Al元素對耐候橋梁鋼微觀組織及力學性能的影響

徐海健 沙孝春 孟勁松 李 凡 王文仲 王昭東

(1. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114021； 2. 鞍山鋼鐵集團有限公司，遼寧 鞍山 114021；3. 東北大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819)

隨著大型橋梁建設的興起，橋梁鋼的用量正在不斷增加，鋼材的性能和成本問題越來越受到人們的重視。目前，我國現有橋梁用鋼多為低合金高強度鋼，鋼材的耐蝕性較差，主要靠涂裝的辦法來抑制大氣腐蝕[1]。但涂裝不僅需要投入大量的人力、物力，后續的維護費用也相當高昂，而且老化廢棄的涂料還會污染環境。因此，具有綠色環保、綜合性能優良、幾乎無維護成本等優點的耐候橋梁鋼，越來越受到橋梁設計者的青瞇。但耐候橋梁鋼由于含有貴重合金元素，一次性投資較高，在應用上受到一定限制[2- 3]。因此，如何在不降低耐候鋼性能的情況下降低其貴重元素的含量，已成為橋梁用鋼研究者的主要工作之一。

在大氣環境中，鋁能快速被氧化并在其表面形成一層致密的氧化膜來抑制大氣腐蝕，所以通常將鋁噴涂在鋼的表面以增強其耐候性[4]。在冶煉過程中，鋁主要被用作脫氧劑，但是如果鋁含量過高，常會產生夾雜物增多、堵塞等一系列問題。但因鋁在提高鋼材耐候性、降低成本方面蘊藏著巨大的潛力，用鋁來改善鋼材耐候性的研究早已開始[5- 6]。Evans[7]研究認為，添加少量的鋁會改善低碳鋼的耐候性。陳新華等[8]研究發現，在海洋大氣條件下，添加Al的低合金鋼的表面會生成細粒尖晶石類氧化物FeAl2O4，從而增強銹層對腐蝕介質與水分的阻隔。Nishimura等[9]研究了含Al鋼的耐海洋大氣腐蝕性能，發現隨著鋁含量的增加，鋼的耐候性提高。李東亮等[4]研究發現，Al具有強化鐵素體、抑制腐蝕產物結晶和促進具有保護作用的細晶氧化物膜生成等優勢，有利于提高鋼的耐蝕性。目前，我國在建和規劃中的大型橋梁多分布在沿海經濟發達地區，但這些地區大氣中的SO2含量日益升高，SO2和Cl-共存的形勢已成為常態，這給橋梁的安全服役帶來了很大威脅，同時也會大幅縮短其使用壽命。目前，普遍通過增加鋼中的Ni含量來提高其耐海洋大氣腐蝕的性能，但由于Ni的價格高昂且受市場波動較大，因此如何通過Al替代部分Ni，開發低成本的含Al耐海洋大氣腐蝕的橋梁鋼逐漸成為未來橋梁鋼研發的重點。目前，鋁的添加對耐候鋼的微觀組織演化及力學性能的影響機制還不清楚。為此，本文主要研究了Al的添加對耐濕熱工業- 海洋大氣橋梁鋼微觀組織及力學性能的影響，以期為鞍鋼開發低成本、輕量化橋梁鋼提供基礎數據。

1 試驗材料及方法

采用200 kg真空感應爐熔煉3種成分的耐候鋼，其化學成分如表1所示。利用450軋機將鋼錠軋成12 mm厚的薄板坯，具體工藝為：加熱溫度1 150～1 200 ℃，道次變形量10%～20%，采用再結晶區和未再結晶區兩階段控制軋制，終軋溫度780～860 ℃，最后快速冷卻至室溫。 在鋼板上取金相試樣，經研磨、拋光后，采用體積分數為3%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后在OLYMPUS- PMG3光學顯微鏡下觀察其顯微組織。在JEOL JIB- 4600F 聚焦離子束 (focused ion beam, FIB)裝置上，利用FIB傾轉法制備TEM試樣，試樣厚度小于100 nm，然后利用JEOL 21F型高分辨透射電鏡觀察試樣的精細結構。

參照TB/T 2375—1993，在周期浸潤腐蝕試驗箱內模擬濕熱的大氣環境。浸泡溶液成分為1%NaCl + 0.05%Na2SO4+ 0.05%CaCl2(質量分數，下同)，水浴溫度為40 ℃，浸潤周期為60 min，干燥時間為48 min，浸潤時間為12 min，腐蝕周期為6天。帶銹試樣經機械除銹后，用除銹液(500 ml鹽酸+500 ml去離子水+20 g六次甲基四胺)和超聲波振動除銹，之后除雜、除漬、脫水、吹干，干燥24 h后稱量，得出失重，并用未經腐蝕的試樣來校正除銹液對基體的腐蝕量，以確保數據準確。根據GB/T 228—2002,沿鋼板橫向截取直徑為10 mm的標準拉伸試樣，加載速率為3～30 MPa/s。根據GB/T 229—2007,沿鋼板縱向截取V 型缺口標準沖擊試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。拉伸試驗在室溫下進行，沖擊試驗在-20 ℃下進行。使用JSM- 6510A型掃描電子顯微鏡對試樣的拉伸斷口形貌進行觀察與分析。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

