弛豫工艺对耐候桥梁钢组织及性能的影响

2019-01-30黄乐庆王彦锋杨永达马长文狄国标韩承良

上海金属 2019年1期

黄乐庆王彦锋杨永达马长文狄国标韩承良

(1.首钢技术研究院宽厚板所，北京 100043; 2.北京市能源用钢工程技术研究中心，北京 100041;3.秦皇岛首秦金属材料有限公司，河北秦皇岛 066326)

进入21世纪以来，我国公路桥梁、铁路桥梁，尤其是跨江跨海大桥建设都取得了举世瞩目的成就。但是与发达国家相比，我国耐候桥梁的发展仍比较缓慢[1-2]。由于耐候桥梁钢在全寿命周期内较普通桥梁钢+涂装的防腐处理方式具有较好的成本优势，且符合绿色循环发展的理念[3-4]，因此国内在建的拉林铁路藏木雅江特大桥以及官厅水库桥，开启了我国耐候铁路桥及公路桥裸装的示范应用。本文研究了弛豫时间对420 MPa级耐候桥梁钢的组织转变、力学性能尤其是耐候性能的影响，以期为工业生产提供指导。

1 试验材料与方法

试验材料为生产线生产的420 MPa级耐候桥梁钢连铸坯，钢板成分设计采用低碳微合金化思路，并保证足够量的耐候元素Ni、Cr及Cu，以保证其耐候性能。试验钢的化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the test steel (mass fraction) %

注：I为耐候指数

将150 mm厚连铸坯切割为150 mm×250 mm×250 mm钢坯，利用首钢技术研究院550 mm二辊可逆式轧机进行轧制，采用两阶段轧制工艺：将钢板加热到1 160 ℃保温2 h；粗轧始轧温度为1 100 ℃，中间待温厚度为50 mm，精轧始轧温度为860 ℃，终轧温度为820 ℃，目标厚度为18 mm。具体压下规程如下：150-120-90-65-50(待温)-40-32-26-21-18(mm)。轧后未弛豫、30、85及270 s弛豫后，以(15±2) ℃/s的冷速冷至(520±10) ℃，最后空冷至室温。弛豫不同时间后钢板开始冷却的温度如表2所示。

表2 弛豫时间对应试验钢板的开始冷却温度Table 2 Start cooling temperatures of the test steel plate corresponding to relaxation times

取TMCP态试样进行动态CCT热模拟试验。取TMCP态钢板进行标准拉伸、夏比V型冲击试验，并采用光学显微镜和电子背散射(EBSD)技术对钢板的显微组织进行分析；根据TB/T 2375—1993《内燃机车用柴油机清洁度测定方法》加工试样,尺寸为40 mm×60 mm×3 mm;以0.01 mol/L的NaHSO3溶液为腐蚀介质进行周浸加速腐蚀试验，腐蚀周期为336 h，并计算其腐蚀速率。

2 试验结果

2.1 试验钢的动态CCT曲线

利用热模拟技术测定试验钢的动态CCT曲线，试验参数设定如下：加热温度1 160 ℃，保温180 s后以10 ℃/s的速率冷至1 100 ℃，保温20 s后以0.5 s-1的变形速率和30%的变形程度进行粗轧道次模拟，然后以10 ℃/s的速率冷至820 ℃，保温20 s后以1 s-1的变形速率和20%的变形程度进行精轧道次模拟，最后以不同的冷速冷至200 ℃。通过对膨胀曲线分析并结合显微组织确定试验钢的动态CCT曲线，如图1所示。

图1 试验钢的动态CCT曲线Fig.1 Dynamic CCT curve of the test steel

2.2 弛豫时间对力学性能的影响

从图2可以看出，随着弛豫时间的延长(弛豫后开始冷却温度的降低)，试验钢板的屈服强度降低239 MPa，抗拉强度降低112 MPa，且屈服强度的下降速率大于抗拉强度的，因此屈强比由0.88降低至0.62。弛豫后开始冷却温度对钢板塑性的影响较小，其断后伸长率基本保持在23%左右；钢板的冲击吸收能量随着弛豫后开始冷却温度的降低而降低，且在弛豫时间为85 s前保持在240 J以上，但随着弛豫时间的进一步延长，显著降低至174 J。

2.3 弛豫时间对组织的影响

图3为弛豫不同时间的试验钢板的显微组织。轧后直接水冷的钢板的组织为针状铁素体+粒状贝氏体；随着弛豫时间延长至30 s，即弛豫后开始冷却温度为750 ℃时，钢板组织中出现了块状铁素体，但铁素体数量较少，基体仍以贝氏体为主；随着弛豫时间延长至80 s，即钢板温度为700 ℃时，钢板的组织为铁素体+贝氏体。随着弛豫时间进一步延长至270 s时，钢板的组织为细小的等轴铁素体+珠光体。

