抗震耐火鋼Q420FRE動態CCT曲線及組織研究

李建賓, 欽祥斗

(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

20世紀80年代，日本率先開發出耐火鋼，其在600 ℃高溫下還可以保持 2/3 以上的室溫屈服強度，同時還具有較好的塑性與較低的屈強比(小于 80%)，達到抗震要求，以保證在火災以及地震發生時，建筑具有更高的安全性，因此耐火鋼的應用越來越廣泛[1-2]。

當耐火鋼的成分設定后，其力學性能取決于其微觀組織類型，某公司生產的建筑用抗震耐火鋼Q420FRE，采用微合金化——控軋控冷工藝進行生產，為保證質量穩定，研究其在不同冷卻速度下的組織轉變情況，具有十分重要現實意義。

1 試驗材料與方法

試驗用鋼為熱軋態的 Q420FRE鋼板，板厚 20 mm，其化學成分為：w(C)<0.1%，w(Mn)<1.6%，w(Si)<0.3%，w(P)≤0.010%，w(S)≤0.008%，w(Al)<0.05%，w(Mo)<0.2%，w(Nb+V+Ti)適量。將其加工成圖1和圖2所示試樣若干。

圖1 臨界相變點測試用試樣示意圖

圖2 動態CCT曲線測試用試樣示意圖

將圖1所示試樣，置于DIL402PC熱膨脹儀，以0.05 ℃/s的速率升溫至1000 ℃，保溫20 min，測定熱膨脹曲線，通過曲線確定臨界轉變溫度Ac1和Ac3。

將圖2所示試樣，置于Gleeble3800熱模擬試驗機，測定動態CCT曲線，試驗工藝如圖3所示，具體為：以10 ℃/s升溫至1200 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃/s的速率冷卻至900 ℃，停留30 s，以1s-1的應變速率壓縮變形50%，接著分別以0.2 ℃/s、0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s、15 ℃/s、20 ℃/s、30 ℃/s、50 ℃/s、80 ℃/s的速率冷卻至室溫，測定相應溫度和體積變化曲線。將試驗后的試樣沿焊接熱電偶的位置橫向剖開，磨拋后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，分析金相組織、測試維氏硬度，結合測定的溫度——體積變化曲線，在時間-溫度坐標中畫出鋼在壓縮變形后的連續冷卻轉變曲線，即動態 CCT 曲線。

圖3 Q420FRE鋼動態CCT曲線測定工藝

2 試驗結果

圖4為測定的Q420FRE鋼的熱膨脹曲線，通過該曲線確定奧氏體化的開始溫度為Ac1=764 ℃，奧氏體化完全溫度為Ac3=926 ℃。

圖4 Q420FRE鋼熱膨脹曲線

圖5為相同的加熱和變形條件，不同冷速下的顯微組織，從不同速度的顯微組織可知，在所有試驗工藝條件下，Q420FRE鋼只有鐵素體、珠光體和貝氏體的相變，未發生馬氏體相變。當冷速為0.2 ℃/s時，組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒較粗；當冷速為0.5 ℃/s時，組織為鐵素體+少量珠光體，鐵素體晶粒部分出現細化；當冷速為1 ℃/s時，組織為鐵素體+少量珠光體，鐵素體晶?？傮w都明顯變??；當冷速為2 ℃/s時，組織為鐵素體+少量珠光體+少量貝氏體，此時開始出現貝氏體相變；當冷速為5 ℃/s時，組織為鐵素體+粒狀貝氏體，此時已不發生珠光體相變，貝氏體量明顯增加；當冷速為10 ℃/s時，組織為鐵素體+粒狀貝氏體，貝氏體量占比過半；當冷速為15 ℃/s時，組織為粒狀貝氏體+鐵素體，此時以貝氏體為主，只有少量鐵素體；當冷速為20 ℃/s時，組織為細小的粒狀貝氏體，無其他相；當冷速為30-80 ℃/s時，組織也為細小的粒狀貝氏體，隨著冷速降低，貝氏體更加細小，無其他明顯差異，在最大冷速80 ℃/s下，也未發生馬氏體相變。

