Ce合金化及噴丸對Q235鋼組織和力學性能的影響

龍 瓊 余靜喜 李保軍 李 娟 伍劍明 伍玉嬌

(1.貴州理工學院材料與冶金工程學院，貴州 貴陽 550003；2.長江存儲科技有限責任公司，湖北 武漢 430205;3.中建科技有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550025)

Q235鋼具有高強度和斷裂韌度、良好的焊接性能以及成本低等優點，廣泛應用于建筑、隧道、橋梁等領域，主要是承力構件[1-3]。但是，由于異形鋼結構存在連接、疲勞、應力集中等缺點，在隧道橋梁等領域拱頂用異形型鋼的冷彎過程中容易開裂，因此很難采用冷彎工藝制備出合格的異形型鋼[4-5]，目前主要依賴進口或通過焊接獲得。因此，從安全和節約資源的角度出發，加強對隧道橋梁等特殊領域異形鋼的開發與應用具有重要的意義和實用價值。

添加稀土元素對鋼液進行改性，可以凈化鋼液、變質-變性-變形夾雜物以及微合金化等。由于稀土元素的化學性質非?；顫姡⒘肯⊥猎鼐湍芘c鋼液中氧、硫、鉛等有害元素形成高熔點化合物，靜置后不但能凈化鋼液，還能改善夾渣物形態，顯著改善鋼的力學性能[6-10]。噴丸處理也可以進一步提高材料力學性能。對金屬材料表面進行噴丸處理，使工件表層金屬產生塑性流動并引起組織變化，由于材料內部的自平衡作用，表面會形成一層壓縮殘余應力層[11-13]。表層殘余壓應力能部分抵消工件載荷施加的拉應力，阻止裂紋的產生和擴展，從而提高材料的力學性能[14-16]。因此，研究稀土合金化及噴丸強化對型鋼表面殘余應力分布的影響，對開發型鋼表面改性新技術具有重要意義。

本文以Q235鋼為原料，添加稀土Ce、重熔和軋制后，再進行噴丸處理，考察了稀土含量、噴丸參數對Q235鋼的組織及力學性能的影響，并對影響機制進行了討論。

1 試驗材料及方法

試驗用材料在感應爐中熔煉并脫氧，采用沖入法加入稀土Ce，經過均勻化處理再軋制成薄板，各爐試樣的化學成分如表1所示，其中0號為原始鋼樣。

表1 試樣的化學成分(質量分數)

采用TS-9080P-A加壓式噴砂機對稀土合金化鋼表面進行噴丸處理，鋼珠直徑為0.8 mm，噴丸壓力0～0.66 MPa，噴丸時間0～480 s。試樣經磨、拋后，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，用Axio Observer Z1m倒置式光學顯微鏡觀察組織形貌。使用MH-3顯微硬度計測量硬度，試驗力為100 g，保壓時間為5 s。采用Ultima Ⅳ X射線衍射儀測定試樣的晶面間距、點陣常數和表面應力等。使用X-350A X射線殘余應力分析儀測量試樣不同深度處的殘余應力。根據GB/T 228—2010，用NKK-4100型微機控制電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速率為5 mm/min。采用Nova Nano SEM 450掃描電鏡及能譜儀對拉伸試樣的斷口形貌進行觀察分析。采用電子探針X射線顯微分析儀及其附帶的TEAM Octane Pro型能譜儀分析稀土元素分布。

2 試驗結果與討論

2.1 表層顯微組織

圖1為以0.4 MPa壓力噴丸不同時間的未加稀土Ce試樣的顯微組織。由圖1可見，未經噴丸的試樣晶粒呈等軸狀，噴丸后，試樣表層發生了明顯的塑性變形，引起加工硬化，產生殘余壓應力。隨著噴丸時間的延長，塑性變形層的厚度不斷增加。圖2為不同Ce含量試樣以0.4 MPa壓力噴丸60 s后的顯微組織?？梢娫嚇泳Яｏ@著細化，隨著Ce含量的增加，平均晶粒尺寸從未加稀土的11.17 μm減小到Ce的質量分數為0.024%的7.71 μm。

