王慶芬 羅志敏 馬到原

(1.長春建筑學(xué)院，吉林 長春 130607； 2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

控軋控冷(thermomechanical controlled process, TMCP)是開發(fā)低碳微合金鋼的重要工藝，可在確保低碳微合金鋼強(qiáng)韌性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低合金元素含量，以降低成本，且與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，控軋控冷的鋼材在低溫韌性、焊接性能和成形性能等方面具有明顯的優(yōu)勢[1]?？刂茻彳埡蟮睦鋮s速度可控制鋼的組織和性能[2]。使園林鋼結(jié)構(gòu)易加工、低成本、綠色環(huán)保的同時(shí)還具有良好的力學(xué)性能，是現(xiàn)代園林用鋼亟待解決的問題[3]。目前，國內(nèi)園林設(shè)計(jì)中多采用傳統(tǒng)熱軋工藝生產(chǎn)的Q345qENH鋼，其屈服強(qiáng)度較低、生產(chǎn)成本較高，且不能滿足現(xiàn)代園林鋼結(jié)構(gòu)的使用要求(屈服強(qiáng)度≥350 MPa、屈強(qiáng)比<0.85等)[4]。為此，長春建筑學(xué)院聯(lián)合吉林大學(xué)、東北大學(xué)和吉林吉鋼集團(tuán)有限公司等單位，采用控軋控冷技術(shù)開發(fā)了新型低合金Q420qENH園林用鋼。由于控軋后的冷卻速度對(duì)園林鋼的組織和力學(xué)性能有很大影響，且目前的研究多集中在始冷和終冷溫度等對(duì)鋼的組織和性能的影響方面，關(guān)于控軋后的冷卻速度對(duì)組織和力學(xué)性能的影響的研究較少[5- 7]。為開發(fā)出性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的園林用鋼，本文研究了控軋后的冷卻速度對(duì)Q420qENH園林鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響，這將有助于新型低合金園林鋼的開發(fā)和應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測定的試驗(yàn)用Q420qENH園林鋼的化學(xué)成分如表1所示，原始組織為鐵素體、粒狀貝氏體和M/A島。制備φ15 mm×100 mm試樣，在Gleeble- 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行控制軋制和控制冷卻，工藝過程如圖1所示。試驗(yàn)過程為：(1)將試樣加熱至1 180 ℃保溫10 min冷卻至1 080 ℃，然后以35%的壓縮量和1 s-1的應(yīng)變速率粗軋并冷卻至875 ℃，再按30%的壓縮量和1 s-1的應(yīng)變速率軋制；(2)軋后冷卻至745 ℃(始冷溫度)后，分別以2、6、12和18 ℃/s速率冷卻至595 ℃，再以一定速率加熱至返紅溫度(615 ℃)，以2 ℃/s速率冷卻至200 ℃，空冷。

表1 研究用Q420qENH鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated Q420qENH steel (mass fraction) %

圖1 控軋控冷工藝Fig.1 Controlled rolling and controlled cooling process

采用線切割切取和制備金相試樣，經(jīng)磨、拋后用3.5%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸酒精溶液腐蝕，用DSX1000型光學(xué)顯微鏡和TESCAN- VEGA3型掃描電鏡進(jìn)行觀察；金相試樣用4%苦味酸+1%硫代硫酸鈉水溶液腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察M/A島形貌，并用附帶軟件表征M/A島的平均尺寸和面積分?jǐn)?shù)；金相試樣電解拋光(腐蝕液為體積比1∶0.5∶8.5的高氯酸、甘油和酒精混合溶液)后，采用掃描電鏡附帶的Orientation Imaging Microscopy軟件統(tǒng)計(jì)分析晶粒取向；根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》，在UTM2000型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min。將透射電鏡試樣切成薄片后預(yù)磨至60 μm，在6%高氯酸+冰乙酸混合溶液中電解雙噴減薄，穿孔和清洗后用JEOL- 2010型透射電鏡觀察。

2 結(jié)果與分析

控軋后以不同速度冷卻的Q420qENH鋼的力學(xué)性能如表2所示。其他工藝參數(shù)相同，隨著控軋后冷速從2 ℃/s提高至18 ℃/s，鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比均增加，斷后伸長率減小。標(biāo)準(zhǔn)要求現(xiàn)代園林鋼的屈服強(qiáng)度≥420 MPa，抗拉強(qiáng)度≥540 MPa，屈強(qiáng)比≤0.85[8]。以2 ℃/s速率冷卻的Q420qENH鋼的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比分別為408 MPa和0.78，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；以6～18 ℃/s速率冷卻的鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但以6 ℃/s速率冷卻的鋼的強(qiáng)度較低，而以12和18 ℃/s速率冷卻的鋼的強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)值，屈強(qiáng)比小于0.85，力學(xué)性能良好。

