弛豫工藝對耐候橋梁鋼組織及性能的影響

黃樂慶 王彥鋒 楊永達 馬長文 狄國標 韓承良

(1.首鋼技術研究院寬厚板所，北京 100043; 2.北京市能源用鋼工程技術研究中心，北京 100041;3.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島 066326)

進入21世紀以來，我國公路橋梁、鐵路橋梁，尤其是跨江跨海大橋建設都取得了舉世矚目的成就。但是與發達國家相比，我國耐候橋梁的發展仍比較緩慢[1-2]。由于耐候橋梁鋼在全壽命周期內較普通橋梁鋼+涂裝的防腐處理方式具有較好的成本優勢，且符合綠色循環發展的理念[3-4]，因此國內在建的拉林鐵路藏木雅江特大橋以及官廳水庫橋，開啟了我國耐候鐵路橋及公路橋裸裝的示范應用。本文研究了弛豫時間對420 MPa級耐候橋梁鋼的組織轉變、力學性能尤其是耐候性能的影響，以期為工業生產提供指導。

1 試驗材料與方法

試驗材料為生產線生產的420 MPa級耐候橋梁鋼連鑄坯，鋼板成分設計采用低碳微合金化思路，并保證足夠量的耐候元素Ni、Cr及Cu，以保證其耐候性能。試驗鋼的化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the test steel (mass fraction) %

注：I為耐候指數

將150 mm厚連鑄坯切割為150 mm×250 mm×250 mm鋼坯，利用首鋼技術研究院550 mm二輥可逆式軋機進行軋制，采用兩階段軋制工藝：將鋼板加熱到1 160 ℃保溫2 h；粗軋始軋溫度為1 100 ℃，中間待溫厚度為50 mm，精軋始軋溫度為860 ℃，終軋溫度為820 ℃，目標厚度為18 mm。具體壓下規程如下：150-120-90-65-50(待溫)-40-32-26-21-18(mm)。軋后未弛豫、30、85及270 s弛豫后，以(15±2) ℃/s的冷速冷至(520±10) ℃，最后空冷至室溫。弛豫不同時間后鋼板開始冷卻的溫度如表2所示。

表2 弛豫時間對應試驗鋼板的開始冷卻溫度Table 2 Start cooling temperatures of the test steel plate corresponding to relaxation times

取TMCP態試樣進行動態CCT熱模擬試驗。取TMCP態鋼板進行標準拉伸、夏比V型沖擊試驗，并采用光學顯微鏡和電子背散射(EBSD)技術對鋼板的顯微組織進行分析；根據TB/T 2375—1993《內燃機車用柴油機清潔度測定方法》加工試樣,尺寸為40 mm×60 mm×3 mm;以0.01 mol/L的NaHSO3溶液為腐蝕介質進行周浸加速腐蝕試驗，腐蝕周期為336 h，并計算其腐蝕速率。

2 試驗結果

2.1 試驗鋼的動態CCT曲線

利用熱模擬技術測定試驗鋼的動態CCT曲線，試驗參數設定如下：加熱溫度1 160 ℃，保溫180 s后以10 ℃/s的速率冷至1 100 ℃，保溫20 s后以0.5 s-1的變形速率和30%的變形程度進行粗軋道次模擬，然后以10 ℃/s的速率冷至820 ℃，保溫20 s后以1 s-1的變形速率和20%的變形程度進行精軋道次模擬，最后以不同的冷速冷至200 ℃。通過對膨脹曲線分析并結合顯微組織確定試驗鋼的動態CCT曲線，如圖1所示。

圖1 試驗鋼的動態CCT曲線Fig.1 Dynamic CCT curve of the test steel

2.2 弛豫時間對力學性能的影響

從圖2可以看出，隨著弛豫時間的延長(弛豫后開始冷卻溫度的降低)，試驗鋼板的屈服強度降低239 MPa，抗拉強度降低112 MPa，且屈服強度的下降速率大于抗拉強度的，因此屈強比由0.88降低至0.62。弛豫后開始冷卻溫度對鋼板塑性的影響較小，其斷后伸長率基本保持在23%左右；鋼板的沖擊吸收能量隨著弛豫后開始冷卻溫度的降低而降低，且在弛豫時間為85 s前保持在240 J以上，但隨著弛豫時間的進一步延長，顯著降低至174 J。

2.3 弛豫時間對組織的影響

圖3為弛豫不同時間的試驗鋼板的顯微組織。軋后直接水冷的鋼板的組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體；隨著弛豫時間延長至30 s，即弛豫后開始冷卻溫度為750 ℃時，鋼板組織中出現了塊狀鐵素體，但鐵素體數量較少，基體仍以貝氏體為主；隨著弛豫時間延長至80 s，即鋼板溫度為700 ℃時，鋼板的組織為鐵素體+貝氏體。隨著弛豫時間進一步延長至270 s時，鋼板的組織為細小的等軸鐵素體+珠光體。

圖2 弛豫結束時鋼板溫度對其力學性能的影響Fig.2 Effect of start cooling temperature on mechanical properties of the test steel plate

圖3 弛豫不同時間的試驗鋼板的顯微組織Fig.3 Microstructures of the test steel plate relaxed for different times

2.4 弛豫時間對耐候性能的影響

試驗鋼板周浸加速腐蝕試驗的結果如圖4所示，可見隨著弛豫時間的延長,試驗鋼的腐蝕速率先降低后升高。弛豫后鋼板開始冷卻溫度為750 ℃的鋼板的腐蝕速率最低，為1.10 g/(m2·h)，而溫度為650 ℃的鋼板的腐蝕速率最高，為1.14g/(m2·h)。但從數值上看，最低與最高腐蝕速率之間的偏差在3.6%，說明弛豫時間對腐蝕速率的影響較小。

