不同熱處理工藝對大厚度橋梁鋼組織和性能的影響

楊 穎, 徐宏亮, 王玉博, 武會賓, 毛新平

(1. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室, 遼寧 鞍山 114009;2. 鞍鋼集團 鋼鐵研究院, 遼寧 鞍山 114009;3. 北京科技大學 鋼鐵共性技術協同創新中心, 北京 100083)

近年來,高速鐵路和跨江跨海等大型工程推動了國內鋼結構橋梁制造行業的迅速發展,同時也對結構件的屈服強度和抗拉強度、伸長率等提出了更高的要求[1-6]。美國現行橋梁專用鋼標準ASTM A709/A709M[7-9]己涵蓋了HPS 345W、HPS 485W、HPS 690W這3個等級的高性能橋梁鋼,HPS 345W和HPS 485W鋼在鋼橋上的應用最為廣泛,建橋數量已超過200座[10-14]。我國橋梁鋼已由熱軋普通碳素鋼(A3)、正火處理低碳低(微)合金鋼(16Mnq、15MnVNq和14MnNbq鋼)、逐漸發展到TMCP(Thermo mechanical controlled process)型低碳貝氏體鋼(Q420qE),重點解決了強韌性匹配、板厚效應減小、焊接性能改善等問題[15-20]。

國內自主研發的橋梁用鋼已經可以滿足大型橋梁項目建設的需要,但在高性能耐候橋梁鋼的研發和應用上較國外還存在一定差距[21-22]。目前國內高性能橋梁鋼大多采用超低碳貝氏體型成分設計,采用TMCP工藝路線,控制碳含量≤0.05%,合理設計軋制、冷卻工藝,但對于后續的回火或調質工藝的全面的可供參考的研究較少。本文采用某公司自主研發的500 MPa級大厚度橋梁鋼,研究了不同的控軋控冷及熱處理工藝對鋼板微觀組織的影響,為國內高性能橋梁鋼的研發和應用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗鋼以低碳微合金為設計思路,將碳含量控制在0.05%之內,適量添加Mn、Nb、V、Ti、Cu等合金元素,嚴格控制雜質元素S、P的方案。試驗鋼化學成分如表1所示。試驗鋼板厚度為100 mm,TMCP工藝的終軋溫度為820 ℃,返紅溫度為400 ℃,平均冷卻速度約18 ℃/s。TMCP工藝熱軋后分別進行直接回火和調質處理,調質工藝的淬火溫度為910 ℃,回火和調質工藝的回火溫度均采用600 ℃,回火時間為100 min。

表1 Q500q橋梁鋼的化學成分(質量分數,%)

分別在100 mm厚,TMCP、TMCP+回火以及TMCP+調質3種工藝的500 MPa級試驗鋼1/4厚度處法向與軋向的截面(RD-ND)取樣,逐級研磨、拋光后用4%(體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕,在光學顯微鏡(COSSIM.550)和掃描電鏡(ZEISS Gemini SEM500)下對其顯微組織進行觀察。用10%(體積分數)高氯酸溶液對試樣進行電解拋光(電壓18 V,電流1 A)后,進行EBSD掃描,EBSD的掃描步長根據試樣晶粒尺寸大小和應變進行調整。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,在Zwick型全自動拉伸試驗機上進行拉伸試驗。

2 試驗結果與分析

在經過TMCP、TMCP+回火及TMCP+調質3種熱處理工藝后,試驗鋼的力學性能如表2所示,在單獨的TMCP工藝下,試驗鋼的屈服強度在500 MPa以下,抗拉強度也略低,強度韌性難以達到合理的匹配。TMCP+回火工藝下,屈服強度由490 MPa提升至515 MPa,抗拉強度也由614 MPa提升至641 MPa,伸長率幾乎沒有變化。TMCP+調質工藝下,屈服強度和抗拉強度進一步提升,但伸長率出現下降。對比3種工藝可見,TMCP+回火下,強度可達到500 MPa級,強韌性也有較好的匹配。

表2 3種熱處理工藝下試驗鋼的力學性能

2.1 TMCP工藝的組織特征分析

對TMCP工藝后的鋼板進行顯微組織分析,鋼板1/4厚度處的組織見圖1,組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體,且在鐵素體和貝氏體邊界處存在少量M/A島,由于TMCP工藝中選擇了合適的返紅溫度,得到低屈強比,軟硬適中的多相組織。

圖1 TMCP工藝下試驗鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the tested steel under TMCP process(a) OM; (b) SEM

圖2為TMCP工藝下試驗鋼的EBSD結果。從圖2(a)的BC圖和圖2(b)的IPF圖可知,TMCP工藝后組織的晶粒取向也較為豐富,小角度晶界的占比為51.9%,小角度晶界可阻礙位錯的運動,從而提高屈服強度。通過圖2(c)的KAM圖和圖2(d)的GND density圖,可以看出,單獨TMCP工藝的位錯密度為2.4×1014m-2,局部應變部分比較均勻,沒有產生累積情況;由于應變主要分布在粒狀貝氏體中,所以當組織中出現粒狀貝氏體時,會使得晶粒內部位錯密度升高,塑性變形過程中容易發生位錯塞積阻礙滑移的進行,對塑性產生不利影響;但大量分布的多邊形鐵素體塑性變形的能力強,所以整體上組織的伸長率較高。

圖2 TMCP工藝下試驗鋼的EBSD結果(a)BC圖;(b)IPF圖;(c)KAM圖;(d)GND density圖Fig.2 EBSD results of the tested steel under TMCP process(a) BC image; (b) IPF image; (c) KAM image; (d) GND density image

