冷卻速率對高層建筑結構鋼板Q420GJC金相組織的影響

高志國，陳麗軍，高 軍，陳 興

（1.武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300；2.內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司，內蒙古 包頭 014010）

近年來，為滿足我國高層建筑建設的技術進步和發展需求，高層建筑用結構鋼板性能逐漸提升[1-3]。屈服強度達到420 MPa（以下簡稱Q420GJC）的高層建筑結構鋼板使用日漸規模化，涉及電力、橋梁、高層建筑等應用領域[4-6]。Q420GJC具有高強度、低屈強比、高韌塑性等特點，廣泛用于高層建筑、超高層建筑、大跨度文體場館、大型機場、會展中心以及鋼結構框架房屋等工業與民用建筑的支撐件和承重梁制造[7]。目前，除了少數幾家公司可以通過爐卷軋機和熱連軋機組生產外，絕大多數產品是運用中厚板軋機生產的[8-9]。由于用戶的屈強比等性能要求的差異，導致該鋼種交貨狀態種類繁多，具體包括熱軋態、正火軋制態、正火態、正火+回火態等，以中厚板、厚板、特厚板等規格交貨較為常見[10-11]。

然而，制定該鋼種眾多的熱加工工藝前提條件是確定Q420GJC鋼板的Ac1、Ac3、Ms等相變點溫度以及冷卻轉變情況，此類報道較少。眾所周知，連續冷卻轉變（continuous cooling transition,CCT）曲線是確定各種鋼熱軋及熱處理工藝的重要技術手段之一。該方法不但可以系統地驗證熱軋工藝參數合理性，而且還可以揭示軋后在線冷卻速率對鋼材組織的影響、衡量鋼種成分合理性、選用與之匹配的工藝參數。基于上述原因，本文使用210 t轉爐真空冶煉Q420GJC高層建筑結構鋼坯，采用包鋼4 100 mm寬厚板熱軋機組進行熱軋實驗，采用Formastor-F全自動膨脹測試儀測定了Q420GJC實驗鋼的CCT曲線，系統分析了冷卻速率對連續冷卻轉變曲線的影響規律。運用金相顯微鏡分析了不同冷卻速率對應的試樣金相組織。測定結果將為Q420GJC厚板的正火等熱處理工藝、正火軋制工藝制定提供理論依據。

1 材料及實驗方法

1.1 實驗材料

以優質廢鋼、鐵合金等為原料，使用210 t轉爐真空冶煉Q420GJC鋼坯，經粗加工后矩形鋼坯斷面尺寸為2 200 mm×250 mm。取鑄坯樣進行化學成分分析，詳細冶煉化學成分見表1。從壓下率、軋制變形溫度和軋機負荷等方面綜合考慮，Q420GJC實驗鋼熱軋工藝窗口如圖1所示。制定加熱爐制度時設定加熱溫度(1 250±10)℃，均熱時間1小時，加熱時間總長度不少于3 h。軋制前去除氧化鐵皮，熱軋開軋溫度1 230℃、終軋溫度865℃左右、終軋厚度及道次壓下量15%～30%，采用包鋼4 100 mm寬厚板熱軋機組進行熱軋實驗。

圖1 軋制工藝Fig.1 Rolling process

1.2 實驗方法

采用Formastor-F全自動熱膨脹儀測定實驗鋼的臨界點Ac1和Ac3，以200℃/h加熱速度升溫之后確定實驗鋼的奧氏體化溫度理論值為Ac3以上30～50℃，保溫時間依據試樣大小選擇保溫10 min。靜態CCT曲線試樣制備方法是沿20 mm厚的實驗鋼板縱向切取條狀原料，進一步加工成Φ3 mm×10 mm的圓柱形試樣，然后從試樣的任意一端開一個與圓柱試樣外徑同心的Φ2 mm×2 mm的小孔；為了測試結果更精確，試樣側面粗糙度Ra 1.6，兩端面粗糙度Ra 0.8。靜態CCT曲線測試時，試樣加熱到奧氏體化溫度保溫10 min，然后分別以0.1，1，2，5，10，14，20，30，50，100℃/s的冷卻速率冷至室溫。記錄冷卻過程的膨脹量-溫度曲線，采集溫度、膨脹量和時間數據，結合金相-硬度法確定轉變開始點和轉變終止點，繪制實驗鋼的靜態CCT曲線。使用HV-10B硬度儀測試不同冷卻速率條件下的試樣硬度值，載荷10 kg，加載時間15 s。采用德國蔡司Axio observer A1M型金相顯微鏡觀察分析不同冷卻速率條件下的試樣金相組織形貌。

