楊 穎, 徐宏亮, 王玉博, 武會賓, 毛新平

(1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室, 遼寧 鞍山 114009;2. 鞍鋼集團 鋼鐵研究院, 遼寧 鞍山 114009;3. 北京科技大學(xué) 鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100083)

近年來,高速鐵路和跨江跨海等大型工程推動了國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造行業(yè)的迅速發(fā)展,同時也對結(jié)構(gòu)件的屈服強度和抗拉強度、伸長率等提出了更高的要求[1-6]。美國現(xiàn)行橋梁專用鋼標(biāo)準(zhǔn)ASTM A709/A709M[7-9]己涵蓋了HPS 345W、HPS 485W、HPS 690W這3個等級的高性能橋梁鋼,HPS 345W和HPS 485W鋼在鋼橋上的應(yīng)用最為廣泛,建橋數(shù)量已超過200座[10-14]。我國橋梁鋼已由熱軋普通碳素鋼(A3)、正火處理低碳低(微)合金鋼(16Mnq、15MnVNq和14MnNbq鋼)、逐漸發(fā)展到TMCP(Thermo mechanical controlled process)型低碳貝氏體鋼(Q420qE),重點解決了強韌性匹配、板厚效應(yīng)減小、焊接性能改善等問題[15-20]。

國內(nèi)自主研發(fā)的橋梁用鋼已經(jīng)可以滿足大型橋梁項目建設(shè)的需要,但在高性能耐候橋梁鋼的研發(fā)和應(yīng)用上較國外還存在一定差距[21-22]。目前國內(nèi)高性能橋梁鋼大多采用超低碳貝氏體型成分設(shè)計,采用TMCP工藝路線,控制碳含量≤0.05%,合理設(shè)計軋制、冷卻工藝,但對于后續(xù)的回火或調(diào)質(zhì)工藝的全面的可供參考的研究較少。本文采用某公司自主研發(fā)的500 MPa級大厚度橋梁鋼,研究了不同的控軋控冷及熱處理工藝對鋼板微觀組織的影響,為國內(nèi)高性能橋梁鋼的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗鋼以低碳微合金為設(shè)計思路,將碳含量控制在0.05%之內(nèi),適量添加Mn、Nb、V、Ti、Cu等合金元素,嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素S、P的方案。試驗鋼化學(xué)成分如表1所示。試驗鋼板厚度為100 mm,TMCP工藝的終軋溫度為820 ℃,返紅溫度為400 ℃,平均冷卻速度約18 ℃/s。TMCP工藝熱軋后分別進(jìn)行直接回火和調(diào)質(zhì)處理,調(diào)質(zhì)工藝的淬火溫度為910 ℃,回火和調(diào)質(zhì)工藝的回火溫度均采用600 ℃,回火時間為100 min。

表1 Q500q橋梁鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

分別在100 mm厚,TMCP、TMCP+回火以及TMCP+調(diào)質(zhì)3種工藝的500 MPa級試驗鋼1/4厚度處法向與軋向的截面(RD-ND)取樣,逐級研磨、拋光后用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕,在光學(xué)顯微鏡(COSSIM.550)和掃描電鏡(ZEISS Gemini SEM500)下對其顯微組織進(jìn)行觀察。用10%(體積分?jǐn)?shù))高氯酸溶液對試樣進(jìn)行電解拋光(電壓18 V,電流1 A)后,進(jìn)行EBSD掃描,EBSD的掃描步長根據(jù)試樣晶粒尺寸大小和應(yīng)變進(jìn)行調(diào)整。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,在Zwick型全自動拉伸試驗機上進(jìn)行拉伸試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

在經(jīng)過TMCP、TMCP+回火及TMCP+調(diào)質(zhì)3種熱處理工藝后,試驗鋼的力學(xué)性能如表2所示,在單獨的TMCP工藝下,試驗鋼的屈服強度在500 MPa以下,抗拉強度也略低,強度韌性難以達(dá)到合理的匹配。TMCP+回火工藝下,屈服強度由490 MPa提升至515 MPa,抗拉強度也由614 MPa提升至641 MPa,伸長率幾乎沒有變化。TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下,屈服強度和抗拉強度進(jìn)一步提升,但伸長率出現(xiàn)下降。對比3種工藝可見,TMCP+回火下,強度可達(dá)到500 MPa級,強韌性也有較好的匹配。