图2 弛豫结束时钢板温度对其力学性能的影响Fig.2 Effect of start cooling temperature on mechanical properties of the test steel plate

图3 弛豫不同时间的试验钢板的显微组织Fig.3 Microstructures of the test steel plate relaxed for different times

2.4 弛豫时间对耐候性能的影响

试验钢板周浸加速腐蚀试验的结果如图4所示，可见随着弛豫时间的延长,试验钢的腐蚀速率先降低后升高。弛豫后钢板开始冷却温度为750 ℃的钢板的腐蚀速率最低，为1.10 g/(m2·h)，而温度为650 ℃的钢板的腐蚀速率最高，为1.14g/(m2·h)。但从数值上看，最低与最高腐蚀速率之间的偏差在3.6%，说明弛豫时间对腐蚀速率的影响较小。

图4 弛豫时间对试验钢板耐候性能的影响Fig.4 Effect of relaxation time on weathering resistance of the test steel plate

3 分析与讨论

3.1 弛豫过程分析

将终轧温度为820 ℃、目标厚度为18 mm的钢板轧后直接进行空冷，并每隔5 s测一次温度，结果如图5所示。对该钢板的温降曲线进行拟合，得到式(1)，对式(1)进行求导后，得到钢板在空气中的冷却速度式(2)。由式(2)可知，在空冷弛豫过程中，最大的冷速为0.81 ℃/s，在650 ℃时钢板的冷速为0.324 ℃/s，因此在相变起始点到弛豫至650 ℃区间内，钢板的冷却速度T'区间为[0.32,0.81] ℃/s，且冷却速度呈线性减小趋势。

T=782.8-0.81t+ 0.000 9t2

(1)

T′=0.001 8t-0.81

(2)

结合试验钢的动态CCT曲线可知，在冷速区间[0.32,0.81]℃/s内，钢的组织类型为F+P。

图5 弛豫时间与18 mm厚钢板温降之间的关系Fig.5 Relationship between relaxation time and temperature dropping for 18 mm-thick steel plate

在钢板轧后弛豫过程中，在最大冷速为0.81 ℃/s时，钢板进入铁素体相区而析出铁素体；随着弛豫时间的延长，钢板的冷速进一步减小，温度的降低使得铁素体数量进一步增加，奥氏体量减少；若不采用水冷工艺，奥氏体则转变为铁素体+珠光体；若采用15 ℃/s的快速水冷，未转变的奥氏体将进入贝氏体转变区而转变为贝氏体，因此试验钢的目标组织为铁素体+贝氏体的双相组织。

3.2 弛豫工艺对组织及力学性能的影响

采用弛豫技术生产低屈强比钢板，已经被广泛应用于抗大变形管线用钢、建筑用钢以及桥梁用钢等钢种[5-10]，其降低屈强比的原理为引入软相铁素体而降低钢板的屈服强度[11-13]。弛豫30 s与轧态直接水冷的钢板的EBSD测试结果表明(见图6)，弛豫后钢板的小角度晶界数量减少，材料发生了明显的回复，位错密度明显降低，位错强化作用减弱导致钢板的强度降低；同时，回复过程的软化作用导致水冷相变过程的驱动力减小，钢板晶尺寸增大，且由EBSD测试结果可知，弛豫后钢板晶粒及晶间取向更加趋于一致，从而导致钢板在-60 ℃的低温冲击韧性降低。

图6 未弛豫(a)和弛豫30 s(b)的钢板的组织和晶界角度分布图(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 弛豫工艺对耐候性能的影响

周浸加速腐蚀试验结果表明，弛豫30及85 s的钢板具有相对较低的腐蚀速率，而轧后直接水冷及弛豫270 s的钢板具有相对较高的腐蚀速率，但差异仅在4%以内。耐候钢的耐腐蚀机制为表面生成具有保护性的锈层[14]，而锈层与材料的成分尤其是Ni、Cr及Cu等元素的含量有关。对轧后直接水冷及弛豫85 s的钢板进行电子探针分析(见图7)，可知在弛豫过程中仅有C元素的远程扩散，而以Cr为代表的耐候性元素分布均匀，未出现贝氏体中的富集和铁素体中的贫化的现象。这表明，发生了先析出铁素体中的C向未转变奥氏体扩散，而对于原子尺寸相对较大以置换型扩散机制扩散的耐候性元素未发生扩散，因此在耐候性元素均匀分布的前提下，弛豫不同时间的试验钢板的腐蚀速率差异可控制在4%以内。此外，弛豫为回复过程，未弛豫钢板的位错密度较高，而高的位错密度将增加钢板的腐蚀速率[15]；弛豫时间达到270 s后，钢板的组织类型由F+B转向F+P，珠光体中的渗碳体对铁素体的腐蚀起到了促进作用，从而使其腐蚀速率增加。