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(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 鞍山 114009;2. 鞍鋼集團(tuán) 鋼鐵研究院, 遼寧 鞍山 114009;3. 北京科技大學(xué) 鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)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(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造行業(yè)的迅速發(fā)展,同時(shí)也對結(jié)構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、伸長率等提出了更高的要求[1-6]。美國現(xiàn)行橋梁專用鋼標(biāo)準(zhǔn)ASTM A709/A709M[7-9]己涵蓋了HPS 345W、HPS 485W、HPS 690W這3個(gè)等級的高性能橋梁鋼,HPS 345W和HPS 485W鋼在鋼橋上的應(yīng)用最為廣泛,建橋數(shù)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(fā)展到TMCP(Thermo mechanical controlled process)型低碳貝氏體鋼(Q420qE),重點(diǎn)解決了強(qiáng)韌性匹配、板厚效應(yīng)減小、焊接性能改善等問題[15-20]。

國內(nèi)自主研發(fā)的橋梁用鋼已經(jīng)可以滿足大型橋梁項(xiàng)目建設(shè)的需要,但在高性能耐候橋梁鋼的研發(fā)和應(yīng)用上較國外還存在一定差距[21-22]。目前國內(nèi)高性能橋梁鋼大多采用超低碳貝氏體型成分設(shè)計(jì),采用TMCP工藝路線,控制碳含量≤0.05%,合理設(shè)計(jì)軋制、冷卻工藝,但對于后續(xù)的回火或調(diào)質(zhì)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(fā)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(nèi)高性能橋梁鋼的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼以低碳微合金為設(shè)計(jì)思路,將碳含量控制在0.05%之內(nèi),適量添加Mn、Nb、V、Ti、Cu等合金元素,嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素S、P的方案。試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)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(jìn)行直接回火和調(diào)質(zhì)處理,調(diào)質(zhì)工藝的淬火溫度為910 ℃,回火和調(diào)質(zhì)工藝的回火溫度均采用600 ℃,回火時(shí)間為100 min。

表1 Q500q橋梁鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

分別在100 mm厚,TMCP、TMCP+回火以及TMCP+調(diào)質(zhì)3種工藝的500 MPa級試驗(yàn)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?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕,在光學(xué)顯微鏡(COSSIM.550)和掃描電鏡(ZEISS Gemini SEM500)下對其顯微組織進(jìn)行觀察。用10%(體積分?jǐn)?shù))高氯酸溶液對試樣進(jìn)行電解拋光(電壓18 V,電流1 A)后,進(jìn)行EBSD掃描,EBSD的掃描步長根據(jù)試樣晶粒尺寸大小和應(yīng)變進(jìn)行調(diào)整。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,在Zwick型全自動拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在經(jīng)過TMCP、TMCP+回火及TMCP+調(diào)質(zhì)3種熱處理工藝后,試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如表2所示,在單獨(dú)的TMCP工藝下,試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度在500 MPa以下,抗拉強(qiáng)度也略低,強(qiáng)度韌性難以達(dá)到合理的匹配。TMCP+回火工藝下,屈服強(qiáng)度由490 MPa提升至515 MPa,抗拉強(qiáng)度也由614 MPa提升至641 MPa,伸長率幾乎沒有變化。TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提升,但伸長率出現(xiàn)下降。對比3種工藝可見,TMCP+回火下,強(qiáng)度可達(dá)到500 MPa級,強(qiáng)韌性也有較好的匹配。

表2 3種熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2.1 TMCP工藝的組織特征分析

對TMCP工藝后的鋼板進(jìn)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(qiáng)比,軟硬適中的多相組織。

圖1 TMCP工藝下試驗(yàn)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(yàn)鋼的EBSD結(jié)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(cuò)的運(yùn)動,從而提高屈服強(qiáng)度。通過圖2(c)的KAM圖和圖2(d)的GND density圖,可以看出,單獨(dú)TMCP工藝的位錯(cuò)密度為2.4×1014m-2,局部應(yīng)變部分比較均勻,沒有產(chǎn)生累積情況;由于應(yīng)變主要分布在粒狀貝氏體中,所以當(dāng)組織中出現(xiàn)粒狀貝氏體時(shí),會使得晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度升高,塑性變形過程中容易發(fā)生位錯(cuò)塞積阻礙滑移的進(jìn)行,對塑性產(chǎn)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(qiáng),所以整體上組織的伸長率較高。

