控軋控冷工藝中冷卻溫度對Q550D高強鋼顯微組織和拉伸性能的影響

雷 波1，何 雨2，黃顯彬

(1.廣安職業技術學院，廣安 638000；2.北京科技大學材料學院，北京 100083；3.四川農業大學土木工程學院，都江堰 611800)

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展和城鎮化進程的加速，中國建筑結構形式朝著高層/超高層以及大跨度方向發展。由于近年來四川汶川、雅安以及青海玉樹等地區頻繁發生地震災害，研究者們都在努力合作開發具有良好綜合性能的高強韌性建筑用抗震鋼，并解決高強韌性與低屈強比不匹配問題[1-2]：在實際開發過程中高強鋼的強度和屈強比通常無法匹配，即提高強度的同時會增大屈強比[3-5]。為了滿足新時期建筑用鋼的市場需求，具有良好強韌性、低屈強比(≤0.85)等優點的590 MPa級高強抗震鋼是目前亟待開發的鋼種。已有研究成果表明，高強度低屈強比結構用鋼通常含有多相或者雙相組織，一般通過改變化學成分、調整生產工藝等方法來實現其生產。其中，控軋控冷工藝可以在對鋼材進行組織調控的同時降低生產成本，提高生產效率，是開發高強度低屈強比結構用鋼的一種有效方法。目前，有關控軋控冷工藝的研究多集中在冷卻速率、冷卻方式等對熱軋鋼板組織與性能的影響上[6-7]。作者在調研國內外高強韌建筑用鋼開發的基礎上，選取熱軋態Q550D鋼板為研究對象，研究了控軋控冷過程中開始冷卻(開冷)溫度和終冷溫度對其顯微組織和拉伸性能的影響，擬為590 MPa級抗震鋼板的工業化生產與實際應用提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為Q550D鋼板，厚度為24 mm，由河鋼集團鋼研總院提供，采用傳統熱軋工藝生產。采用iCAP7000 Plus型電感耦合等離子發射光譜儀測得試驗鋼的主要成分(質量分數/%)為0.07C，0.39Si，1.69Mn，0.011P，0.005S，0.067Nb，0.013Ti，≤0.80(Mo+Cr+Ni)，余Fe。采用DIL402PC型熱膨脹儀測定試驗鋼的珠光體轉變為奧氏體溫度Ac1，鐵素體全部轉變為奧氏體溫度Ac3，奧氏體向珠光體轉變結束溫度Ar1和奧氏體向鐵素體轉變開始溫度Ar3，結果分別為812，884，684，758 ℃。

在試驗鋼板上截取尺寸為380 mm×36 mm×24 mm的試樣，用去離子水清洗并吹干后，進行控軋控冷處理，其具體工藝為：將吹干后的試樣在KJ-M1200-12LZ型箱式電阻爐中進行875 ℃保溫45 min的熱處理，再升溫至910 ℃后，在3 min內在MSB-6C-650型可逆軋機上進行壓下量為20%的軋制，然后以較慢的冷卻速率(約10 ℃·s-1)緩冷至開冷溫度，再以相對較快的冷卻速率(約80 ℃·s-1)冷卻至終冷溫度，然后空冷至室溫。如表1所示，共設計了6組軋后冷卻溫度，分別對比了終冷溫度相同、開冷溫度不同(1#和4#，3#和5#)，開冷溫度相同、終冷溫度不同(4#，5#，6#)以及同時降低開冷溫度和終冷溫度(1#，2#，3#)條件下試驗鋼的顯微組織和拉伸性能。

表1 控軋控冷工藝的開冷溫度和終冷溫度

采用線切割方法截取金相試樣(表面尺寸為12 mm×12 mm)，經鑲嵌、磨拋，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在S-4800型掃描電鏡(SEM)上觀察顯微組織，并用Axio Imager M2m型光學顯微鏡附帶Image Pro Plus 6.0軟件分析不同相含量，觀察5個視場取平均值。根據GB/T 228.1-2010，在MTS-809型萬能拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸試樣尺寸為140 mm×18 mm×3 mm，標距為40 mm，拉伸速度為2 mm·min-1，測3個平行試樣取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知：在不同開冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后，試驗鋼的基體組織基本相同，都為貝氏體+少量鐵素體+大量馬氏體/奧氏體(M/A)島，M/A島分布在鐵素體/貝氏體相界上，均主要呈顆粒狀、塊狀和長條狀。

