軋制工藝對(duì)550 MPa 級(jí)橋梁鋼組織和晶界特征的影響

鄧 偉，秦小梅

（南京鋼鐵股份有限公司, 江蘇 南京 210035）

引 言

高強(qiáng)韌貝氏體鋼通常采用添加微合金元素、優(yōu)化熱機(jī)械加工工藝和熱機(jī)械加工后的加速冷卻條件來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于橋梁、火車轉(zhuǎn)向架等領(lǐng)域。在使用過程中，貝氏體鋼最重要的性能是斷裂韌性和抗變形能力。而力學(xué)性能在很大程度上受微觀結(jié)構(gòu)特征的影響，如位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)、晶界和析出物等［2］。橋梁用550 MPa 級(jí)貝氏體鋼具有復(fù)雜的顯微組織，這是由制造工藝和微合金成分決定的。許多學(xué)者在研究顯微組織、力學(xué)性能與化學(xué)成分和工藝參數(shù)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性［3-7］的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)大角度晶界（HAGB，指具有大于15°的取向差角的晶界）在提高多晶體的塑性變形能力和斷裂韌性方面，有著積極的作用［8-10］。HAGB 是解理裂紋線性擴(kuò)展的重要障礙，特別是在韌脆轉(zhuǎn)變過渡區(qū)［2，11-12］。因此，研究大角度晶界及其影響因素，對(duì)于提高橋梁用高強(qiáng)韌貝氏體鋼的力學(xué)性能有著至關(guān)重要的作用。

關(guān)于高強(qiáng)韌貝氏體鋼，現(xiàn)有研究主要集中在利用低溫大變形軋制獲得細(xì)晶粒鋼，從而提高斷裂韌性［5，13-14］。但對(duì)于550 MPa 級(jí)高強(qiáng)度橋梁鋼來說，變形和冷卻速率是其關(guān)鍵的工藝參數(shù)。變形和連續(xù)冷卻過程對(duì)微觀和亞微觀尺度上的組織演化特征還未見報(bào)道。

本工作采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）和EBSD 技術(shù)分析了550 MPa 高強(qiáng)韌貝氏體橋梁鋼在連續(xù)冷卻過程中的組織演變，重點(diǎn)探討微觀和亞微觀組織演化，旨在闡明冷卻和變形對(duì)該鋼組織和晶界特征的影響，為制定軋制工藝提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

材料為550MPa 級(jí)低碳貝氏體橋梁鋼，其成分（重量百分比，%）為0.05C，0.20Si，1.80Mn，0.20Mo，0.05Nb，0.002S 和 0.007P，其 余 為 Fe。 采 用Formastor-F 熱膨脹儀和MMS-300 熱模擬機(jī)研究不同變形條件下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為。試樣直徑為8 mm，高度為15 mm。實(shí)驗(yàn)過程如圖1 所示，圖中V冷卻速率，ε為應(yīng)變。將試樣加熱到1200 ℃，保溫180 s 后，以10 ℃/s 的冷速冷卻到810 ℃，保溫30 s 后不變形直接冷卻或進(jìn)行壓縮變形，變形量分別為25%，40%和50%，冷卻速率為1～30 ℃/s。不變形試樣的冷卻速率為0.5～100 ℃/s。

試樣經(jīng)機(jī)械拋光后用3%硝酸溶液浸蝕，采用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察微觀結(jié)構(gòu)。用70%乙醇、20%高氯酸和10%甘油，在25 V電壓下對(duì)樣品進(jìn)行電化學(xué)拋光10～15 s，采用FEIQUANTA 600 型掃描電鏡（EBSD）進(jìn)行晶界特征分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷卻速率對(duì)微觀組織的影響

不變形試樣在不同冷卻速率下的OM 和SEM像如圖2 所示。冷卻速率為2 ℃/s 時(shí)，顯微組織由粒狀貝氏體、塊狀鐵素體和多邊形鐵素體組成（如圖2（a）和圖2（b）所示）。冷卻速率增大到10 ℃/s，PF 基本消失，主要為板條貝氏體和針狀鐵素體（如圖2（c）和圖2（d）所示）。當(dāng)冷卻速率增大到30 ℃/s 時(shí)，得到幾乎完全的板條貝氏體組織（如圖2e 和圖2f 所示）。且冷卻速率由2 ℃/s 增大到30 ℃/s，M/A 島的數(shù)量增多、尺寸變得更細(xì)小，原始奧氏體晶界均清晰可見。

