Q420qENH鋼板晶粒較細(xì)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(xì)小的M- A組元使裂紋難以萌生和擴(kuò)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(xì)晶強(qiáng)化效果較好，鋼板的屈服強(qiáng)度提高。