表2 3種熱處理工藝下試驗鋼的力學(xué)性能

2.1 TMCP工藝的組織特征分析

對TMCP工藝后的鋼板進(jìn)行顯微組織分析,鋼板1/4厚度處的組織見圖1,組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體,且在鐵素體和貝氏體邊界處存在少量M/A島,由于TMCP工藝中選擇了合適的返紅溫度,得到低屈強比,軟硬適中的多相組織。

圖1 TMCP工藝下試驗鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the tested steel under TMCP process(a) OM; (b) SEM

圖2為TMCP工藝下試驗鋼的EBSD結(jié)果。從圖2(a)的BC圖和圖2(b)的IPF圖可知,TMCP工藝后組織的晶粒取向也較為豐富,小角度晶界的占比為51.9%,小角度晶界可阻礙位錯的運動,從而提高屈服強度。通過圖2(c)的KAM圖和圖2(d)的GND density圖,可以看出,單獨TMCP工藝的位錯密度為2.4×1014m-2,局部應(yīng)變部分比較均勻,沒有產(chǎn)生累積情況;由于應(yīng)變主要分布在粒狀貝氏體中,所以當(dāng)組織中出現(xiàn)粒狀貝氏體時,會使得晶粒內(nèi)部位錯密度升高,塑性變形過程中容易發(fā)生位錯塞積阻礙滑移的進(jìn)行,對塑性產(chǎn)生不利影響;但大量分布的多邊形鐵素體塑性變形的能力強,所以整體上組織的伸長率較高。

圖2 TMCP工藝下試驗鋼的EBSD結(jié)果(a)BC圖;(b)IPF圖;(c)KAM圖;(d)GND density圖Fig.2 EBSD results of the tested steel under TMCP process(a) BC image; (b) IPF image; (c) KAM image; (d) GND density image

2.2 TMCP+回火工藝的組織特征分析

對TMCP+回火工藝后的鋼板進(jìn)行顯微組織分析,鋼板1/4厚度處的組織見圖3,組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體,晶粒細(xì)小,分布均勻。回火過程的組織變化主要為回復(fù)和析出,主要表現(xiàn)為貝氏體中位錯亞結(jié)構(gòu)的回復(fù)軟化與碳的脫溶及析出第二相的強化機制綜合作用。

圖3 TMCP+回火后試驗鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of the tested steel after TMCP and tempering process(a) OM; (b) SEM

圖4為TMCP+回火工藝下試驗鋼的EBSD結(jié)果,從圖4(a)的BC圖和圖4(b)的IPF圖可知,TMCP+回火工藝后組織的晶粒并沒有沿軋向有明顯分布,晶粒取向豐富,小角度晶界的占比為59.8%,小角度晶界阻礙位錯的運動,提高了屈服強度,但小角度晶界占比的提高會在一定程度上降低組織的伸長率。通過圖4(c)的KAM圖和圖4(d)的GND density圖可以看出,在TMCP后進(jìn)行回火處理的過程中,組織發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶,位錯密度降低到2.3×1014m-2,這主要是因為在回火過程中,通過位錯的滑移、交滑移,使位錯密度降低,亞結(jié)構(gòu)變化,隨著回火過程的進(jìn)一步進(jìn)行,析出相的析出和長大以及合金元素的脫溶,會使組織的抗拉強度得到提升,獲得強韌性匹配良好的綜合力學(xué)性能。

圖4 TMCP+回火工藝下試驗鋼的EBSD結(jié)果(a)BC圖;(b)IPF圖;(c)KAM圖;(d)GND density圖Fig.4 EBSD results of the tested steel after TMCP and tempering process(a) BC image; (b) IPF image; (c) KAM image; (d) GND density image