當(dāng)冷卻速率大于10 ℃/s 時(shí)，一個(gè)奧氏體晶粒中含有多個(gè)貝氏體板條束，每個(gè)板條束由多個(gè)平行的貝氏體板條組成。隨著冷卻速率由2 ℃/s 增大到30 ℃/s，貝氏體板條束尺寸增大，板條間距逐漸減?。ㄈ鐖D2（b），圖2（d）和圖2（f）所示），貝氏體板條變得連續(xù)均勻，且M/A 島尺寸減小、數(shù)量增多。冷卻速率的變化造成了最終組織形態(tài)的差異，這與不同冷卻速率下碳原子的擴(kuò)散速度有關(guān)。當(dāng)冷卻速率較?。? ℃/s）時(shí)，貝氏體板條呈不連續(xù)線性分布，而冷卻速率大于2 ℃/s 時(shí)，貝氏體板條增多且變得連續(xù)，呈長(zhǎng)薄膜片狀。當(dāng)冷卻速率達(dá)到10 ℃/s 以上時(shí)，在晶界形核的貝氏體以片層狀向奧氏體晶粒內(nèi)生長(zhǎng)，片層狀貝氏體依靠非共格界面處原子的擴(kuò)散向前推進(jìn)，而依靠位錯(cuò)的攀移增厚。冷卻速率較大時(shí)，共格、半共格形態(tài)的片層無(wú)法以擴(kuò)散方式增厚［15］，所以貝氏體片層縱向延伸的速率遠(yuǎn)大于其橫向增厚的速率，于是冷卻速率越大，片層縱向與橫向生長(zhǎng)速率的差距越大，導(dǎo)致貝氏體板條越薄、越長(zhǎng)［16］，貝氏體板條間的M/A 島尺寸也越來越小，且線性特征也越明顯。

2.2 變形量對(duì)微觀組織的影響

20 ℃/s 冷卻速率下，試樣金相組織隨變形量的變化如圖3 所示。變形量為0 時(shí)（如圖3（a）所示），金相組織為板條貝氏體和粒狀貝氏體，貝氏體板條有序排列，板條間呈一定的取向性。當(dāng)變形量為25%～50%，金相組織為針狀鐵素體、多邊形鐵素體和粒狀貝氏體（如圖3（b）～（d）所示），貝氏體板條的平行位向關(guān)系被打亂，其形態(tài)與不變形條件下明顯不同。在變形試樣中，具有一定取向的可見碳化物和島狀結(jié)構(gòu)明顯減少，晶粒分布不規(guī)則。這是由于形變使原始奧氏體晶界被破壞，貝氏體板條不能在原始奧氏體晶界形核、生長(zhǎng)，平行位向的板條形態(tài)不能發(fā)展。且形變產(chǎn)生的變形功促進(jìn)了非均勻晶內(nèi)成核，因而促進(jìn)了針狀鐵素體的形成，并呈非平行形態(tài)。與圖3（a）中未變形樣品相比，在25%至50%變形樣品中獲得的晶粒尺寸更細(xì)小。變形提高了針狀鐵素體的形核率，使針狀鐵素體的尺寸減?。?］。

2.3 冷卻速率和變形量對(duì)晶界特征的影響

變形試樣的平均有效晶粒尺寸均減小，且變形量越大，有效晶粒尺寸越小。當(dāng)冷卻速率大于20 ℃/s時(shí)，平均有效晶粒尺寸有增大的趨勢(shì)。不同冷卻速率及不同變形量下的大角度晶界比例變化如圖5（b）所示。大角度晶界的比例受冷卻速率和變形量的影響規(guī)律如下：無(wú)論變形還是不變形試樣，在1～20 ℃/s 范圍內(nèi)，隨著冷卻速率的增加，大角度晶界的比例都增加；但當(dāng)冷卻速率大于20 ℃/s 時(shí)，隨著冷卻速率的增加，大角度晶界的比例趨于減少。從圖5 可見，獲得最小平均有效晶粒尺寸和最大比例大角度晶界的最佳冷卻速率范圍為15～25 ℃/s，在此冷卻速率范圍內(nèi)，當(dāng)變形量達(dá)到40%以上時(shí)，可以獲得10 μm 左右的有效晶粒尺寸，同時(shí)大角度晶界比例達(dá)到75%～80%。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)軋制試驗(yàn)

