高性能建筑結構用鋼組織性能和強化機理研究

李 顯，余志軍，楊躍標，肖 娟

(1.廣西柳州鋼鐵集團有限公司技術中心，廣西 柳州 545002； 2.廣西鋼鐵集團有限公司熱軋廠，廣西 防城港 538000)

鋼結構建筑具有節能環保、可循環使用等優勢，符合節能建筑和持續發展要求，被譽為21世紀的“綠色建筑”之一[1]。在當前建筑物不斷向高層化和超高層化發展的趨勢下，對鋼結構建筑所用鋼材的高強度、高韌性、窄屈服點、低屈強比、抗層狀撕裂能力、焊接性、耐火性等提出了更高要求[2-3]。其中窄屈服點對鋼結構建筑抗震性能的影響非常大，屈服強度波動較大會造成鋼結構部件之間的強度不均衡性加強，在發生震動時導致局部變形過大而造成對整體的破壞，降低了建筑物的抗震性能，甚至導致倒塌發生[4-6]。而在工業化大生產中，高性能建筑結構用鋼由于合金添加量較大，性能穩定性控制往往存在較大難度，故而有必要對高性能建筑結構用鋼微合金元素的析出行為和強化機理進行研究。

1 實驗材料與方法

建筑結構用鋼Q420GJ，其典型成分見表1，軋制工藝見表2。Q420GJ采用Nb-V復合微合金化技術，其生產工藝流程為：KR鐵水預脫硫→150T轉爐冶煉→LF爐精煉→RH真空精煉→板坯連鑄→精整→板坯加熱→除鱗→粗軋→精軋→鋼板檢查→入庫。

表1 試驗鋼Q420GJ化學成分(%)

該產品的軋制工藝目標參數如表2 所示，鑄坯進入加熱爐前清理表面，去除火焰切割焊瘤等異物，并將其在加熱爐內均熱段溫度控制在1230 ℃左右，保證加熱時間≥200 min。加熱后采用兩階段軋制，增加粗軋、精軋階段各道次壓下率，根據成品厚度分檔控制鋼板開軋及終軋溫度，因設備限制軋后進行空冷。

本實驗材料為Q420GJ的20 mm和40 mm厚度產品(以下用編號為420-20，420-40代替)，對試驗材料進行常規拉伸實驗，測定各試樣的強度指標；采用OM和SEM進行組織觀察，分析顯微組織中各相組成、各相比例、組織形貌、晶粒尺寸等；在帶有能譜儀的透射電鏡下觀察析出物形貌、檢測析出物類型和化學成分，分析微合金元素含量不同的鋼中，析出物類型、成分、數量和尺寸的差異；在配備EBSD的掃描電鏡上進行EBSD實驗，獲取晶粒取向分布圖以及大小角度晶界分布圖等數據。

表2 試驗鋼Q420GJ軋制工藝參數

2 實驗結果與分析

2.1 常規拉伸

在420-20，420-40厚度方向1/2處截取試樣進行常規拉伸，其屈服強度、抗拉強度及延伸率見表3，可見20 mm厚度試樣的屈服強度和抗拉強度均高于40 mm厚度，相較于國標要求，試驗鋼的性能余量充足。

表3 試驗鋼Q420GJ力學性能

2.2 OM觀察

取厚度方向1/4處制備金相試樣，將試樣用砂紙研磨、拋光后，在4%硝酸酒精溶液中侵蝕，采用Zeiss金相顯微鏡觀察試樣組織。圖1分別為420-20，420-40的OM組織圖像。從圖1中可觀察到，組織基本上由鐵素體和珠光體組成。使用Image-Pro-Plus軟件計算鐵素體和珠光體球團的體積分數，并記錄在表4中，可見420-20和420-40珠光體體積分數分別為14.70%和9.72%，420-20珠光體較多與鋼板厚度較薄冷卻速度更快，更易發生珠光體相變有關。另外隨著厚度的增加，整體壓下率的降低，組織呈現粗化趨勢。