表2 控軋后以不同速度冷卻的Q420qENH鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling

圖2(a,c,e,g)和圖2(b,d,f,h)分別為軋后以不同速率冷卻的Q420qENH鋼的光學(xué)顯微組織和掃描電鏡組織。以2 ℃/s速率冷卻的鋼的組織為鐵素體和少量珠光體，鐵素體多為多邊形和針狀，較粗大，且晶界有M/A島，珠光體呈彌散分布的小塊狀；以6 ℃/s速率冷卻的鋼的組織為粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體，鐵素體較細(xì)小，有細(xì)小的M/A島；以12 ℃/s速率冷卻的鋼組織不發(fā)生變化，但針狀鐵素體含量減少，M/A島增多，組織比以6 ℃/s速率冷卻的鋼的細(xì)小；以18 ℃/s速率冷卻的鋼的組織進(jìn)一步細(xì)化，M/A島主要呈顆粒狀，數(shù)量增多、面積分?jǐn)?shù)減小，分布更加彌散、均勻。可見，隨著控軋后的冷速從2 ℃/s增大至18 ℃/s，Q420qENH鋼的組織從鐵素體和少量珠光體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤钬愂象w為主的組織。

圖2 控軋后以2(a,b)、6(c,d)、12(e,f)和18 ℃/s(g,h)速率冷卻的Q420qENH鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of the Q420qENH steel cooled at 2 (a,b), 6 (c,d),12 (e,f) and 18 ℃/s (g,h) after controlled rolling

采用著色腐蝕的方法檢測了控軋后以不同速率冷卻的Q420qENH鋼的M/A島形貌，如圖3所示，圖中白亮色區(qū)域?yàn)楹剂枯^高的M/A島。以較低速率(2 ℃/s)冷卻的Q420qENH鋼中M/A島主要呈塊狀或長條狀，較粗大。以6 ℃/s速率冷卻的Q420qENH鋼中M/A島以顆粒狀存在于鐵素體中和以短棒狀存在于晶界，數(shù)量最多，尺寸明顯減小。冷速進(jìn)一步提高至12和18 ℃/s，鋼中M/A島數(shù)量更多、尺寸更小。圖4為控軋后以不同速度冷卻的Q420qENH鋼中M/A島的面積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)值。以2 ℃/s速率冷卻的鋼中M/A島面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸分別為3.8%和6.7 μm；冷速增大，鋼中M/A島面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸均減小，以18 ℃/s速率冷卻的鋼，M/A島面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸分別為2.5%和3.2 μm。此外，當(dāng)冷速從2 ℃/s提高至12 ℃/s時(shí)，鋼中M/A島的面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸均明顯減小。繼續(xù)提高冷速對(duì)M/A島面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸的影響較小。從M/A島的形態(tài)與材料力學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知[9]，園林鋼中M/A島的平均尺寸越小、越均勻，鋼的彌散強(qiáng)化越顯著。

圖3 控軋后以2(a)、6(b)、12(c)和18 ℃/s(d)速率冷卻的Q420qENH鋼中M/A島的形貌Fig.3 M/A islands in the Q420qENH steel cooled at 2 (a), 6 (b),12 (c)and 18 ℃/s(d) after controlled rolling

圖4 Q420qENH鋼中M/A島的面積分?jǐn)?shù)和尺寸與控軋后的冷速之間的關(guān)系Fig.4 Dependence of area fraction and size of M/A islands in the Q420qENH steel on cooling rates after controlled rolling

控軋后以2和12 ℃/s速率冷卻的Q420qENH鋼的透射電鏡組織如圖5所示。以較低的速率(2 ℃/s)冷卻的鋼，原子能較充分地?cái)U(kuò)散，奧氏體晶界有多邊形鐵素體(圖5(a))，且鐵素體晶內(nèi)和奧氏體晶界還由于C原子的擴(kuò)散和富集而形成M/A島(圖5(b))；以較高的速率(12 ℃/s)冷卻的鋼，原子不易擴(kuò)散且擴(kuò)散時(shí)間縮短，晶界由于C原子擴(kuò)散和聚集而形成的M/A島較細(xì)小[10](圖5(c))。此外，組織中的貝氏體片層會(huì)由于厚度方向的生長只能通過位錯(cuò)攀移進(jìn)行，從而導(dǎo)致長度方向的生長速率高于厚度方向，所以M/A島主要呈條狀分布于貝氏體板條間[11](圖5(d))。

圖5 控軋后以2(a,b)和12 ℃/s(c,d)速率冷卻的Q420qENH鋼的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the Q420qENH steel cooled at 2 (a,b)and 12 ℃/s(c,d) after controlled rolling

控軋后以不同速率冷卻的 Q420qENH鋼中不同取向晶粒的分布如圖6所示，圖中不同顏色的區(qū)域表示取向不同的晶?；騺喗Y(jié)構(gòu)。圖6表明：冷速從2 ℃/s提高至18 ℃/s，鋼的晶粒明顯細(xì)化，且由于鐵素體亞結(jié)構(gòu)細(xì)小，小角度(2°≤θ≤15°)晶界數(shù)量明顯增多?？剀埡笠圆煌俾世鋮s的Q420qEN鋼的晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)值如表3所示。可見，冷速從2 ℃/s提高至18 ℃/s時(shí)，鋼中不同取向晶粒的尺寸均減小，這也表明隨著冷速的增大，鋼的晶粒明顯細(xì)化，尤其是取向差較大的晶粒的細(xì)化更為顯著，更有利于提高鋼的強(qiáng)韌性[12]。

