Q460GJD鋼在多向鍛造后熱處理過程中的奧氏體晶粒長大行為

張 穎，孫小巍，寧安剛，羅志勇

(1.山西職業技術學院建筑工程系，太原 030006；2.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，沈陽 110168；3.太原理工大學材料科學與工程學院，太原 030002)

0 引 言

Q460GJD鋼作為一種高性能建筑結構用鋼，在現代化高層建筑和大跨度建筑中具有良好的應用前景，這主要與其強度高、屈強比低、沖擊韌性良好以及焊接性能優異等有關[1]。但是，Q460GJD鋼在實際生產過程中需要經過反復加熱和變形，會產生各種缺陷(組織不均勻、混晶等)[2]，這不僅會影響材料的性能，而且還可能在制造過程中由于熱塑性較差而在機械應力和熱應力綜合作用下出現鑄坯開裂等問題[3-5]。奧氏體晶粒尺寸是影響鋼熱塑性的重要因素，這主要是因為裂紋通常會沿著奧氏體晶界萌生和擴展，尤其是當奧氏體晶粒較粗大且晶界上存在第二相時，裂紋擴展會愈發明顯[6]。因此，有必要對Q460GJD鋼鑄件進行多次熱處理或多向鍛造以改善其組織均勻性[7-8]，但是熱變形或者熱處理對Q460GJD鋼晶粒長大的影響規律仍不清楚。為此，作者對均勻化處理后的Q460GJD鋼鑄錠進行多向鍛造和熱處理，研究了多向鍛造后的加熱溫度和保溫時間對奧氏體晶粒長大行為的影響，以期為生產和開發具有良好成形性能和最終力學性能的建筑用Q460GJD鋼提供試驗參考。

圖1 鑄態試驗鋼和鍛造態試驗鋼不同部位的晶粒形貌Fig.1 Grain morphology of as-cast test steel (a) and different parts of forged test steel (b-d): (b) upper part;(c) center part and (d) lower part

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為中國一重公司冶煉的建筑用Q460GJD鋼鑄錠，其主要化學成分(質量分數/%)為0.17C，0.34Si，1.48Mn，0.009P，0.003S，0.03Nb，0.08V，6.8×10-5N，余Fe。在鑄錠上截取尺寸為30 mm×30 mm×30 mm的塊狀試樣，先進行820 ℃×12 h的均勻化處理，隨爐冷卻至室溫；將均勻化態鋼錠加熱至760 ℃后進行多向鍛造處理，先鍛造第一個面并旋轉鍛坯至90°進行第二個面的鍛造，再將鍛坯旋轉90°進行第三個面的鍛造，完成1個道次的鍛造處理后重復上述鍛造處理至3個道次，總鍛造比為9.90[9]，鍛造后水冷至室溫，然后進行840 ℃×1 h的退火處理，隨爐冷卻至室溫。對退火態試樣進行1 250 ℃×3 h水冷的淬火處理，分析多向鍛造對Q460GJD鋼奧氏體晶粒尺寸的影響。將退火態試樣進行930 ℃×3 h水冷的均勻化處理，并將此時Q460GJD鋼的奧氏體晶粒尺寸作為初始晶粒尺寸；再將均勻化處理的試樣加熱至950～1 250 ℃并保溫0.5～8 h后水冷至室溫，分析熱處理加熱溫度和保溫時間對鍛造態試驗鋼晶粒長大行為的影響。

在鍛造態試樣上以及經不同加熱溫度和不同保溫時間熱處理后的鍛造態試樣上截取金相試樣，經冷鑲后采用60#～1500#碳化硅砂紙逐級打磨，W1.5金剛石研磨膏拋光后，在沸騰的飽和苦味酸溶液中腐蝕，分別用清水和酒精清洗后，在BX51M型光學顯微鏡上觀察晶粒形貌，按照GB/T 6394—2017，采用Image-Pro Plus 6.0軟件對20個視場下的晶粒尺寸進行統計[10]。

2 試驗結果與討論

2.1 多向鍛造對晶粒形貌與尺寸的影響

由圖1可知：鑄態試驗鋼中存在尺寸不等的奧氏體晶粒，且晶粒尺寸差異較大，最大尺寸可達200 μm,說明組織中出現混晶現象；多向鍛造處理后，試驗鋼不同部位的奧氏體晶粒均得到明顯細化，且不同部位的晶粒尺寸差異性較小。可以看出，多向鍛造可以消除鑄態試驗鋼中的混晶現象。

2.2 鍛造后的熱處理對晶粒形貌與尺寸的影響

由圖2可知：在950 ℃保溫1 h熱處理后，試驗鋼中較多的細小晶粒在原奧氏體晶界處生成；當加熱溫度升高至1 000 ℃時，晶界處生成的細小晶粒增多，且呈現出向晶粒內部生長的趨勢；當加熱溫度為1 100 ℃時，細小晶粒長大，且出現了由尺寸不等晶粒形成的混晶現象；隨著加熱溫度的繼續升高，晶粒明顯長大，且加熱溫度為1 250 ℃時的平均晶粒尺寸達118 μm。