2.2 TMCP+回火工藝的組織特征分析

對TMCP+回火工藝后的鋼板進行顯微組織分析,鋼板1/4厚度處的組織見圖3,組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體,晶粒細小,分布均勻?；鼗疬^程的組織變化主要為回復和析出,主要表現為貝氏體中位錯亞結構的回復軟化與碳的脫溶及析出第二相的強化機制綜合作用。

圖3 TMCP+回火后試驗鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of the tested steel after TMCP and tempering process(a) OM; (b) SEM

圖4為TMCP+回火工藝下試驗鋼的EBSD結果,從圖4(a)的BC圖和圖4(b)的IPF圖可知,TMCP+回火工藝后組織的晶粒并沒有沿軋向有明顯分布,晶粒取向豐富,小角度晶界的占比為59.8%,小角度晶界阻礙位錯的運動,提高了屈服強度,但小角度晶界占比的提高會在一定程度上降低組織的伸長率。通過圖4(c)的KAM圖和圖4(d)的GND density圖可以看出,在TMCP后進行回火處理的過程中,組織發生了回復與再結晶,位錯密度降低到2.3×1014m-2,這主要是因為在回火過程中,通過位錯的滑移、交滑移,使位錯密度降低,亞結構變化,隨著回火過程的進一步進行,析出相的析出和長大以及合金元素的脫溶,會使組織的抗拉強度得到提升,獲得強韌性匹配良好的綜合力學性能。

圖4 TMCP+回火工藝下試驗鋼的EBSD結果(a)BC圖;(b)IPF圖;(c)KAM圖;(d)GND density圖Fig.4 EBSD results of the tested steel after TMCP and tempering process(a) BC image; (b) IPF image; (c) KAM image; (d) GND density image

2.3 TMCP+調質工藝的組織特征分析

對TMCP+調質工藝后的鋼板進行顯微組織分析,鋼板1/4厚度處組織見圖5,組織為多邊形鐵素體和粒狀貝氏體,粒狀貝氏體散落分布,同時在多邊形鐵素體的邊界處分布著少量的M/A島,晶粒細小,分布均勻。在淬火加熱和冷卻過程中,由于在1/4厚度處的冷卻速度不夠快,淬火形成的回火馬氏體組織少,淬火后形成了粒狀貝氏體,鑒于其回火穩定性較好,回火后呈現了粒狀貝氏體組織特征;對于淬火后的組織,在回火的過程中,轉變為多邊形鐵素體組織,最終形成多邊形鐵素體和粒狀貝氏體的復合組織。

圖6為TMCP+調質工藝下試驗鋼的EBSD結果,從圖6(a)的BC圖和圖6(b)的IPF圖可知,TMCP+調質工藝后組織的晶粒與回火態相似,并沒有沿軋向有明顯的分布,晶粒取向豐富,小角度晶界的占比為56.5%,調質過程中的回火溫度較高,所以得到的晶粒也相比于回火處理有所長大,同時占比較高的小角度晶界阻礙了位錯運動,進一步提高了屈服強度,組織的伸長率也進一步降低。通過圖6(c)的KAM圖和圖6(d)的GND density圖可以看出,在TMCP后進行調質處理,晶粒不僅能夠完成回復與再結晶過程,還可以進行長大,所以與回火工藝相比,位錯密度降低到2.2×1014m-2,小角度晶界占比也有所降低;在淬火+高溫回火的過程中,由于粒狀貝氏體、鐵素體晶粒的尺寸都在變大,使過飽和的碳原子被排出來聚集到鄰近的殘留奧氏體中,奧氏體因含碳量的增加而強化從而提高了其抗拉強度。同時高溫回火后,由于大量的位錯消失,組織中的位錯密度也進一步降低,使試驗鋼的伸長率進一步降低。

圖6 TMCP+調質工藝下試驗鋼的EBSD結果(a)BC圖;(b)IPF圖;(c)KAM圖;(d)GND density圖Fig.6 EBSD results of the tested steel after TMCP, quenching and tempering process(a) BC image; (b) IPF image; (c) KAM image; (d) GND density image

3 結論

1) 通過對TMCP工藝的終軋溫度、開冷溫度、冷卻速度和返紅溫度進行調控,可以得到粒狀貝氏體、準多邊形鐵素體以及M/A島組成的復相組織。粒狀貝氏體的應變強化提高屈服強度以滿足強度要求,多邊形鐵素體良好的塑性變形能力來保障組織的伸長率,M/A島通過增大抗拉強度來降低屈強比。

2) TMCP+回火工藝下,回火過程組織變化主要表現為回復和析出,主要為貝氏體中發生位錯的滑移、交滑移,使位錯密度降低,亞結構變化,同時析出相出現聚集長大,固溶元素脫溶,組織演變為貝氏體+鐵素體,強度持續降低,但韌塑性得到改善,并獲得強韌性匹配良好的綜合力學性能。

3) TMCP+調質工藝下,試驗鋼的組織轉變為多邊形鐵素體,粒狀貝氏體和細小的M/A島的復相組織;晶粒完成了回復與再結晶并發生長大,高溫回火后粒狀貝氏體、鐵素體晶粒的尺寸都在變大,使過飽和的碳原子被排出來聚集到鄰近的殘留奧氏體中,加之回火后大量位錯的消失使得試驗鋼屈服強度和抗拉強度明顯提高,但伸長率降低。