2.3 TMCP+調(diào)質(zhì)工藝的組織特征分析

對TMCP+調(diào)質(zhì)工藝后的鋼板進(jìn)行顯微組織分析,鋼板1/4厚度處組織見圖5,組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體,粒狀貝氏體散落分布,同時在多邊形鐵素體的邊界處分布著少量的M/A島,晶粒細(xì)小,分布均勻。在淬火加熱和冷卻過程中,由于在1/4厚度處的冷卻速度不夠快,淬火形成的回火馬氏體組織少,淬火后形成了粒狀貝氏體,鑒于其回火穩(wěn)定性較好,回火后呈現(xiàn)了粒狀貝氏體組織特征;對于淬火后的組織,在回火的過程中,轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅舞F素體組織,最終形成多邊形鐵素體和粒狀貝氏體的復(fù)合組織。

圖6為TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下試驗鋼的EBSD結(jié)果,從圖6(a)的BC圖和圖6(b)的IPF圖可知,TMCP+調(diào)質(zhì)工藝后組織的晶粒與回火態(tài)相似,并沒有沿軋向有明顯的分布,晶粒取向豐富,小角度晶界的占比為56.5%,調(diào)質(zhì)過程中的回火溫度較高,所以得到的晶粒也相比于回火處理有所長大,同時占比較高的小角度晶界阻礙了位錯運動,進(jìn)一步提高了屈服強度,組織的伸長率也進(jìn)一步降低。通過圖6(c)的KAM圖和圖6(d)的GND density圖可以看出,在TMCP后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,晶粒不僅能夠完成回復(fù)與再結(jié)晶過程,還可以進(jìn)行長大,所以與回火工藝相比,位錯密度降低到2.2×1014m-2,小角度晶界占比也有所降低;在淬火+高溫回火的過程中,由于粒狀貝氏體、鐵素體晶粒的尺寸都在變大,使過飽和的碳原子被排出來聚集到鄰近的殘留奧氏體中,奧氏體因含碳量的增加而強化從而提高了其抗拉強度。同時高溫回火后,由于大量的位錯消失,組織中的位錯密度也進(jìn)一步降低,使試驗鋼的伸長率進(jìn)一步降低。

圖6 TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下試驗鋼的EBSD結(jié)果(a)BC圖;(b)IPF圖;(c)KAM圖;(d)GND density圖Fig.6 EBSD results of the tested steel after TMCP, quenching and tempering process(a) BC image; (b) IPF image; (c) KAM image; (d) GND density image

3 結(jié)論

1) 通過對TMCP工藝的終軋溫度、開冷溫度、冷卻速度和返紅溫度進(jìn)行調(diào)控,可以得到粒狀貝氏體、準(zhǔn)多邊形鐵素體以及M/A島組成的復(fù)相組織。粒狀貝氏體的應(yīng)變強化提高屈服強度以滿足強度要求,多邊形鐵素體良好的塑性變形能力來保障組織的伸長率,M/A島通過增大抗拉強度來降低屈強比。

2) TMCP+回火工藝下,回火過程組織變化主要表現(xiàn)為回復(fù)和析出,主要為貝氏體中發(fā)生位錯的滑移、交滑移,使位錯密度降低,亞結(jié)構(gòu)變化,同時析出相出現(xiàn)聚集長大,固溶元素脫溶,組織演變?yōu)樨愂象w+鐵素體,強度持續(xù)降低,但韌塑性得到改善,并獲得強韌性匹配良好的綜合力學(xué)性能。

3) TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下,試驗鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅舞F素體,粒狀貝氏體和細(xì)小的M/A島的復(fù)相組織;晶粒完成了回復(fù)與再結(jié)晶并發(fā)生長大,高溫回火后粒狀貝氏體、鐵素體晶粒的尺寸都在變大,使過飽和的碳原子被排出來聚集到鄰近的殘留奧氏體中,加之回火后大量位錯的消失使得試驗鋼屈服強度和抗拉強度明顯提高,但伸長率降低。