由圖3可以看出：在加熱溫度為1 200 ℃條件下，當保溫時間為0.5 h時，試驗鋼中晶粒尺寸較細小、均勻；當保溫時間延長至1 h和5 h時，晶粒尺寸增加較明顯，部分晶粒尺寸可達100 μm以上；繼續延長保溫時間至8 h，晶粒尺寸變化不大，表明這個階段的晶粒長大趨勢趨于穩定。

圖2 鍛造態試驗鋼在不同溫度保溫1 h后的晶粒形貌Fig.2 Grain morphology of forged test steel after holding at different temperatures for 1 h

圖3 鍛造態試驗鋼在1 200 ℃保溫不同時間后的晶粒形貌Fig.3 Grain morphology of forged test steel after holding at 1 200 ℃ for different times

由圖4可以看出,在相同保溫時間下，隨著加熱溫度的升高，試驗鋼的平均晶粒尺寸增大，尤其是當加熱溫度高于1 100 ℃時，平均晶粒尺寸增長速率較快。在較低的加熱溫度下，Q460GJD鋼中的鈮和釩元素會形成碳氮化物而起到釘扎作用[11-12]，因此晶粒尺寸變化較小；隨著加熱溫度的升高，第二相發生粗化和長大，釘扎作用減弱，導致晶粒長大并在局部形成混晶；繼續升高加熱溫度，第二相逐漸回溶至基體，晶粒長大的驅動力增加，當驅動力與第二相釘扎作用平衡時，晶粒長大速率變緩[13-14]。當保溫時間從0.5 h延長至3 h，不同加熱溫度下試驗鋼的平均晶粒尺寸增加較明顯，而當保溫時間超過3 h時，平均晶粒尺寸變化幅度不大。對比發現，加熱溫度對Q460GJD鋼平均晶粒尺寸的影響明顯大于保溫時間，因此在后續實際操作中可通過調節加熱溫度來調控Q460GJD鋼的晶粒尺寸。

圖4 鍛造態試驗鋼經不同溫度熱處理后的平均晶粒尺寸隨保溫時間的變化曲線Fig.4 Curves of average grain size vs holding time of forged test steel after heat treatment at different temperatures

2.3 分析與討論

Q460GJD鋼的奧氏體晶粒長大行為可采用Sellars模型[15-17]表示，具體表達式為

(1)

式中：D0，Dt分別為初始晶粒尺寸和時間為t時的晶粒尺寸；A為與Q460GJD鋼有關的常數；Q為激活能；R為氣體常數，8.314×10-3J·kg-1·mol-1·K-1；T為加熱溫度;n為晶粒長大指數。

由于Q460GJD鋼的初始平均晶粒尺寸較小(12.67 μm)，因此在計算過程中可忽略D0的影響[18-19]。對式(1)兩邊取對數，可得：

(2)

根據式(2)，基于試驗數據得到Q460GJD鋼的lnDt-1/T和lnDt-lnt關系曲線，如圖5所示。由圖5可知，不同保溫時間下的lnDt和1/T基本呈線性關系，不同加熱溫度下的lnDt和lnt也基本呈線性關系。擬合可得A=1.19×1010，n=2.657，Q=2.41×105J·mol-1，代入式(1)得到Q460GJD鋼的奧氏體晶粒長大模型為

(3)

圖5 試驗鋼的ln Dt-1/T關系曲線和ln Dt-ln t關系曲線Fig.5 ln Dt-1/T relation curve (a) and ln Dt-ln t relation curve (b) of test steel

根據式(3)計算得到1 150 ℃加熱溫度和不同保溫時間下試驗鋼的平均晶粒尺寸，并與試驗值進行對比以驗證模型的準確性。由表1可以看出，在相同加熱溫度下，試驗鋼的平均晶粒尺寸試驗值和計算值都隨著保溫時間延長而增大，且相對誤差小于5%，驗證了該模型的準確性，該模型可為實際工業生產提供一定的指導。

3 結 論

(1) 鑄態Q460GJD鋼中存在尺寸不等的奧氏體晶粒，且晶粒尺寸差異較大，出現混晶現象；經過多向鍛造后，晶粒明顯細化，不同部位的晶粒尺寸差異性較小，混晶現象消除。

表1 1 150 ℃加熱溫度和不同保溫時間下試驗鋼平均晶粒尺寸的試驗值與計算值以及相對誤差

(2) 在相同保溫時間下，隨著加熱溫度的升高，Q460GJD鋼的平均晶粒尺寸增大，且在相同加熱溫度下，保溫時間越長，平均晶粒尺寸越大；加熱溫度對晶粒尺寸的影響明顯大于保溫時間。