控軋控冷工藝中終冷溫度對高強建筑用鋼組織與拉伸性能的影響

張潤智，劉志琦

(1.武漢職業技術學院建筑工程學院，武漢 430074；2. 武漢科技大學材料科學與工程學院，武漢 430081)

0 引 言

控軋控冷(TMCP)工藝作為一種在鋼材熱軋過程中將控制軋制和控制冷卻結合起來的熱機械變形軋制工藝，能夠在不添加貴金屬元素以及不進行復雜熱處理前提下進一步提高鋼材的綜合性能，且相較于傳統的生產工藝(出爐后軋制至成品厚度并空冷至室溫)，具有低溫韌性、焊接性能、成形性能更好，以及生產成本更低等優點[1]。在我國城鎮化高速發展和基礎設施建設大規模興起的時期，雖然國內在高強建筑用鋼的微合金化[2]和熱處理工藝[3]方面已進行了廣泛研究，并取得了一些成果，但都不同程度地存在生產成本高、工藝復雜以及環境污染等問題[4]；采用TMCP工藝制備高強建筑用鋼已經成為必要的發展趨勢，且TMCP工藝為在減少微合金化元素添加量和避免后續熱處理的基礎上實現780 MPa級高強塑性、低屈強比建筑用鋼的生產提供了新的思路，但是目前國內在這方面的研究工作還處于起步階段。控軋控冷工藝中不同工藝參數對建筑用鋼顯微組織和力學性能的影響較為復雜，且具體的作用規律還不清楚[5]。作者選取TMCP過程中對建筑用鋼性能影響較大的終冷溫度為研究方向，討論了終冷溫度對建筑用鋼顯微組織和拉伸性能的影響，擬為具有低成本、高強塑性和低屈強比等優點的建筑用鋼的開發與應用提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為唐山鋼鐵股份有限公司提供的高強建筑用鋼錠，該鋼錠是在500 kg真空感應熔煉爐中熔煉而成的。鋼錠經過鍛造后加工成尺寸為90 mm×120 mm×120 mm的方坯，采用電感耦合等離子發射光譜法測得其主要化學成分(質量分數/%)為0.07C，0.20Si，1.87Mn，0.01P，0.005S，0.32Cr，0.16Ti，0.20Cu，0.22Ni，余Fe。該方坯經1 180 ℃×1.5 h預熱處理后，在φ500 mm兩輥可逆式軋機上進行兩段控軋，其中：階段1的開軋溫度為1 140 ℃，中軋溫度為1 070 ℃，軋制溫度處于該鋼的再結晶區；階段2的開軋溫度為910 ℃，終軋溫度為850 ℃，軋制溫度處于該鋼的未再結晶區。每階段的軋制次數均為5道次，每道次壓下量不小于16%，總壓下量不小于60%，經10道次軋制后制成厚度為12 mm的鋼板。終軋后立即將鋼板置于壓力為0.8 MPa的水中進行快速冷卻，冷卻速率約80 ℃·s-1，終冷溫度分別為350，400,450,550，650 ℃，然后空冷至室溫。

在鋼板上截取金相試樣，經打磨、拋光，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用AxioScope.A1型光學顯微鏡觀察顯微組織。在鋼板上截取透射電鏡試樣，預加工成厚度為1 mm薄片后，在砂紙上打磨至厚度為60 μm，然后沖壓成直徑為3 mm的圓片，在DJ2000型雙噴電解減薄儀上用質量分數10%高氯酸酒精溶液離子減薄后，在JEOL-2010型透射電鏡(TEM)上觀察微觀形貌。按照GB/T 228.1-2010，在鋼板上沿軋制方向截取直徑6 mm的標準拉伸試樣，在MTS-809型電液伺服拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1.5 mm·min-1。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知：當終冷溫度為650，550 ℃時，試驗鋼的顯微組織相似，都為貝氏體鐵素體+馬氏體-奧氏體(M-A)島；降低終冷溫度至450 ℃時，組織仍為貝氏體鐵素體+M-A島，但是M-A島含量比終冷溫度為650，550 ℃時的低；終冷溫度為400，350 ℃時，組織主要為呈明顯板條形態的貝氏體鐵素體，局部板條間分布著少量薄膜狀M-A島。其中，貝氏體鐵素體為軟質相,M-A島為硬質相[6]，因此可通過調節終冷溫度來調整建筑用鋼中二者的比例,以實現良好的強塑性[7]。

