鉬含量和熱軋后的冷卻工藝對Q500qE橋梁鋼板組織和力學性能的影響

韓承良 黃樂慶 董占斌 馮 偉

(1.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200； 2.首鋼集團有限公司 技術研究院， 北京 100043)

近年來，我國橋梁建設在向大跨度、重載荷、全焊接方向發展，對鋼板強度、屈強比、焊接性能和低溫韌性提出了更高要求[1]。新一代橋梁鋼采用低碳成分，添加Nb、Ti、Mo等合金元素，采用熱機械軋制(thermo-mechanical control process, TMCP)工藝使鋼板兼具高強度、高韌性和良好的可焊性。但采用TMCP工藝生產橋梁鋼組織難以控制，獲得良好綜合力學性能的難度大[2]。因此，獲得兼具高強度、高韌性和低屈強比的顯微組織是生產Q500qE橋梁鋼產品的難點。

鉬是低碳貝氏體鋼的主要合金元素，能抑制先共析鐵素體形成，提高貝氏體含量[3- 5]；并且隨著鉬的加入，抗拉強度提高幅度大于屈服強度，從而降低屈強比[6- 7]。層流冷卻結束溫度不同的鋼板組織類型、相比例、晶粒尺寸均會有明顯差異，導致Q500qE橋梁鋼板強度、塑性、韌性、屈強比有顯著差異[8- 12]。本文研究了鉬的質量分數和層流冷卻結束溫度對Q500qE橋梁鋼板組織和力學性能的影響，通過控制組織使鋼板的屈強比、強度、韌性和塑性達到最佳結合。

1 試驗材料及方法

試驗用鋼采用低碳和微合金化成分設計，如表1所示，其中Mo質量分數分別為0.05%、0.15%、0.20%。生產工藝為KR脫硫預處理→轉爐冶煉→LF爐精煉→VD處理→板坯連鑄→板坯加熱→雙機架4 300 mm中厚板軋機軋制→層流冷卻→熱矯直→冷床空冷。

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數)

板坯加熱溫度為1 150～1 190 ℃，在爐時間180～350 min。采用兩階段軋制：第一階段為再結晶區軋制，軋制溫度高于1 050 ℃，累計變形量為89%；第二階段為未再結晶區軋制，為避免產生混晶，始軋溫度低于980 ℃，終軋溫度為(860±20) ℃，累計變形量為64%，成品鋼板厚度為8 mm。軋后采用層流冷卻，開冷溫度為720 ℃，冷速為35 ℃/s，冷卻結束溫度為530 ℃，在線熱矯直后鋼板置于冷床空冷至室溫。設定Mo質量分數為0.20%，冷速為35 ℃/s，層流冷卻結束溫度分別為560、530、500 ℃，在線熱矯直后鋼板置冷床空冷至室溫。進行拉伸試驗和夏比V型缺口沖擊試驗，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)和電子背散射衍射(electron back- scattered diffraction, EBSD)裝置進行金相檢驗，研究Mo含量和層流冷卻結束溫度對鋼板力學性能和顯微組織的影響。

2 試驗結果

2.1 Mo含量對力學性能和顯微組織的影響

不同Mo含量鋼板的力學性能如表2所示。可見隨著Mo質量分數從0.05%增加至0.20%，屈服強度從463 MPa上升至581 MPa，抗拉強度從637 MPa上升至705 MPa，斷后伸長率從25.0%下降至20.5%，屈強比先升高后降低，-40 ℃沖擊韌性先降低后升高。此外，含質量分數0.05% Mo的鋼板屈服強度低于技術要求，含質量分數0.15% Mo的鋼板屈強比高于技術要求。含質量分數0.20% Mo的鋼板具有最佳綜合力學性能。

表2 不同Mo含量鋼板的力學性能

不同Mo含量鋼板的顯微組織如圖1所示。含質量分數0.05% Mo的鋼板組織為準多邊形鐵素體+針狀鐵素體+粒狀貝氏體；含質量分數0.15% Mo的鋼板組織為粒狀貝氏體，M- A組織粗大；含質量分數0.20% Mo的鋼板組織為粒狀貝氏體，貝氏體和M- A組織明顯細化，且M- A組織明顯增多。隨著Mo質量分數從0.05%增加至0.20%，鋼板中先共析鐵素體減少直至消失，粒狀貝氏體增多，且粒狀貝氏體和M- A組織細化。

圖1 含質量分數0.05%(a)、0.15%(b)和0.20% Mo(c)鋼板的顯微組織

2.2 層流冷卻結束溫度對力學性能和顯微組織的影響

不同溫度結束層流冷卻的鋼板的力學性能如表3所示。隨著層流冷卻結束溫度從560 ℃降低至500 ℃，鋼板屈服強度從526 MPa提高至662 MPa，抗拉強度從683 MPa提高至723 MPa，屈強比從0.77提高至0.92，斷后伸長率從20.0%降低至17.0，-40 ℃沖擊吸收能量均值從65 J提高至130 J。在560 ℃結束層流冷卻的鋼板屈服強度和低溫沖擊韌性的富余量不大，在500 ℃結束層流冷卻的鋼板屈強比和斷后伸長率不符合技術要求。在530 ℃結束層流冷卻的鋼板具有最佳的綜合力學性能，均符合技術要求。