由表2可以看出：在相同終冷溫度下降低開冷溫度(1#和4#或5#和3#)，試驗鋼中的鐵素體和M/A島含量增加，且鐵素體含量的增加幅度較大而M/A島的很小。這是因為降低開冷溫度亦即增大軋制和開始冷卻之間的溫差，會在增加鐵素體形核驅動力的同時延長鐵素體形核孕育時間[8]，從而促進鐵素體形成；而快速冷卻階段形成的M/A島的含量主要與終冷溫度有關，開冷溫度對其影響較小。在相同開冷溫度下降低終冷溫度(4#，5#，6#)，試驗鋼中的鐵素體含量略有減少而M/A島含量明顯增加。這是因為終冷溫度對較高溫度下形成的鐵素體形核和孕育的影響較小，而對快速冷卻過程中形成的M/A島影響較大[9]；終冷溫度的降低更有利于形成M/A島。同時降低開冷溫度和終冷溫度(1#，2#，3#)，試驗鋼中的鐵素體和M/A島含量同步遞增，但M/A島的增加幅度小于鐵素體的。

圖1 在不同開冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

表2 在不同開冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼中鐵素體和M/A島的體積分數

Table 2 Volume fractions of ferrite and M/A island in test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

編號開冷溫度/℃終冷溫度/℃鐵素體體積分數/%M/A島體積分數/%1#80544513.8310.362#75539520.2313.123#72535525.7815.084#78544516.2011.605#78535515.4912.856#78526515.2715.49

圖2 在不同開冷溫度和終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

2.2 拉伸性能

由圖2可見：在相同終冷溫度下降低開冷溫度(1#和4#或5#和3#)，試驗鋼的屈服強度顯著降低，抗拉強度變化幅度較小，反映在屈強比上表現為屈強比減小，這是因為在該條件下組織中硬質相M/A島的含量雖略有增加但增加幅度較小，而軟質相鐵素體的含量明顯增大[10-11]。此外，試驗鋼的拉伸性能還與其晶粒大小有關[12]。在相同終冷溫度下降低開冷溫度會造成晶粒的粗化和長大，而晶粒粗化對屈服強度的降低作用大于對其抗拉強度的作用[13]，這也導致了屈強比的減小。在相同開冷溫度下降低終冷溫度(4#，5#，6#)，試驗鋼的抗拉強度基本不變，而屈服強度增大，反映在屈強比上表現為屈強比增大，這是因為在該條件下組織中的軟質相鐵素體含量略有減少，而硬質相M/A島含量明顯增大。同時降低開冷溫度和終冷溫度(1#，2#，3#)，試驗鋼的屈服強度減小，而抗拉強度先增大后減小，且抗拉強度的減小幅度小于屈服強度的，反映在屈強比上表現屈強比降低。在6組軋后冷卻溫度下控軋控冷后試驗鋼的屈強比都符合建筑抗震鋼對屈強比的要求，即不大于0.85。

對比可知：在開冷溫度725 ℃、終冷溫度355 ℃(3#)條件下，試驗鋼的屈服強度和屈強比最低；在開冷溫度755 ℃、終冷溫度395 ℃(2#)條件下，試驗鋼具有最高的抗拉強度，屈服強度則與開冷溫度805 ℃、終冷溫度445 ℃(1#)條件下的相當(相對最高)，但屈強比更低。由此可見，當開冷溫度為755 ℃，終冷溫度為395 ℃(2#)時，試驗鋼具有最佳的拉伸性能。

3 結 論

(1) 不同開冷溫度和終冷溫度(共6組)下試驗鋼的基體組織均由貝氏體+鐵素體+M/A島組成，M/A島分布在鐵素體/貝氏體相界上，均主要呈顆粒狀、塊狀和長條狀；在相同終冷溫度下降低開冷溫度能增加鐵素體和M/A島含量，但M/A島含量的增加幅度較??；在相同開冷溫度下降低終冷溫度，鐵素體含量略有減少而M/A島含量明顯增加；同時降低開冷溫度和終冷溫度，鐵素體和M/A島含量同步遞增，但M/A島含量的增加幅度小于鐵素體的。

(2) 在6組軋后冷卻溫度下控軋控冷后試驗鋼的屈強比都符合建筑抗震鋼的屈強比不大于0.85的要求；在相同終冷溫度下降低開冷溫度，試驗鋼的屈服強度顯著降低，抗拉強度變化幅度較小，屈強比減?。幌嗤_冷溫度下降低終冷溫度，抗拉強度基本不變，屈服強度增大，屈強比增大；同時降低開冷溫度和終冷溫度，屈服強度減小，抗拉強度先增大后減小，屈強比降低。

(3) 試驗鋼組織中軟質相鐵素體和硬質相M/A島含量的變化決定著屈強比的變化：鐵素體含量明顯增加，則屈強比降低；M/A島含量明顯增加，則屈強比增大。在開冷溫度755 ℃、終冷溫度395 ℃下，試驗鋼具有最佳的拉伸性能。