圖2 不同Ce含量試樣以0.4 MPa壓力噴丸60 s后的顯微組織

圖1 以0.4 MPa壓力噴丸不同時間的未加Ce試樣的顯微組織

圖3為未噴丸和噴丸的不含Ce試樣的表層SEM形貌?？梢?，試樣組織由片層狀的珠光體和鐵素體組成。噴丸處理后，試樣表層發生了嚴重的塑性變形，晶界不再明顯，這是由于不同取向的相鄰片層狀珠光體在噴丸后相互擠壓、滑移導致片層消失且不再連續，從而導致珠光體的晶界完全消失。此外，片層狀的珠光體晶粒被擠壓得長，鐵素體晶粒出現了密集的垂直于沖擊方向的塑性變形痕，兩相在噴丸過程中受強烈沖擊作用發生嚴重變形而融合在一起，整體呈河流狀形貌。

圖3 未噴丸(a)、噴丸的(b)不含Ce的試樣的SEM形貌

2.2 表層顯微硬度分布

圖4為以0.66 MPa壓力噴丸不同時間的不含Ce和含Ce試樣的表層顯微硬度。隨著噴丸時間的延長，表面硬度逐漸提高，噴丸30 s后硬度趨于穩定。圖5為Ce的質量分數為0.024%的3號試樣以不同壓力噴丸30 s的表層硬度分布?？梢?，試樣橫截面的顯微硬度沿深度方向不斷下降，0.66 MPa壓力噴丸的試樣表面硬度從未噴丸的162.2 HV0.1升高到282.7 HV0.1，而不含Ce試樣的硬度從147.2 HV0.1升高到247.3 HV0.1。鋼中加入稀土Ce后，一方面起固溶強化作用，另一方面稀土傾向于在晶界偏聚，起拖拽晶界的作用，降低晶粒尺寸，從而顯著提高鋼的顯微硬度[17]。

圖5 以不同壓力噴丸的3號試樣的表層硬度分布

圖4 以0.66 MPa壓力噴丸30 s的不含Ce和含Ce試樣的表層顯微硬度分布

2.3 表面殘余應力

圖6 未噴丸和噴丸的不含Ce試樣的XRD圖譜(a)和晶格常數的外推曲線(b)

圖7為不含Ce和含Ce試樣以0.66 MPa壓力噴丸30 s后沿深度的殘余應力分布。試樣噴丸前基本無殘余壓應力層。噴丸后，隨著與表面距離的增加，試樣的殘余壓應力先增大后減小，其中3號試樣在距表層20 μm處達到最大值452.7 MPa，殘余壓應力層深約140 μm。噴丸后，材料內層變形的彈性區域由于要恢復變形而產生殘余拉應力，而表層及次表層形成的加工硬化區要阻止其變形而產生殘余壓應力[12]。殘余壓應力可以在較大程度上減小外加交變載荷產生的拉應力，繼而阻礙裂紋源的萌生，同時可以有效減小裂紋尖端的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展[14]。添加稀土元素Ce后，由于Ce的固溶強化及彌散強化作用，試樣近表層的殘余壓應力增大。

圖7 不含和含Ce試樣噴丸后的殘余壓應力分布

2.4 抗彎強度和抗拉強度

圖8為以0.66 MPa壓力噴丸不同時間的不含和含稀土Ce試樣的抗彎強度。從圖8可以看出，抗彎強度隨著噴丸時間的延長均呈先上升后下降的趨勢，不含Ce試樣在噴丸約30 s時達到最大值，含Ce試樣在噴丸40～60 s時達到最大值。隨著Ce含量的增加，抗彎強度也呈現先上升后下降的趨勢。其中3號試樣的抗彎強度在噴丸60 s時達到了713.2 MPa，比未噴丸的569.7 MPa提高了25.2%，比不含Ce但經過噴丸處理的試樣的最大值623.3 MPa提高了14.4%，比不含Ce且未噴丸的試樣的最大值489.5 MPa提高了45.7%。