圖2 TMCP工藝下試驗(yàn)鋼的EBSD結(jié)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(jìn)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(xì)小,分布均勻。回火過程的組織變化主要為回復(fù)和析出,主要表現(xiàn)為貝氏體中位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的回復(fù)軟化與碳的脫溶及析出第二相的強(qiáng)化機(jī)制綜合作用。

圖3 TMCP+回火后試驗(yàn)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(yàn)鋼的EBSD結(jié)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(cuò)的運(yùn)動,提高了屈服強(qiáng)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(jìn)行回火處理的過程中,組織發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶,位錯(cuò)密度降低到2.3×1014m-2,這主要是因?yàn)樵诨鼗疬^程中,通過位錯(cuò)的滑移、交滑移,使位錯(cuò)密度降低,亞結(jié)構(gòu)變化,隨著回火過程的進(jìn)一步進(jìn)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(qiáng)度得到提升,獲得強(qiáng)韌性匹配良好的綜合力學(xué)性能。

圖4 TMCP+回火工藝下試驗(yàn)鋼的EBSD結(jié)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(diào)質(zhì)工藝的組織特征分析

對TMCP+調(diào)質(zhì)工藝后的鋼板進(jìn)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(shí)在多邊形鐵素體的邊界處分布著少量的M/A島,晶粒細(xì)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(wěn)定性較好,回火后呈現(xiàn)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(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅舞F素體組織,最終形成多邊形鐵素體和粒狀貝氏體的復(fù)合組織。

圖6為TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下試驗(yàn)鋼的EBSD結(jié)果,從圖6(a)的BC圖和圖6(b)的IPF圖可知,TMCP+調(diào)質(zhì)工藝后組織的晶粒與回火態(tài)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(diào)質(zhì)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(shí)占比較高的小角度晶界阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動,進(jìn)一步提高了屈服強(qiáng)度,組織的伸長率也進(jìn)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(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,晶粒不僅能夠完成回復(fù)與再結(jié)晶過程,還可以進(jìn)行長大,所以與回火工藝相比,位錯(cuò)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(qiáng)化從而提高了其抗拉強(qiáng)度。同時(shí)高溫回火后,由于大量的位錯(cuò)消失,組織中的位錯(cuò)密度也進(jìn)一步降低,使試驗(yàn)鋼的伸長率進(jìn)一步降低。

圖6 TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下試驗(yàn)鋼的EBSD結(jié)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(jié)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(jìn)行調(diào)控,可以得到粒狀貝氏體、準(zhǔn)多邊形鐵素體以及M/A島組成的復(fù)相組織。粒狀貝氏體的應(yīng)變強(qiáng)化提高屈服強(qiáng)度以滿足強(qiáng)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(qiáng)度來降低屈強(qiáng)比。

2) TMCP+回火工藝下,回火過程組織變化主要表現(xiàn)為回復(fù)和析出,主要為貝氏體中發(fā)生位錯(cuò)的滑移、交滑移,使位錯(cuò)密度降低,亞結(jié)構(gòu)變化,同時(shí)析出相出現(xiàn)聚集長大,固溶元素脫溶,組織演變?yōu)樨愂象w+鐵素體,強(qiáng)度持續(xù)降低,但韌塑性得到改善,并獲得強(qiáng)韌性匹配良好的綜合力學(xué)性能。

3) TMCP+調(diào)質(zhì)工藝下,試驗(yàn)鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅舞F素體,粒狀貝氏體和細(xì)小的M/A島的復(fù)相組織;晶粒完成了回復(fù)與再結(jié)晶并發(fā)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(cuò)的消失使得試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯提高,但伸長率降低。