2 結果與分析

2.1 CCT曲線結果分析

圖2為測定的Q420GJC實驗鋼靜態CCT曲線。圖中曲線從右至左冷卻速率依次為：0.1，1，2，5，10，14，20，30，50，100℃/s。由圖2可知，Q420GJC在連續冷卻過程中，發生了鐵素體的析出(A→F)、珠光體轉變(A→P)、貝氏體轉變（A→B）和馬氏體轉變（A→M）。冷卻速率小于14℃/s時，Q420GJC鋼板的金相組織以珠光體和鐵素體為主。在冷卻速率達到14℃/s時，開始出現貝氏體組織，室溫組織為珠光體+鐵素體+貝氏體混合組織。隨著冷卻速率的進一步加快，冷速在14～100℃/s范圍內，得到貝氏體+鐵素體組織。冷卻速率達到100℃/s時，室溫組織為貝氏體+馬氏體+鐵素體。由CCT曲線測試結果判定該鋼種不易獲得完全馬氏體組織，主要原因在于微合金化元素Nb、V的添加提高了過冷奧氏體的穩定性，抑制馬氏體轉變發生，致使貝氏體+鐵素體含量增加[12-13]。依據圖2分析結果，將不同冷速下對應的轉變溫度和轉變產物進行統計，詳細結果見表2。因表中的相變點對應膨脹曲線上拐點，冷卻速率的快慢決定了膨脹曲線上拐點的數量，故部分CCT曲線沒有相變溫度3溫度值。

圖2 Q420GJC鋼的連續冷卻轉變曲線Fig.2 Continuous cooling transformation curve of Q420GJC

表2 不同冷速對應的Q420GJC鋼板相變點溫度和室溫組織產物Tab.2 Thephasetransition temperatureand roomtemperature structureproductsof Q420GJCsteel platewith differentcoolingrates

2.2 金相組織觀察

圖3 在不同冷速下Q420GJC鋼板金相組織：(1)5℃/s,(2)10℃/s,(3)14℃/s,(4)20℃/s,(5)50℃/s,(6)100℃/sFig.3 Microstracture of Q420GJCsteel plate at different colling rates：(1)5℃/s,(2)10℃/s,(3)14℃/s,(4)20℃/s,(5)50℃/s,(6)100℃/s

為了進一步驗證上述金相組織判斷的準確性，選取CCT曲線圖中的6條曲線對應試樣進行了不同冷卻速率條件下的金相組織觀察，結果如圖3所示。由圖可知，隨著冷卻速率的提高，試樣金相組織中珠光體含量減少，貝氏體含量增加；即珠光體+鐵素體組織逐漸弱化，貝氏體+鐵素體組織逐漸強化，直到馬氏體的出現。圖3(1)、(2)為珠光體+鐵素體組織，(3)為珠光體+鐵素體+貝氏體組織，(4)、(5)為貝氏體+鐵素體組織，(6)為低碳馬氏體+少量鐵素體+貝氏體組織金相顯微鏡觀察得到了組織與圖2中CCT曲線的測定相變區域判斷完全吻合。CCT曲線與金相組織觀察結果一致證實了Q420GJC實驗鋼在較寬的冷速范圍內金相組織以貝氏體+鐵素體為主，不易獲得完全馬氏體組織。

3 結論

(1)運用Formastor-F全自動熱膨脹儀測定Q420GJC高層建筑結構實驗鋼板試樣的CCT曲線、相變點和臨界冷卻速率，研究不同冷卻速率對金相組織的影響，通過金相顯微鏡觀察微觀組織與CCT曲線中對轉變產物判斷結論一致。

(2)冷卻速率小于14℃/s時，Q420GJC實驗鋼的金相組織以珠光體和鐵素體為主；冷速在14～100℃/s范圍內，得到貝氏體+鐵素體組織；冷卻速率達到100℃/s時，開始出現馬氏體組織，該鋼種的臨界冷卻速率為100℃/s。

(3)Q420GJC實驗鋼的Ac1為684℃，Ac3為830℃，Ms為493℃。在較寬的冷速范圍內金相組織以貝氏體+鐵素體為主。CCT曲線測試結果為Q420GJC鋼板熱處理工藝的制定提供了詳實的理論基礎。