根據(jù)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軋制試驗(yàn)，采用厚度為220 mm 的Q550qE 連鑄板坯，軋制32 mm厚度的鋼板，軋制工藝參數(shù)及力學(xué)性能如表1 所示。當(dāng)精軋變形量29%～50%，冷卻速率7.8～31.0℃/s時(shí)，六種工藝條件下試驗(yàn)的Q550qE 鋼板強(qiáng)度和延伸率均可滿足要求，但-40℃低溫沖擊功和無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT 差別較大。當(dāng)精軋變形量為29%，冷卻速率為8.3 ℃/s 時(shí)，-40 ℃沖擊功和NDT 溫度比冷卻速率17.1 ℃/s 時(shí)差。當(dāng)精軋變形量達(dá)到41%，冷卻速率為7.8 和31.0℃/s 時(shí)，-40 ℃沖擊功和NDT溫度比冷卻速率20.3 ℃/s 時(shí)差。當(dāng)精軋變形量達(dá)到50%時(shí)（工藝6），與工藝4 變形量為41%、冷卻速率相近條件下，強(qiáng)度、-40 ℃沖擊功和NDT 溫度基本相當(dāng)。當(dāng)精軋變形量為41%，冷卻速率由7.8 ℃/s增大到31.0℃/s 時(shí)，屈服和抗拉強(qiáng)度增加，延伸率降低。冷卻速率為7.8 ℃/s 和31.0 ℃/s 時(shí)，-40 ℃沖擊功和NDT 溫度比冷卻速率20.3 ℃/s 時(shí)差。

表1 Q550qE 軋制試驗(yàn)

2.5 分析與討論

本研究材料中含有Mn，Mo，Nb 等元素，這些元素能顯著促進(jìn)貝氏體、針狀鐵素體等中溫相變，抑制多邊形鐵素體和珠光體相變［5］。對(duì)不變形試樣，當(dāng)冷卻速率為30 ℃/s 時(shí)（如圖2 所示），組織為典型的貝氏體，原奧氏體晶界清晰。當(dāng)冷卻速率為10 ℃/s時(shí)，可獲得針狀鐵素體組織。只有在低于2 ℃/s 的冷卻速率下才能實(shí)現(xiàn)多邊形鐵素體相變。變形對(duì)微觀組織的影響很大，經(jīng)過變形后，在冷卻速率大于10 ℃/s 時(shí)，晶粒和M/A 島狀組織被細(xì)化，島狀組織明顯。此外，變形試樣在所有冷卻速率下，貝氏體組織均呈非平行取向且?guī)缀蹩床坏皆紛W氏體晶界，呈典型的針狀鐵素體顯微組織特征。不同的熱變形工藝對(duì)大角度晶界及相變組織的影響不同。隨變形量增大，奧氏體中形成更高密度的亞結(jié)構(gòu)，增加了針狀鐵素體的形核位置，在隨后冷卻過程中，隨冷卻速率增加進(jìn)一步促進(jìn)針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變，使晶粒更細(xì)小。

大角度晶界的比例與顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)前述試驗(yàn)分析，原奧氏體晶界、貝氏體板條束界、針狀鐵素體和多邊形鐵素體晶界均為大角度晶界，貝氏體板條界為小角度晶界。當(dāng)冷卻速率低于5℃/s 時(shí)，不變形試樣的顯微組織由粒狀貝氏體、塊狀鐵素體和少量多邊形鐵素體組成，粒狀貝氏體含有許多亞晶界，故小角度晶界比例高。當(dāng)冷卻速率超過5 ℃/s時(shí)，不變形試樣的微觀組織由粒狀貝氏體逐漸變成板條貝氏體，且隨冷卻速率增加，貝氏體塊/束的尺寸減小，貝氏體塊/束界面增多，故大角度晶界比例急劇增大，至冷卻速率20 ℃/s 時(shí)達(dá)到峰值。而對(duì)于變形試樣，顯微組織由針狀鐵素體、多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成，這些組織的界面都屬大角晶界，故大角度晶界比例比不變形試樣高，且隨著變形量和冷速增加，針狀鐵素體比例增加，故大角度晶界比例也增加，至冷速20 ℃/s 時(shí)達(dá)到峰值。