圖4 弛豫時間對試驗鋼板耐候性能的影響Fig.4 Effect of relaxation time on weathering resistance of the test steel plate

3 分析與討論

3.1 弛豫過程分析

將終軋溫度為820 ℃、目標厚度為18 mm的鋼板軋后直接進行空冷，并每隔5 s測一次溫度，結果如圖5所示。對該鋼板的溫降曲線進行擬合，得到式(1)，對式(1)進行求導后，得到鋼板在空氣中的冷卻速度式(2)。由式(2)可知，在空冷弛豫過程中，最大的冷速為0.81 ℃/s，在650 ℃時鋼板的冷速為0.324 ℃/s，因此在相變起始點到弛豫至650 ℃區間內，鋼板的冷卻速度T'區間為[0.32,0.81] ℃/s，且冷卻速度呈線性減小趨勢。

T=782.8-0.81t+ 0.000 9t2

(1)

T′=0.001 8t-0.81

(2)

結合試驗鋼的動態CCT曲線可知，在冷速區間[0.32,0.81]℃/s內，鋼的組織類型為F+P。

圖5 弛豫時間與18 mm厚鋼板溫降之間的關系Fig.5 Relationship between relaxation time and temperature dropping for 18 mm-thick steel plate

在鋼板軋后弛豫過程中，在最大冷速為0.81 ℃/s時，鋼板進入鐵素體相區而析出鐵素體；隨著弛豫時間的延長，鋼板的冷速進一步減小，溫度的降低使得鐵素體數量進一步增加，奧氏體量減少；若不采用水冷工藝，奧氏體則轉變為鐵素體+珠光體；若采用15 ℃/s的快速水冷，未轉變的奧氏體將進入貝氏體轉變區而轉變為貝氏體，因此試驗鋼的目標組織為鐵素體+貝氏體的雙相組織。

3.2 弛豫工藝對組織及力學性能的影響

采用弛豫技術生產低屈強比鋼板，已經被廣泛應用于抗大變形管線用鋼、建筑用鋼以及橋梁用鋼等鋼種[5-10]，其降低屈強比的原理為引入軟相鐵素體而降低鋼板的屈服強度[11-13]。弛豫30 s與軋態直接水冷的鋼板的EBSD測試結果表明(見圖6)，弛豫后鋼板的小角度晶界數量減少，材料發生了明顯的回復，位錯密度明顯降低，位錯強化作用減弱導致鋼板的強度降低；同時，回復過程的軟化作用導致水冷相變過程的驅動力減小，鋼板晶尺寸增大，且由EBSD測試結果可知，弛豫后鋼板晶粒及晶間取向更加趨于一致，從而導致鋼板在-60 ℃的低溫沖擊韌性降低。

圖6 未弛豫(a)和弛豫30 s(b)的鋼板的組織和晶界角度分布圖(c)Fig.6 Microstructures of the steel plates not relaxed (a) and relaxed for 30 s (b), and grain boundary angle distribution patterns (c)

3.3 弛豫工藝對耐候性能的影響

周浸加速腐蝕試驗結果表明，弛豫30及85 s的鋼板具有相對較低的腐蝕速率，而軋后直接水冷及弛豫270 s的鋼板具有相對較高的腐蝕速率，但差異僅在4%以內。耐候鋼的耐腐蝕機制為表面生成具有保護性的銹層[14]，而銹層與材料的成分尤其是Ni、Cr及Cu等元素的含量有關。對軋后直接水冷及弛豫85 s的鋼板進行電子探針分析(見圖7)，可知在弛豫過程中僅有C元素的遠程擴散，而以Cr為代表的耐候性元素分布均勻，未出現貝氏體中的富集和鐵素體中的貧化的現象。這表明，發生了先析出鐵素體中的C向未轉變奧氏體擴散，而對于原子尺寸相對較大以置換型擴散機制擴散的耐候性元素未發生擴散，因此在耐候性元素均勻分布的前提下，弛豫不同時間的試驗鋼板的腐蝕速率差異可控制在4%以內。此外，弛豫為回復過程，未弛豫鋼板的位錯密度較高，而高的位錯密度將增加鋼板的腐蝕速率[15]；弛豫時間達到270 s后，鋼板的組織類型由F+B轉向F+P，珠光體中的滲碳體對鐵素體的腐蝕起到了促進作用，從而使其腐蝕速率增加。

4 結論

(1)18 mm厚420 MPa級的耐候橋梁鋼經兩階段控軋后，進行不同時間的弛豫處理，弛豫過程的冷速≤0.81 ℃/s，鋼板析出鐵素體。隨著弛豫時間的延長，鐵素體數量逐漸增加，再經15 ℃/s快速水冷后，奧氏體轉變為貝氏體，從而形成鐵素體+貝氏體的雙相組織。

圖7 弛豫時間對鋼板元素擴散的影響Fig.7 Effect of relaxation time on elements diffusion in the steel plate

(2)隨著弛豫時間的延長，試驗鋼板的強度降低，但屈服強度的下降速率大于抗拉強度的，從而導致其屈強比降低，韌性也逐漸降低，但鋼板的沖擊韌性維持在較高水平。

(3)由于弛豫過程中耐候性元素Ni、Cr及Cu在鐵素體與貝氏體之間未發生擴散，因此隨著弛豫時間的延長，試驗鋼板的腐蝕速率變化不大。