回火時間對Q420qENH鋼板拉伸性能和組織的影響

陳建超，郭龍鑫，，鄭 磊，，郭 瀟，關秀格

(1.河北省高韌性風塔鋼工程研究中心,河北 邯鄲 056305;2.河北省高塑韌性耐磨鋼板技術創新中心，河北 邯鄲 056305)

高性能橋梁鋼作為新一代先進鋼鐵材料，與傳統普通橋梁鋼相比，除了具備高強度外，鋼材的低溫韌性、耐大氣腐蝕性能，尤其是焊接性能有較大幅度提升[1]。耐候橋梁鋼作為高性能橋梁鋼的發展方向，在美國、日本及歐洲等地區已經廣泛應用[2-5]。隨著鋼鐵冶金行業的技術進步，對耐候鋼認識的逐步加深，耐候鋼橋梁所具有的綠色環保、維護養護簡便、壽命周期成本低等優勢[6]，已開始引起國內高度重視。近年來我國對大跨度、高負載、綠色環保的橋梁建設需求越來越大，新型耐候橋梁鋼Q420qENH應運而生。

本文研究了在500 ℃回火溫度下不同回火保溫時間對Q420qENH耐候橋梁鋼拉伸性能和微觀組織的影響，旨在為Q420qENH耐候橋梁鋼回火工藝的制定提供一定的參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用320 mm厚的Q420qENH耐候橋梁鋼連鑄坯，成分體系采用低碳成分設計，Nb、Cr、Ni、Cu微合金化，其化學成分見表1。以TMCP方式軋制成厚度為50 mm的耐候橋梁鋼板，開坯厚度為120 mm，精軋開軋溫度為830 ℃，精軋終軋溫度為803 ℃，ACC冷卻返紅溫度為712 ℃。其TMCP態鋼板拉伸性能見表2。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)%

表2 試驗鋼的拉伸性能

1.2 試驗方法

在軋后鋼板的寬度四分之一處厚度四分之一處沿橫向加工4根直徑為10 mm的拉伸試樣進行回火試驗，回火使用KKQ中低溫回火爐進行試驗，回火溫度為500 ℃，回火保溫時間設置為15 min、30 min、60 min、90 min，出爐后空冷。

回火完畢后按照GB/T228.1-2010標準要求進行拉伸試驗，并分別取軋態和不同回火時間下的金相試樣進行打磨和拋光，腐蝕液采用4%的硝酸酒精溶液，通過金相顯微鏡和電子掃描顯微鏡對微觀組織進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 回火時間對拉伸性能的影響

試驗鋼在500 ℃時不同回火時間下的拉伸性能檢驗結果如表3所示。

圖1為不同回火保溫時間下試驗鋼板的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和屈強比的變化趨勢圖。

圖1 試驗鋼拉伸性能與回火時間的關系

由圖1可以看出，回火時間在0～90 min之間變化時，隨著回火時間的延長，試驗鋼的屈服強度呈先上升后下降的趨勢，抗拉強度隨回火時間的延長呈現先稍微下降后上升再下降的趨勢，回火時間為60 min時，屈服強度和抗拉強度達到最大值，屈服強度達到481 MPa，抗拉強度達到590 MPa；斷后伸長率呈現先下降后上升的趨勢，回火時間為30 min時，斷后伸長率最低降至24.5%；屈強比隨回火時間的延長先逐步升高后保持穩定為0.82。當回火保溫時間為60 min時，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及屈強比達到最優匹配狀態，為最佳熱處理時間。

2.2 回火時間對鋼板組織的影響

分別對TMCP態及不同回火時間下的試驗鋼進行金相觀察，其金相組織如圖2所示。

圖2 軋態及不同回火時間下的金相組織

圖2(a)為軋態組織，圖2(b、c、d)分別為回火時間為30 min、60 min、90 min的金相組織。從圖2可以看出，軋態鋼板的組織為貝氏體+鐵素體+珠光體組織。經過30～90 min時間回火后，試驗鋼的組織變化不大，仍是貝氏體+鐵素體+珠光體組織，只是隨著回火時間的延長，貝氏體中M-A島發生部分分解，組織中析出物越來越多，同時細小的貝氏體、鐵素體片條合并為較寬較長的鐵素體片條。回火時間超過60 min后，析出物開始聚集長大并且球化。