在1～25℃/s 冷卻速率范圍內(nèi)，變形和不變形試樣的平均有效晶粒尺寸均隨冷卻速率增大而減小。但是當(dāng)冷卻速率超過25 ℃/s 時(shí)，平均有效晶粒尺寸又有增大的趨勢(shì)，是因?yàn)槔鋮s速率超過25 ℃/s 時(shí)，貝氏體板條束的尺寸增大了。經(jīng)EBSD 分析，貝氏體板條界為亞晶界，板條束界可視為晶界，一個(gè)貝氏體板條束為一個(gè)有效晶粒，冷卻速率越大，貝氏體板條束生長(zhǎng)越發(fā)達(dá)，尺寸越大，因此冷卻速率達(dá)到30 ℃/s 時(shí)平均有效晶粒尺寸反而增大。在試驗(yàn)的所有冷速范圍內(nèi)，變形試樣的平均有效晶粒尺寸均小于不變形試樣，且隨著變形量增大，有效晶粒尺寸越小。

晶粒尺寸變小提供了提高強(qiáng)度的潛力，細(xì)晶強(qiáng)化可以用霍爾-佩奇方程來描述：

式中A和B為常數(shù)。

在Hall-Petch 和Cottrell-Petch 方程中，強(qiáng)度和韌性與晶粒尺寸大小成反比。晶粒尺寸越小，強(qiáng)度和韌性越好。此外，從斷裂過程分析，貝氏體的強(qiáng)韌性行為不同于其他組織類型。對(duì)低碳鋼的研究［5，11］認(rèn)為，解理面尺寸是影響強(qiáng)韌性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，而本文中貝氏體鋼的平均有效晶粒尺寸可看成是解理面尺寸。解理裂紋可以在大角度晶界處偏轉(zhuǎn)，抑制裂紋擴(kuò)展，因此平均有效晶粒尺寸越小、大角度晶界比例越高，韌性更好。從圖5 平均有效晶粒尺寸與冷卻速率和變形量的關(guān)系可知，隨變形量增加，可以明顯細(xì)化有效晶粒尺寸，大角度晶界的比例也越大，這也是表1 中550 MPa 貝氏體橋梁鋼精軋變形量越大，強(qiáng)度越高、韌性越好的原因。但隨冷卻速率由25 ℃/s 進(jìn)一步增加，有效晶粒尺寸先減小后增大，大角度晶界的比例有減小的趨勢(shì)，這與表1 中工藝5精軋變形量達(dá)到41%、冷卻速率31.0℃/s，-40 ℃低溫沖擊功和NDT 反而變差的結(jié)果具有一致性。即550 MPa 貝氏體橋梁鋼軋制后冷卻過程中，需要控制冷卻速率在15～25 ℃/s 合適的范圍，否則會(huì)惡化低溫韌性。

3 結(jié) 論

（1）550 MPa 級(jí)橋梁鋼微觀組織的同一個(gè)貝氏體板條內(nèi)部，取向差并不完全一致，包含多個(gè)小角度位向差的區(qū)域。貝氏體板條間的界面是小角度晶界，貝氏體板條束、多邊形鐵素體和針狀鐵素體界面是大角度晶界。

（2）550 MPa 級(jí)貝氏體橋梁鋼的平均有效晶粒尺寸越小、大角度晶界比例越高，韌性越好。變形和無(wú)變形試樣，在1～25 ℃/s 范圍內(nèi)，隨著冷卻速率的增加，大角度晶界的比例逐漸增加，平均有效晶粒尺寸減??；但當(dāng)冷卻速率大于25 ℃/s 時(shí)，大角度晶界的比例逐漸減小，平均有效晶粒尺寸有增大趨勢(shì)。

（3）550 MPa 高強(qiáng)韌貝氏體橋梁鋼獲得良好強(qiáng)韌性匹配的精軋變形量為40%以上，軋后冷卻速率為15～25 ℃/s。