王 川， 王樹國， 于 濤， 李 偉

（五礦營口中板有限責任公司， 遼寧 營口 115000）

Q370qE 橋梁用結構鋼主要應用于架造鐵路、公路、跨海、跨江橋梁建設等重點工程。因其使用環(huán)境的特殊性，對綜合性能具有嚴格的要求，通常需要具備高強度、低屈強比、充足的低溫韌性、良好的抗層狀撕裂能力以及焊接性能等。而正火Q370qE 鋼板為保證良好的焊接性能，標準要求碳當量≤0.44%，且同時要求鋼板屈服強度≥370 MPa 和-40 ℃低溫沖擊功≥120 J，根據(jù)材料特性和中厚板生產經(jīng)驗，較低碳當量的鋼板正火后屈服強度將大幅降低，難以達到以上力學性能要求，尤其30 mm 以上厚規(guī)格鋼板生產難度更大[1]，國內鋼廠一般采用正火后加速冷卻的工藝方式來保證鋼板的綜合力學性能，但此工藝對熱處理設備要求高，無法被廣泛應用。

本文以國內某5 000 mm 寬厚板廠生產的橋梁鋼為例，通過加入鈮、鈦等微合金化元素，配合TMCP 軋制工藝，采用傳統(tǒng)正火后空冷的工藝方式，對厚規(guī)格正火Q370qE-Z35 橋梁鋼進行研制，并探索正火溫度對組織及性能的影響規(guī)律，為開發(fā)高性能厚規(guī)格正火橋梁鋼提供理論性指導。

1 實驗材料及方法

根據(jù)標準GB/T 714—2015《橋梁用結構鋼》，對Q370qE-Z35 橋梁鋼進行成分優(yōu)化設計，其化學成分控制見表1。為了限制碳當量≤0.42%（內控），鋼中C 采用低量設計，同時可提高鐵素體比例，使鋼具有良好的低溫韌性及焊接性能。Mn 可降低奧氏體轉變溫度，并發(fā)揮固溶強化作用，改善鋼的強韌性。通過加入適量的微合金元素Nb、Ti，可實現(xiàn)析出強化及細晶強化的復合作用。為保證鋼的低溫韌性，嚴格控制鋼中P、S、O 等有害元素含量，并向鋼中加入了Ni元素，可明顯降低韌脆轉折溫度。此外，向鋼中加入了一定量的Cu 元素，可細化組織提高強度，同時可抑制裂紋擴展，改善鋼的沖擊韌性。

制備Q370qE 的工藝路線如下：鐵水預處理→轉爐煉鋼→LF 精煉→RH 真空→板坯連鑄→板坯緩冷→坯料加熱→控制軋制→ACC→矯直→堆垛緩冷→超聲波探傷→正火→精整→檢驗→入庫。為了獲得良好的內部質量，需保證入爐鐵水中w（S）≤0.01%。精煉時需充分保證白渣保持時間及爐內還原氣氛，RH 真空保壓時間≥12 min，同時待出鋼前鈣處理結束后，需保證靜吹氬氣時間≥10 min。為增加壓縮比，采用鑄坯斷面厚度為350 mm 的連鑄機，且連鑄時全程保護澆注并投入電磁攪拌及輕壓下，控制中間包過熱度為25 ℃，連鑄拉速為0.80 m/min。

采用步進式加熱爐加熱至1 260 ℃并保溫85 min。軋制時，精軋開軋溫度≤850 ℃，在未再結晶區(qū)進行低溫快速軋制，終軋溫度控制在760～810 ℃，未再結晶區(qū)累計變形率≥75%。軋制成品厚度為40 mm 鋼板至ACC 水冷區(qū)，終冷溫度控制為620～680 ℃，經(jīng)熱矯直后下線堆垛緩冷。待解垛后，再對軋后鋼板進行加熱至Ac3以上適當溫度，且保溫后進行自然冷卻的正火熱處理。根據(jù)經(jīng)驗公式測算Ac3溫度約為843℃，設定三組正火溫度，分別為860、870 及880℃，保溫時間均為40 min，對比研究正火溫度對Q370qE組織及性能的影響規(guī)律。

表1 Q370qE 的熔煉控制成分 %

根據(jù)GB/T 714—2015 標準中的性能檢驗要求，沿鋼板橫向截取拉伸樣，在ZWICK-600 電子萬能試驗機上進行拉伸測試；沿鋼板縱向制取3 個沖擊試樣，利用ZBC2602-C 擺錘式?jīng)_擊試驗機進行-40 ℃的沖擊試驗并取平均值；沿鋼板厚度方向切取3 個拉伸樣，采用CMT5305-300KN 電子萬能試驗機進行厚度方向的拉伸試驗，結果取平均值。利用ZEISS 光學顯微鏡和JSM-6480LV 型掃描電鏡觀察微觀組織及斷口形貌。