圖6 控軋后以2(a)、6(b)、12(c)和18 ℃/s(d)速率冷卻的Q420qENH鋼中不同取向晶粒分布Fig.6 Distributions of grains with different orientations in the Q420qENH steel cooled at 2 (a), 6 (b), 12 (c)and 18 ℃/s(d) after controlled rolling

表4為控軋后以不同速率冷卻的 Q420qENH鋼中小角度和大角度晶界比例的統(tǒng)計(jì)值。以2 ℃/s速率冷卻的鋼中小角度和大角度晶界的比例分別為48.3%和51.7%；隨著冷速的增大，鋼中小角度晶界比例減小，大角度晶界比例增大；以18 ℃/s速率冷卻的鋼中小角度和大角度晶界的比例分別達(dá)到了46.9%和53.1%。以較高速率冷卻的鋼中大角度晶界比例增大的原因在于:鋼冷卻較快，組織以粒狀貝氏體為主，鐵素體較細(xì)小，大角度晶界密度較大[13]。Q420qENH鋼中大角度晶界的存在有利于抑制裂紋擴(kuò)展，且其比例越大,材料的韌- 脆轉(zhuǎn)變溫度越低。

控軋控冷態(tài) Q420qENH鋼中的小角度晶界是決定其屈服強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)單元[14]，因此，結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)控軋后以不同速率冷卻的Q420qENH鋼的晶粒尺寸和屈服強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果列于表5。以2 ℃/s速率冷卻的鋼的晶粒尺寸和屈服強(qiáng)度分別為5.3 μm和408 MPa；隨著冷速的增大，鋼的晶粒尺寸減小，屈服強(qiáng)度提高，以18 ℃/s速率冷卻的鋼的晶粒尺寸和屈服強(qiáng)度分別為3.4 μm和497 MPa。鋼的屈服強(qiáng)度σy可用霍爾- 佩奇公式表示[15]：

σy=σ0+kd-0.5

(1)

式中：σ0為鐵素體晶格摩擦力，k為與材料有關(guān)的常數(shù)，d為晶粒尺寸。

表3 控軋后以不同率度冷卻的 Q420qENH 鋼中不同取向晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)值Table 3 Statistical size of grains with different orientations in the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling μm

表4 控軋后以不同速率冷卻的Q420qENH鋼中小角度和大角度晶界的比例Table 4 Proportions of small and large angle grain boundaries in the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling %

表5 控軋后以不同速率冷卻的 Q420qENH鋼的晶粒尺寸和屈服強(qiáng)度Table 5 Grain size and yield strength of the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling

對(duì)控軋后以不同速率冷卻的Q420qENH 鋼的晶粒尺寸與屈服強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖7?？梢娍剀埡笠圆煌俾世鋮s的 Q420qENH 鋼的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸之間存在明顯的線性關(guān)系，擬合得到鋼的霍爾- 佩奇表達(dá)式為：

σy=79.4+22.9d-0.5

(2)

該公式可用于預(yù)測控軋控冷園林鋼的屈服強(qiáng)度?？稍赒420qENH鋼控軋后的冷卻過程中通過控制晶粒尺寸提高其屈服強(qiáng)度，以獲得具有良好強(qiáng)韌性和低屈強(qiáng)比的園林用鋼。

3 結(jié)論

(1)控軋后以2 ℃/s速率冷卻的園林用Q420qENH鋼的屈服強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；冷速提高至6～18 ℃/s，鋼的力學(xué)性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且以12和18 ℃/s速率冷卻的鋼的強(qiáng)度比要求值高49 MPa以上，屈強(qiáng)比小于0.85，力學(xué)性能良好。

圖7 控軋后以不同速率冷卻的Q420qENH鋼的屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸的變化Fig.7 Dependence of yield strength on grain size of the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling

(2)控軋后以2 ℃/s速率冷卻的Q420qENH鋼的組織為鐵素體和少量珠光體，鐵素體較粗大，其晶界有M/A島；隨著冷速從2 ℃/s提高至18 ℃/s，鋼的組織從鐵素體和少量珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤钬愂象w為主的組織，M/A島的面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸均減小，以18 ℃/s速率冷卻的鋼中M/A島的面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸分別為2.5%和3.2 μm。

(3)當(dāng)控軋后冷速從2 ℃/s提高至18 ℃/s時(shí)，Q420qENH鋼中不同取向晶粒的尺寸均減小；隨著冷速的增大，鋼中小角度晶界比例減小，大角度晶界比例增加；以不同速度冷卻的Q420qENH鋼的晶粒尺寸與屈服強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，擬合得到的霍爾- 佩奇公式可用于預(yù)測控軋控冷園林鋼的屈服強(qiáng)度。