表3 層流冷卻至不同溫度隨后空冷至室溫的鋼板力學性能

不同溫度結束層流冷卻的鋼板顯微組織如圖2所示。隨著層流冷卻結束溫度的降低，鋼板組織細化，在560 ℃結束層流冷卻的鋼板組織為粗大的粒狀貝氏體；在530 ℃結束層流冷卻的鋼板組織為粒狀貝氏體，但粒狀貝氏體和M- A組織明顯細化；在500 ℃結束層流冷卻的鋼板有板條貝氏體，粒狀貝氏體進一步細化。

圖2 層流冷卻至560(a)、530(b)和500 ℃(c)隨后空冷至室溫的鋼板顯微組織

不同溫度結束層流冷卻的鋼板的SEM和EBSD檢驗結果如圖3所示。圖3表明：含質量分數0.20% Mo，層流冷卻結束溫度為560、530和500 ℃的鋼板均無鐵素體，其組織均為貝氏體，且隨著層流冷卻結束溫度的降低，M- A組織細化且數量增多，層流冷卻結束溫度為500 ℃的鋼板出現板條貝氏體；隨著層流冷卻結束溫度的降低，鋼板平均晶粒尺寸從5.3 μm減小至4.5 μm，大角度晶界比例從15.0%提高至32.6%。

3 分析與討論

Mo質量分數為0.05%的鋼板生成了大量先共析鐵素體，強度低、韌性好，導致未轉變的奧氏體穩定性提高，形成細針狀鐵素體和細小M- A的粒狀貝氏體[13]，提高了抗拉強度和沖擊韌性。具有鐵素體和貝氏體雙相組織的鋼板在塑性變形過程中，強度較低的鐵素體首先屈服，強度較高的貝氏體在隨后的變形過程中抗拉強度提高，從而明顯降低屈強比，并且軟硬相的強度差越大，屈強比越小[14- 15]。隨著Mo含量的增加，抑制C元素擴散的作用增強，先共析鐵素體消失，得到完全貝氏體，M- A組織細化。含質量分數0.15% Mo的鋼板獲得完全貝氏體組織，但M- A組織較粗，抗拉強度低，屈強比不符合要求，并且沖擊韌性降低。含質量分數0.20% Mo的鋼板貝氏體和M- A組織明顯細化，抗拉強度和沖擊韌性明顯提高，屈強比滿足要求。

由表3可知，隨著層流冷卻結束溫度的降低，鋼板屈服強度、抗拉強度、屈強比及沖擊韌性升高，但塑性降低。由圖3可知，層流冷卻結束溫度為560 ℃的鋼板組織為粗大的粒狀貝氏體，其屈服強度較低；M- A島為二次相強化粒子，確保鋼板具有較高的抗拉強度，所以屈強比較小；此外由于粗大粒狀貝氏體結構簡單，大角度晶界比例僅為15.0%，不能有效阻礙裂紋擴展，且粗大的M- A島與基體之間易形成裂紋，兩者綜合作用導致鋼板低溫韌性較差。層流冷卻結束溫度為500 ℃的鋼板組織為粒狀貝氏體和板條貝氏體，且貝氏體明顯細化，因此屈強比提高；降低層流冷卻結束溫度導致的晶粒細化和大角度晶界比例的升高，明顯改善了鋼板的低溫韌性。

4 生產數據統計

對含質量分數0.20%Mo、層流冷卻結束溫度為530 ℃的鋼板進行了300余批次性能檢驗，其屈強比和-40 ℃沖擊韌性統計結果如圖4所示。可見屈強比均值為0.80，-40 ℃沖擊吸收能量均值為109 J，鋼板性能良好。

圖4 鋼板的屈強比和低溫沖擊韌性統計結果

5 結論

(1)Mo含量和層流冷卻結束溫度顯著影響Q500qE橋梁鋼板的顯微組織和力學性能；Mo含量較低的鋼板生成大量的先共析鐵素體，導致屈服強度不合格；Mo含量增加能得到完全貝氏體組織，并且組織細化、強度提高。

(2)隨著層流冷卻結束溫度的降低，含質量分數0.20% Mo的鋼板貝氏體細化，強度和沖擊韌性提高，斷后伸長率下降，層流冷卻至500 ℃隨后空冷的鋼板生成了細小的粒狀貝氏體和板條貝氏體，強度高、韌性好，但斷后伸長率和屈強比不符合要求。

(3)為獲得具有良好綜合力學性能的Q500qE橋梁鋼板，需提高Mo含量以避免生成先共析鐵素體，并使鋼板層流冷卻結束后生成大量細小的M- A組織或板條貝氏體，以提高屈強比。

(4)含質量分數0.20% Mo、層流冷卻至530 ℃隨后冷床空冷至室溫的Q500qE橋梁鋼板具有最佳的綜合力學性能。