2.3 SEM觀察

為進一步觀察各試樣的高倍組織形貌，采用Nova 400 Nano場發射掃描電鏡進行觀察。圖2為各試樣的2000倍放大組織圖，從中可觀察到大量的珠光體球團。進一步放大珠光體區域，可從圖3中觀察到珠光體的片層狀結構。使用Nano Measurer測量各試樣的鐵素體尺寸、珠光體球團尺寸、珠光體的片層間距，結果見表5，可見420-20的鐵素體晶粒尺寸15.12 μm、珠光體片層間0.14 μm，均小于420-40的鐵素體晶粒尺寸19.35 μm、珠光體片層間0.20 μm。在高建鋼生產過程中，薄規格由于軋后冷速更快，珠光體轉變溫度低，珠光體片層間距減小，強度、硬度提高，塑性也變好，可見在軋后空冷的條件是適當提高冷速對組織性能較為有利。

(a)420-20 (b)420-40圖1 試驗鋼Q420GJ的OM組織Figure 1 OM structure of Q420GJ

表4 試驗鋼Q420GJ珠光體、鐵素體體積分數

(a)420-20 (b)420-40圖2 試驗鋼Q420GJ的SEM組織(2000倍)Figure 2 SEM structure of Q420GJ (2000 times)

(a)420-20 (b)420-40圖3 試驗鋼Q420GJ的SEM組織(60000倍)Figure 3 SEM structure of Q420GJ (60000 times)

表5 試驗鋼Q420GJ的鐵素體、珠光體球團尺寸、珠光體的片層間距

2.4 析出物分析

將樣品切成適當的尺寸，經機械打磨、拋光、重腐蝕、標記、噴碳、撈取碳膜，制得TEM樣品，使用高分辨透射電子顯微鏡觀察析出形貌。

圖4為觀察到的420-20、420-40試樣的析出物圖像，圖片(a)(b)為小尺寸析出物，圖片(c)(d)為大尺寸析出物，其尺寸達到幾十到幾百納米不等。使用Nano Measurer軟件測量析出物尺寸，并使用Origin軟件繪制了析出物尺寸柱狀分布圖(如圖5)。由柱狀圖可知，析出物尺寸大部分集中在0～15 nm范圍內，其中，超過50%的析出物尺寸在5～10 nm范圍內。

(a)420-20小尺寸析出物；(b)420-40小尺寸析出物；(c)420-20大尺寸析出物 ；(d)420-40大尺寸析出物。圖4 試驗鋼Q420GJ的析出物高倍形貌Figure 4 High profile of precipitates of steel Q420GJ

析出物尺寸較大時，其析出強化的效果微弱，故在本實驗中，忽略析出物尺寸大于100 nm時的析出強化效果。經統計得到，420-20試樣的析出物平均尺寸為11.14 nm，使用Image-Pro-Plus計算出析出物體積百分數為0.162%。420-40試樣的析出物平均尺寸為12.18 nm，使用Image-Pro-Plus計算出析出物體積百分數為0.174%。

圖6為試樣的能譜結果，析出物元素百分比見表6。從圖6中可觀察到，大尺寸的析出物呈方形(如譜2、4)或者橢球形(譜5)，細小析出物(譜3)呈聚集的胞狀或鏈狀分布。由表5知，大尺寸析出物中均含有一定的Nb、Ti以及C元素，個別顆粒中含有極少量的V；而小尺寸析出物中幾乎全部都為C元素，含有少量的Nb、V、Ti元素。通常情況下，大尺寸析出物形成于高溫階段，細小析出物形成于低溫階段，為提高高性能建筑結構用鋼的性能穩定性及微合金元素的強化效果，需對其析出物進行穩定性控制。

圖5 試驗鋼Q420GJ析出物尺寸柱狀分布圖Fig.5 Columnar distribution of precipitation size of Q420GJ