圖1為不含Al、含0.23%Al和0.74%Al耐候鋼的微觀組織。由圖1可知，采用超低碳成分設計、高純度冶煉、全程保護澆鑄和適宜的軋制制度，獲得的3種試驗鋼的微觀組織主要由組織均勻性較好的細晶粒多邊形鐵素體和少量珠光體構成。與未添加Al的耐候鋼相比，添加Al的耐候鋼的晶粒明顯粗化，其中含0.23%Al耐候鋼的晶粒是未添加Al耐候鋼的3倍大。隨著鋼中Al含量的增加，晶粒進一步粗化，鐵素體含量明顯增加。不含Al鋼的鐵素體平均晶粒尺寸約為6 μm，鐵素體體積分數約為78%；含0.25%Al耐候鋼的鐵素體平均晶粒尺寸約為12 μm，鐵素體體積分數約為92%；含0.75%Al耐候鋼的鐵素體平均晶粒尺寸約為20 μm，鐵素體體積分數約為95%。圖2為3種試驗鋼板的微觀組織TEM像。通過選區電子衍射標定可見，耐候鋼的組織主要為鐵素體，未添加Al的耐候鋼中有貝氏體存在，隨著Al含量增加，貝氏體的含量逐漸減少。Al的添加使耐候鋼中鐵素體含量明顯增加，這主要是由于Al具有強化鐵素體、抑制鐵素體向奧氏體轉變的作用。但是Al的添加會使晶粒開始長大的溫度比微合金溶解溫度低得多，同時也會使鋼中原子的擴散激活能降低，從而促進耐候鋼中的鐵素體在高溫變形過程中易發生動態回復，阻礙奧氏體動態再結晶的發生，上述幾方面因素共同作用使得添加Al的耐候鋼的晶粒發生粗化。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the tested steels(mass fraction) %

2.2 力學性能

圖1 試驗鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the tested steels

圖2 試驗鋼的透射電鏡照片Fig.2 TEM images of the tested steels

圖3為3種耐候鋼的常溫拉伸性能和-20 ℃的沖擊性能。可以看出，與未添加Al的耐候鋼相比，添加Al的耐候鋼的強度略有下降，斷后伸長率和沖擊吸收能量有所提高。由霍爾- 佩奇公式可知，在外加載荷條件下，耐候鋼中的每個晶粒的變形都要受到周圍晶粒的牽制，故耐候鋼的室溫強度總是隨著晶粒的粗化(即晶界總面積的減少)而降低，從而導致位錯滑移的有效距離增加，耐候鋼的塑性增加，沖擊吸收能量增加。隨著Al含量的增加，鋼中貝氏體含量減少，鐵素體含量增加，從而導致鋼的強度降低，斷后伸長率增加。

2.3 耐腐蝕性能

從周期浸潤腐蝕試驗結果看，如圖4所示，3種含Al耐候鋼的腐蝕失重相對較小。隨著Al含量的增加，腐蝕失重逐漸減小，與未添加Al的耐候鋼相比，添加Al的耐候鋼的腐蝕失重減小了25%，說明Al的添加可以改善耐候鋼的耐腐蝕性能。對此，Evans[7]的解釋為，Al的添加使銹層內部富集的Al形成細粒尖晶石類氧化物FeAl2O4，這種特殊的銹層結構，使含Al的耐候鋼在濕熱- 海洋大氣條件下，增強銹層對腐蝕介質和水分的阻隔。

圖3 試驗鋼的力學性能Fig.3 Mechanical properties of the tested steels

2.4 斷口形貌

圖5為不含Al、含0.23%Al和0.74%Al的耐候鋼的室溫拉伸斷口形貌。由圖5可知，不含Al的耐候鋼的整個斷面為解理斷裂，解理面較大且不均勻。Al的添加使耐候鋼的室溫拉伸斷裂機制由解理斷裂向韌窩斷裂轉變。這主要歸因于Al的添加使鋼中鐵素體含量增加，而鐵素體的強度和硬度比珠光體低，對裂紋擴展的阻力小，從而有利于改善鋼的塑性。此外，隨著鋼中Al含量的增加，拉伸斷口韌窩尺寸減小、深度增加，從而使鋼的塑性提高。

圖4 試驗鋼的腐蝕失重Fig.4 Corrosion weight loss of the tested steels

圖5 試驗鋼拉伸試樣斷口的微觀形貌 Fig.5 Micrographs of tensile specimen fractures for the tested steels

3 結論

(1)耐候橋梁鋼中Al的添加具有強化鐵素體、抑制鐵素體向奧氏體轉變的作用。

(2)Al的添加使得耐候鋼的晶粒粗化，并使鋼中貝氏體含量減少，鐵素體含量增加，從而導致鋼的強度降低、斷后伸長率和低溫沖擊性能以及耐腐蝕性能提高。

(3)Al的添加使得耐候鋼的室溫拉伸斷裂機制由解理斷裂向韌窩斷裂轉變。