圖5 Q420FRE鋼不同冷速下的組織

根據表1測定的不同冷速下的組織硬度結果，繪制出硬度隨冷卻速度變化的關系曲線，如圖6所示，可以看出，冷速為0.2- 2 ℃/s時，組織主要為鐵素體+珠光體，隨著冷速的增加，晶粒漸細，硬度逐漸增加；冷速達到5 ℃/s時，出現了明顯的貝氏體轉變，曲線斜率增大，說明硬度有顯著提高；冷速為10-80 ℃/s時，隨著鐵素體量的減少，貝氏體量逐漸增加，Q420FRE鋼的硬度緩慢提高，最大硬度為237HV10。

表1 Q420FRE鋼不同冷速下的組織硬度

圖6 Q420FRE鋼硬度隨冷卻速度變化的關系曲線

根據測定的溫度和體積變化曲線，確定不同冷速下的各種相變起始點溫度和終了點溫度，并結合金相組織類型以及維氏硬度變化情況，繪出動態 Q420FRE鋼的動態CCT曲線，如圖7所示，通過該圖可以很明了的看出不同冷速下的組織轉變情況。

圖7 Q420FRE鋼動態CCT曲線

3 討論與分析

低碳微合金鋼在緩慢冷卻條件下，其組織應為鐵素體+珠光體，由試驗結果可以看出，冷速為0.2-2 ℃/s時，組織為鐵素體+珠光體，隨著冷速的增大，鐵素體的晶粒逐漸變細，這是因為γ→α是擴散型相變，隨冷速的增大，試樣轉變的過冷度增大，促進α相形核率迅速增加，α相自由生長的空間距離減小，因此隨冷卻速增大，晶粒得到細化[3-4]。Q420FRE鋼，其室溫屈服強度要求 420 MPa以上，其目標組織為低碳貝氏體組織，相關文獻也證實低碳貝氏體組織不僅可以提高耐火性能，也是滿足大線能量低焊接裂紋敏感性較為理想的組織[5]。根據試驗結果可知，當冷速為5 ℃/s時，試樣發生貝氏體相變；當冷卻速度20 ℃/s時，其組織主要為粒狀貝氏體；冷速為80 ℃/s時，仍然為細小的粒狀貝氏體，說明Q420FRE鋼有較寬的控軋控冷生產窗口。從成分上看，試驗鋼中，加入一定量的Mo元素和適量Nb、V、Ti等微合金元素，是使試驗鋼在較大冷速范圍內均能發生貝氏體轉變的主要原因。固溶在鋼中的Mo等元素會在α相和γ相界面聚集，抑制先共析鐵素體的形成，Mn元素擴大γ相區，增加了奧氏體的穩定性，進一步抑制了α相的析出，固溶在鋼中的Nb元素也可以抑制α相轉變，促使亞穩γ相的體積分數增加，降低γ→α的相變溫度，此外強碳化物形成元素的析出帶走部分碳元素，奧氏體穩定性進一步降低，從而增大了貝氏體轉變驅動力，使得貝氏體轉變溫度升高，相變速率增加，即在較低的冷卻速率下仍能發生貝氏體轉變[6-8]。隨著冷卻速度的增大，相變開始溫度逐漸降低，亞穩奧氏體的體積分數增加，并且碳元素的擴散能力減弱，粒狀貝氏體的析出碳化物更加均勻彌散。此外由于Q420FRE鋼的碳含量和碳當量都比較低，貝氏體轉變的冷速范圍較大，在現場生產時，控制的工藝窗口較大，且沒有馬氏體組織的產生。

4 結論

(1)Q420FRE鋼的奧氏體化開始溫度為：Ac1=764 ℃，完全奧氏體溫度為Ac3=926 ℃。

(2)Q420FRE鋼的硬度值隨著冷卻速度的增大而增大，當有貝氏體轉變發生時，硬度值的增加逐漸減慢。

(3)當冷速為冷速為0.2-2 ℃/s時，組織為鐵素體+珠光體，隨著冷速的增加，晶粒漸細；冷速達到5 ℃/s時，出現了明顯的貝氏體轉變；冷速為10-15 ℃/s時，鐵素體量逐漸減少，貝氏體量逐漸增加；冷速大于為20 ℃/s時，組織為全貝氏體。