圖8 以0.66 MPa壓力噴丸不同時間的不含和含Ce試樣的抗彎強度

圖9為以不同壓力噴丸不同時間的不含和含Ce試樣的抗拉強度。從圖9可以看出，噴丸30 s時，隨著噴丸壓力的升高，抗拉強度顯著升高(圖9(a))。以0.66 MPa壓力噴丸，抗拉強度隨著噴丸時間的延長呈先上升后下降的趨勢；不含Ce試樣的抗拉強度在噴丸約30 s時達到最大值，含Ce試樣的抗拉強度在40～60 s時達到最大值(圖9(b))。3號試樣的抗拉強度在噴丸40 s時達366.3 MPa，比未噴丸的提高了6.73%，比未加Ce但經噴丸處理的試樣的最大值343.2 MPa提高了13.54%，比未加Ce且未噴丸的試樣的最大值305.2 MPa提高了20.02%。此外，適量稀土的加入有助于提高鋼的斷后伸長率，Ce的質量分數為0.024%的試樣以0.66 MPa壓力噴丸不同時間后其斷后伸長率均最高(見圖10)。

圖9 噴丸壓力(a)和噴丸時間(b)對不含和含Ce試樣的抗拉強度的影響

圖10 以0.66 MPa壓力噴丸的時間對不含和含Ce試樣斷后伸長率的影響

圖11斷口分析結果表明：未加Ce試樣的斷口呈沿晶斷裂即脆性斷裂的特征。加入Ce后，由于Ce對鋼液的改性作用，拉伸斷口呈現明顯的韌窩狀塑性斷裂特征。

3號試樣的表層微區成分分析結果如圖11和表2所示?？梢姡⊥猎谻e主要分布于晶界附近。Ce的化學性質非?；顫姡⒘緾e就能與鋼液中O、S、C等元素形成高熔點化合物，起彌散強化作用[18-19]。同時，稀土化合物在鋼液中可作為微小的固體質點，在鋼液凝固過程中提供異質晶核，在結晶界面偏聚并阻礙晶粒長大，起細化晶粒的作用。但由于Ce與Fe原子半徑相差很大(Ce和 Fe原子的共價半徑分別為0.165和0.121 nm)，Ce在鋼液中的固溶度很小，從而使Ce的合金化作用減弱。當Ce作為表面活性元素時，其在鋼液凝固過程中主要偏聚于晶界，可顯著降低界面張力、晶界能以及晶粒長大的驅動力，從而引起晶界結構、化學成分以及性能的變化，并影響其他合金元素在邊界的擴散、新相形核及長大過程，進而顯著影響鋼的微觀組織及性能，即微合金化作用[20-21]。此外，適量的稀土除了能凈化鋼液外，還能使夾雜物變形，即改善鋼的塑性[18]。因此，Ce的質量分數為0.024%的3號試樣塑性較好。但是過量的稀土Ce也會產生較多的稀土夾雜物，降低鋼的力學性能[22]。

表2 圖12(a)所示微區成分分析結果(質量分數)

3 結論

(1)噴丸處理后，Q235鋼表面產生了明顯的塑性變形，晶粒顯著細化。

(2)噴丸處理后，Q235鋼的表層顯微硬度顯著提高，沿深度方向呈明顯的梯度分布，并形成了深約140 μm的殘余壓應力層；Ce的質量分數為0.024%的鋼在距表層20 μm處殘余壓應力達到最大值452.7 MPa。

(3)噴丸處理顯著改善了稀土合金化鋼的力學性能，以0.66 MPa的壓力噴丸后，Ce的質量分數為0.024%的鋼的最大抗彎強度和抗拉強度可達713.2和366.3 MPa，比未加稀土但經過噴丸處理的鋼的最大值分別提高了14.4%和13.54%，比未加稀土且未噴丸的鋼的最大值分別提高了45.7%和20.02%。