2 實驗結果與分析

2.1 鋼板的微觀組織形貌

圖1 為Q370qE 的TMCP 軋態(tài)及正火態(tài)在板厚1/4 處的組織形貌。由圖1 可見，軋態(tài)組織為珠光體+鐵素體+少量粒狀貝氏體，各區(qū)域晶粒大小不一，組織均勻性較差，同時出現(xiàn)粗大的帶狀組織。經(jīng)860 ℃正火熱處理后，為珠光體+鐵素體，組織得到細化，但部分鐵素體晶粒仍較大，整體晶粒度達到9 級，帶狀退化減輕。在870 ℃正火時，溫度提高，奧氏體再結晶充分，使鐵素體晶粒得到進一步細化[2]，晶粒度可達10 級，但此時仍存在幾處明顯且連續(xù)的條帶。880 ℃正火時，原奧氏體晶粒開始長大，導致珠光體球化，鐵素體晶粒粗大，晶粒度減為7.5 級，同時造成了鐵素體帶的寬度也隨之增加。

圖1 TMCP 軋態(tài)及正火態(tài)在1/4 處的組織形貌

圖2 為正火溫度860 ℃時，沿板厚近表、1/4 及1/2 處的顯微組織?？梢?，表層晶粒均勻細小，基本為等軸晶，平均晶粒尺寸約為3.7 μm，條帶基本消失。但隨著接近心部，由于該區(qū)域溫降速度較小，造成晶粒尺寸增大，帶狀較嚴重，這也是與熱軋時心部凝固速率慢，合金元素被擠壓至此，形成嚴重的成分偏析而帶來的組織遺傳效應有關[3]。此外，靠近條帶位置的晶粒相對細小，反之較大。分析認為，該區(qū)域與條帶相比，成分勢差較大，且間距較小，在正火中偏聚處的碳及合金元素將優(yōu)先快速擴散至此，使成分得到均勻化，并促進了再結晶過程，從而細化了晶粒。

圖2 正火溫度860 ℃時沿鋼板厚度方向的顯微組織

2.2 力學性能

Q370qE-Z35 橋梁鋼的力學性能見表2?？梢?，在正火溫度為860 ℃時，鋼的綜合機械性能最佳，且符合國家標準要求，富裕量較大。同時，該橋梁鋼具備低屈強比（0.76），較高的Z向性能（67.5%），顯著提高了研制的橋梁鋼在服役過程中的安全穩(wěn)定性。

表2 Q370qE-Z35 橋梁鋼的力學性能

隨著正火溫度升高，強度、韌性下降，其中A 鋼比B 鋼強度高10 MPa、低溫沖擊高17 J。由前文可知，B 鋼組織晶粒度高于A 鋼1 級，但由于正火溫度提高后，晶粒內部的位錯密度將隨奧氏體化程度加深而不斷減小，這將導致由晶粒細化產生的強化作用不能完全彌補損失的位錯強化[4]，從而使強度降低。此外，因形成的珠光體條帶與鐵素體帶之間界面較為薄弱，沖擊時加劇了裂紋擴展，進而影響了低溫韌性[5]。隨著正火溫度繼續(xù)提高，C 鋼正火后組織發(fā)生粗化，脆性增加，造成鋼的強韌性進一步降低。

2.3 沖擊斷口分析

圖3 為沖擊斷口宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)860 ℃正火試樣的斷口出現(xiàn)大面積的纖維區(qū)，同時放射區(qū)（斷口晶狀部分）面積相比最小，剪切唇不明顯，以上特征顯示其具有較好的沖擊韌性[6]。此外，圖3 中3-1 斷裂截面在遠離V 型缺口開槽處出現(xiàn)尺寸增加，這是由于沖擊過程中壓縮擠壓變形所致，而在接近開槽處出現(xiàn)了尺寸縮減，其因是拉伸變形所致，此現(xiàn)象同樣表明了在正火溫度860 ℃時其韌性表現(xiàn)最佳，這與表2 沖擊試驗部分所得結果相吻合。

圖3 沖擊斷口宏觀形貌

2.4 Z 向斷口觀察

860 ℃正火試樣的Z向斷口如圖4 所示?？梢?，宏觀Z向斷口縮頸明顯，且呈杯錐狀，斷口中心區(qū)域以纖維組織為主，外圍出現(xiàn)較大比例的剪切唇，該特征表現(xiàn)出其具備較高的Z向性能。由顯微斷口可見，主要呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。與此同時，在少數(shù)韌窩深處分布著細小球狀的夾雜物，結合能譜分析曲線可知，主要為硫化鈣與鈣鋁酸鹽形成的雙相夾雜，根據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)，這種細小的夾雜物一般對鋼板Z向性能的不利影響較小[7]。

3 結論

圖4 正火溫度860 ℃試樣的Z 向斷口觀察

1）通過加入Nb、Ti、Cu 等元素微合金強化，配合TMCP 軋制工藝，研制的正火Q370qE-Z35 橋梁鋼綜合性能優(yōu)異，滿足標準要求，富裕量較大。

2）采用860～870 ℃正火后，顯著改善了軋態(tài)組織，板厚1/4 處晶粒度為9～10 級，且屈強比較低，低溫沖擊可達到200 J 以上。但經(jīng)880 ℃正火，組織粗化，帶狀加劇，嚴重影響性能，為此應嚴格控制正火溫度。

3）860 ℃正火試樣Z向斷口縮頸明顯，主要為韌性斷裂，同時少數(shù)韌窩深處分布由硫化鈣及鈣鋁酸鹽組成的雙相球狀夾雜物，其對Z向性能影響較小。

（編輯：苗運平）