圖6 試驗鋼Q420GJ析出物的高倍形貌及對應的能譜結果Figure 6 High power morphology and corresponding energy spectrum results of precipitates in Q420GJ

2.5 EBSD分析

圖7給出了各試樣的晶粒取向分布圖。由圖7可以看出，組織中沒有明顯的擇優取向，晶粒基本為隨機分布。此外，對于同一鋼種而言，20 mm厚度的組織要明顯比40 mm厚度的組織細小。

表6 試驗鋼Q420GJ析出物元素百分比表

(a)420-20 (b)420-40圖7 試驗鋼Q420GJ的晶粒取向分布圖Figure 7 Grain orientation distribution of Q420GJ

圖8給出了2個試樣的晶界角度分布圖。紅色曲線表示晶界角度為2°～5°的晶界，綠色曲線表示晶界角度為5°～15°的晶界，藍色曲線表示晶界角度大于15°的晶界，圖右側給出了對應的0～60°晶界角度的百分數柱狀圖。由圖可知，420-20試樣的大部分晶界角度在2°～5°的范圍內，而420-40試樣的晶界角度則相對較大。

(b)420-40圖8 試驗鋼Q420GJ的晶界分布圖Figure 8 Grain boundary distribution of Q420GJ

3 微合金元素強化機理分析

根據顯微組織和析出物分析等實驗結果，統計晶粒尺寸、析出物含量和尺寸等數據，利用公式(1)～(5)計算各種強化機制的貢獻，分析微合金元素對高性能建筑結構鋼的強化機理。

微合金鋼的強化方式包括點陣阻力強化、固溶強化、位錯強化、細晶強化、沉淀強化等，根據拓展的Hall-Petch公式[7]，其屈服強度可由公式(1)進行計算：

σ=σ0+σs+σg+σp+σd

(1)

式中，σ為屈服強度；σ0為鋼的點陣阻力強化；σs為固溶強化；σg為細晶強化；σp為析出強化；σd為位錯強化。

根據文獻[8]，鋼的基礎強度為基本點陣阻力P-N，即位錯運動需要克服的點陣阻力，取σ0=48 MPa。

固溶強化可用以下公式表示：

σs=4570[C]0.5+4570[N]0.5+37[Mn]+83[Si]+470[P]+3[V]+80[Ti]-30[Cr]

(2)

式中，[X]為各元素在鐵素體中的質量分數(單位為%)。對于碳元素的固溶強化作用，由鐵碳相圖知，727℃時碳元素在鐵素體中的溶解量達到最大，為0.0218%。隨溫度的降低，鐵素體中不斷析出滲碳體，鐵素體中的溶碳量減小，300 ℃以下時小于0.001%。因此，可認為幾乎所有碳存在于滲碳體中。鋼中的N幾乎全部以TiN形式析出，故可忽略不計。合金元素 Si、Mn為鐵素體形成元素，基本全部固溶于鐵素體基體中，故[Si]、[Mn]均為初始量。而Nb、V、Ti等微合金元素在室溫下呈析出狀態，因此也忽略其在固溶強化中的影響。代入鋼種的化學成分，計算得到的Q420GJ固溶強化值σS為93.86 MPa。

細晶強化是通過晶粒細化使材料的晶界所占比例提高從而阻止位錯滑移所產生的強化。細晶強化是各種強化機制中唯一使材料強化的同時并使之韌化的最為有利于鋼鐵材料強韌化的方式。根據Hall-Petch公式，細晶強化的強度增量與晶粒尺寸的關系可用以下公式表示：

σg=kyd-1/2ΔσG=17.402d-1/2

(3)

式中，ky為比例系數，鋼鐵材料中ky的數值在14.0-23.4 MPa·mm1/2之間，由于試驗材料為低碳鋼，所以ky采用17.4 MPa·mm1/2。d為平均晶粒尺寸(單位為mm)。代入前文中統計得到的420-20、420-40平均晶粒尺寸：15.12 μm、19.35 μm，計算得到的試樣的細晶強化值σg分別為141.52 MPa、125.10 MPa。