圖1 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼的顯微組織

由圖2可知，當終冷溫度為650，450 ℃時，試驗鋼中均存在彌散分布的白色M-A島，但較高終冷溫度(650 ℃)下的M-A島粗大,含量也高，主要呈塊狀或長條狀，而較低終冷溫度(450 ℃)下的M-A島細小,含量也低，主要呈顆粒狀。在承受外加載荷作用時，具有更高強度和硬度的M-A島可以增強建筑用鋼抵抗變形的能力，而較軟的貝氏體鐵素體則起到協調變形的作用，這種復相組織的存在有助于降低鋼的屈強比[8]。

圖2 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼的M-A島形貌

由圖3可知，當終冷溫度為350，450 ℃時，試驗鋼組織均由貝氏體和尺寸不等的第二相組成，其中，較低終冷溫度(350 ℃)下貝氏體板條寬度較小，約0.3 μm，局部板條束間存在薄膜狀M-A島，而較高終冷溫度(450 ℃)下貝氏體板條寬度較大，約1.2 μm。試驗鋼基體組織中析出的納米級第二相可以起到彌散強化作用，還可在控軋控冷過程中抑制貝氏體板條的合并與粗化[9]。

圖3 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼的TEM形貌

2.2 拉伸性能

由表1可以看出：隨著終冷溫度由650 ℃降低至350 ℃，試驗鋼的屈服強度由630 MPa升高至1 040 MPa，抗拉強度由905 MPa升高至1 100 MPa，屈強比則由0.696上升至0.945；在終冷溫度為550，450,350 ℃下控軋控冷后試驗鋼的斷后伸長率都在16%以上。780 MPa級建筑用鋼的力學性能要求為抗拉強度和屈服強度分別不小于780，630 MPa，斷后伸長率高于16%，屈強比低于0.85[10]。由此可知，終軋溫度在450 ℃時，試驗鋼的力學性能符合780 MPa級建筑用鋼的要求。

表1 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼的室溫拉伸性能與屈強比

2.3 拉伸斷口形貌

由圖4可知，當終冷溫度為650，450 ℃時，試驗鋼拉伸斷口都主要由尺寸不等的韌窩和撕裂棱組成，斷裂類型為韌性斷裂。與終冷溫度為650 ℃時的相比，終冷溫度為450 ℃時拉伸斷口中韌窩較深且呈拋物線狀，具有更好的塑性，這與組織中M-A島硬質相更細小有關。在拉伸過程中，尺寸相對較大的塊狀或長條狀M-A島處更容易形成應力集中而促進裂紋萌生和擴展[11]，而細小、圓整度較高的M-A島組織則可增強材料抵抗變形的能力[12]，使得建筑用鋼在保持較高強塑性的同時，具有較低的屈強比[13]。

圖4 不同終冷溫度下控軋控冷后試驗鋼的拉伸斷口形貌

3 結 論

(1) 在終冷溫度為650，550 ℃下控軋控冷后，試驗鋼的顯微組織都為貝氏體鐵素體+M-A島；當終冷溫度為450 ℃時，組織仍為貝氏體鐵素體+M-A島，但是M-A島的含量比終冷溫度為650，550 ℃時的低；終冷溫度為400，350 ℃時，組織主要為板條狀貝氏體鐵素體，局部板條間分布著少量薄膜狀M-A島。

(2) 隨著終冷溫度的降低，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度與屈強比均增大，終冷溫度為550，450,350 ℃時試驗鋼的斷后伸長率都大于16%；終冷溫度為450 ℃時，試驗鋼的拉伸性能滿足780 MPa級高強低屈強比建筑用鋼的要求，此時貝氏體鐵素體中彌散分布著細小、圓整度較高的M-A島，試驗鋼具有高的強塑性以及低的屈強比。