對不同回火時間下的試驗鋼進行電子掃描顯微鏡觀察，其SEM組織形貌如圖3所示。

圖3(a、b、c)分別為回火時間為30 min、60 min、90 min的SEM組織，圖3(d)為圖3(b)中析出物的能譜分析。可以看出，圖3(a)中析出物多呈桿狀；圖3(b)中桿狀析出物變短且有球化趨勢，同時點狀析出物增多；圖3(c)中點狀析出物已經明顯粗化；圖3(d)中回火后的析出物為多為碳化物包括Fe3C、NbC、TiC等及一些銅的析出物。

圖3 不同回火時間下的SEM組織及能譜

2.3 討論與分析

試驗鋼軋態組織主要由貝氏體+鐵素體+珠光體組成。其中硬相珠光體和M-A島數量較多，因此，軋態樣具有較低的屈強比，為0.78。

貝氏體鐵素體中碳原子是過飽和的[7]，軋態樣經過500 ℃回火15～90 min時，貝氏體、鐵素體中過飽和的碳原子及M-A島分解出的碳原子開始向位錯處偏聚，與Fe、Nb、Ti、Cu等原子結合形成碳化物析出，然后聚集長大、球化，同時貝氏體鐵素體基體內板條亞結構逐漸發生合并和寬化，內部位錯數量減少。

當軋態樣經15 min短時回火后，少量碳原子將優先在自由能較高的位錯處析出，起到釘扎位錯阻礙位錯滑移的效果[8]，使屈服強度升高，而碳原子的析出會降低固溶強化效果，使抗拉強度稍微降低，屈強比上升至0.80；隨著回火時間延長到30 min，M-A島硬相發生部分的分解，但是由于細小的碳化物大量析出，發揮較大的強化作用，使抗拉強度和屈服強度同時升高，屈強比也繼續升高，達到0.81；在15～30 min短時回火析出的平衡相θ-Fe3C呈條片狀，條片狀θ-Fe3C大量析出并且集聚，非均勻分布，對于材料的韌性有不利的影響[9]，導致伸長率與軋態相比有所下降；當回火時間延長到60 min時，碳化物的析出速度減慢，屈服強度和抗拉強度繼續升高，但是升高速度減慢，屈強比升高至0.82，此時條片狀的θ-Fe3C集聚球化、粗化，顆粒數量減少，尺寸趨于均勻，對于韌性的不利影響逐漸減小，斷后伸長率得到一定的提升，性能變得趨于強韌化；當回火時間延長至90 min時，貝氏體鐵素體不斷寬化,位錯密度下降，固溶碳含量降低[10]，同時之前析出的碳化物進一步聚集長大并球化，析出物數量減少，綜合作用，使可動位錯數量增加，屈服強度和抗拉強度下降，伸長率提高，屈強比仍維持在0.82。

3 結論

(1)TMCP態Q420qENH鋼板在500 ℃下15～90 min的時間范圍內回火，隨著回火時間延長，屈服強度和抗拉強度呈先上升后下降的趨勢，斷后伸長率呈先下降后上升的趨勢，屈強比先逐步上升后趨于穩定。回火時間為60 min時各項力學性能達到最優狀態。

(2)試驗鋼TMCP態組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，在500 ℃下隨著回火時間的延長，貝氏體中M-A島發生部分分解，組織中碳化物析出越來越多，同時細小的貝氏體、鐵素體片條合并為較寬較長的鐵素體片條。回火時間超過60 min后，析出的碳化物開始聚集長大并且球化。

(3)TMCP態Q420qENH鋼板在500 ℃下15～90 min較寬時間范圍內回火，均具有穩定良好的綜合力學性能，為開發TMCP+T交貨狀態的Q420qENH耐候橋梁鋼提供了依據。