鋼鐵材料中絕大部分情況下第二相的尺寸均大于臨近轉換尺寸，因而其強化機制主要是Orowan機制，可以用Ashby-Orowan模型進行描述，即沉淀強化效果與第二相體積分數的二分之一次方成正比，與第二相顆粒的尺寸大小成反比，析出強化可用以下公式表示：

(4)

式中，G為剪切模量(取8.3×104MPa)，取b為柏氏矢量 (0.248 nm)，f為析出物體積分數(420-20、420-40分別為0.162%、0.174%)，x為析出物平均尺寸(分別為11.14 nm、12.18 nm)，計算得到420-20、420-40析出強化值σP分別為124.10 MPa、121.35 MPa。

鋼鐵材料中的位錯強化主要是源于基體中的滑移位錯運動時鄰近的其它位錯與之發生各種交互作用，使其運動受阻而產生強化效果，位錯強化是鋼鐵材料中目前最有效的強化方式之一。鋼鐵材料中獲得大量位錯的工藝技術措施包括塑性變形和固態相變，對于一般的熱軋鋼帶來說，壓下量越大，終軋溫度越低，卷取溫度越低，位錯密度則越高，則位錯強化的貢獻也越大[9]，位錯強化可用以下公式表示：

σd=aGbρ1/2[10]

(5)

式中，α為位錯強化因子(取0.38)，G為剪切模量(取8.3×104MPa)，b為柏式矢量(0.248 nm)，ρ為位錯密度。對于鐵素體珠光體鋼來說，位錯密度不像貝氏體、馬氏體具有較高水平的位錯密度[11]，位錯密度按20 mm厚度取1×1010/cm2、40 mm厚度取0.5×1010/cm2計算，得到20 mm和40 mm厚度試樣中位錯強化σd分別為78.22 MPa和55.31 MPa。

計算得到的四種試樣的各強化機制的貢獻值匯總在表7中, 可見高建鋼中的強度貢獻大小為細晶強化>析出強化>位錯強化>固溶強化>晶格點陣強化，其中細晶強化及沉淀強化的強化效果最顯著。對于20 mm、40 mm不同厚度鋼板而言，特別是細晶強化、位錯強化的差別較大，可見大壓下率可有效提高細晶強化及位錯強化效果。

表7 各強化機制的貢獻值以及總屈服強度計算值(MPa)

4 結論

(1)高性能建筑結構用鋼的顯微組織基本上由鐵素體和珠光體組成，薄規格420-20珠光體體積分數14.70%>厚規格420-40珠光體體積分數9.72%，薄規格420-20的鐵素體晶粒尺寸15.12 μm、珠光體片層間0.14 μm，均小于厚規格420-40的鐵素體晶粒尺寸19.35 μm、珠光體片層間距0.20 μm。

(2)高性能建筑結構用鋼的析出物尺寸大部分集中在0～15 nm范圍內，其中超過50%的析出物尺寸在5～10 nm范圍內。420-20試樣的析出物平均尺寸為11.14 nm，析出物體積百分數為0.162%。420-40試樣的析出物平均尺寸為12.18 nm，析出物體積百分數為0.174%。

(3)高性能建筑結構用鋼的的晶粒基本為隨機分布，組織中沒有明顯的擇優取向，420-20試樣的大部分晶界角度在2°～5°的范圍內，而420-40試樣的晶界角度則相對較大。

(4)高性能建筑結構用鋼的強度貢獻大小為細晶強化>析出強化>位錯強化>固溶強化>晶格點陣強化，其中細晶強化及沉淀強化的強化效果最顯著，對強度的貢獻超過50%。對于不同厚度鋼板而言，特別是細晶強化、位錯強化的差別較大，可見大壓下率可有效提高細晶強化及位錯強化效果。