控轧后的冷却速度对Q420qENH园林钢组织和力学性能的影响

王庆芬 罗志敏 马到原

(1.长春建筑学院，吉林 长春 130607； 2.吉林大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130012)

控轧控冷(thermomechanical controlled process, TMCP)是开发低碳微合金钢的重要工艺，可在确保低碳微合金钢强韧性的基础上进一步降低合金元素含量，以降低成本，且与传统生产工艺相比，控轧控冷的钢材在低温韧性、焊接性能和成形性能等方面具有明显的优势[1]。控制热轧后的冷却速度可控制钢的组织和性能[2]。使园林钢结构易加工、低成本、绿色环保的同时还具有良好的力学性能，是现代园林用钢亟待解决的问题[3]。目前，国内园林设计中多采用传统热轧工艺生产的Q345qENH钢，其屈服强度较低、生产成本较高，且不能满足现代园林钢结构的使用要求(屈服强度≥350 MPa、屈强比<0.85等)[4]。为此，长春建筑学院联合吉林大学、东北大学和吉林吉钢集团有限公司等单位，采用控轧控冷技术开发了新型低合金Q420qENH园林用钢。由于控轧后的冷却速度对园林钢的组织和力学性能有很大影响，且目前的研究多集中在始冷和终冷温度等对钢的组织和性能的影响方面，关于控轧后的冷却速度对组织和力学性能的影响的研究较少[5- 7]。为开发出性能优良、价格低廉的园林用钢，本文研究了控轧后的冷却速度对Q420qENH园林钢微观组织和力学性能的影响，这将有助于新型低合金园林钢的开发和应用。

1 试验材料与方法

采用电感耦合等离子发射光谱法测定的试验用Q420qENH园林钢的化学成分如表1所示，原始组织为铁素体、粒状贝氏体和M/A岛。制备φ15 mm×100 mm试样，在Gleeble- 3800热模拟试验机上进行控制轧制和控制冷却，工艺过程如图1所示。试验过程为：(1)将试样加热至1 180 ℃保温10 min冷却至1 080 ℃，然后以35%的压缩量和1 s-1的应变速率粗轧并冷却至875 ℃，再按30%的压缩量和1 s-1的应变速率轧制；(2)轧后冷却至745 ℃(始冷温度)后，分别以2、6、12和18 ℃/s速率冷却至595 ℃，再以一定速率加热至返红温度(615 ℃)，以2 ℃/s速率冷却至200 ℃，空冷。

表1 研究用Q420qENH钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the investigated Q420qENH steel (mass fraction) %

图1 控轧控冷工艺Fig.1 Controlled rolling and controlled cooling process

采用线切割切取和制备金相试样，经磨、抛后用3.5%(体积分数，下同)硝酸酒精溶液腐蚀，用DSX1000型光学显微镜和TESCAN- VEGA3型扫描电镜进行观察；金相试样用4%苦味酸+1%硫代硫酸钠水溶液腐蚀后，采用光学显微镜观察M/A岛形貌，并用附带软件表征M/A岛的平均尺寸和面积分数；金相试样电解抛光(腐蚀液为体积比1∶0.5∶8.5的高氯酸、甘油和酒精混合溶液)后，采用扫描电镜附带的Orientation Imaging Microscopy软件统计分析晶粒取向；根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分:室温试验方法》，在UTM2000型万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min。将透射电镜试样切成薄片后预磨至60 μm，在6%高氯酸+冰乙酸混合溶液中电解双喷减薄，穿孔和清洗后用JEOL- 2010型透射电镜观察。

2 结果与分析

控轧后以不同速度冷却的Q420qENH钢的力学性能如表2所示。其他工艺参数相同，随着控轧后冷速从2 ℃/s提高至18 ℃/s，钢的抗拉强度、屈服强度和屈强比均增加，断后伸长率减小。标准要求现代园林钢的屈服强度≥420 MPa，抗拉强度≥540 MPa，屈强比≤0.85[8]。以2 ℃/s速率冷却的Q420qENH钢的屈服强度和屈强比分别为408 MPa和0.78，达不到标准要求；以6～18 ℃/s速率冷却的钢的屈服强度、抗拉强度和屈强比均满足标准要求，但以6 ℃/s速率冷却的钢的强度较低，而以12和18 ℃/s速率冷却的钢的强度高于标准值，屈强比小于0.85，力学性能良好。

表2 控轧后以不同速度冷却的Q420qENH钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling

图2(a,c,e,g)和图2(b,d,f,h)分别为轧后以不同速率冷却的Q420qENH钢的光学显微组织和扫描电镜组织。以2 ℃/s速率冷却的钢的组织为铁素体和少量珠光体，铁素体多为多边形和针状，较粗大，且晶界有M/A岛，珠光体呈弥散分布的小块状；以6 ℃/s速率冷却的钢的组织为粒状贝氏体和少量针状铁素体，铁素体较细小，有细小的M/A岛；以12 ℃/s速率冷却的钢组织不发生变化，但针状铁素体含量减少，M/A岛增多，组织比以6 ℃/s速率冷却的钢的细小；以18 ℃/s速率冷却的钢的组织进一步细化，M/A岛主要呈颗粒状，数量增多、面积分数减小，分布更加弥散、均匀。可见，随着控轧后的冷速从2 ℃/s增大至18 ℃/s，Q420qENH钢的组织从铁素体和少量珠光体逐渐转变为以粒状贝氏体为主的组织。

图2 控轧后以2(a,b)、6(c,d)、12(e,f)和18 ℃/s(g,h)速率冷却的Q420qENH钢的显微组织Fig.2 Microstructures of the Q420qENH steel cooled at 2 (a,b), 6 (c,d),12 (e,f) and 18 ℃/s (g,h) after controlled rolling

采用着色腐蚀的方法检测了控轧后以不同速率冷却的Q420qENH钢的M/A岛形貌，如图3所示，图中白亮色区域为含碳量较高的M/A岛。以较低速率(2 ℃/s)冷却的Q420qENH钢中M/A岛主要呈块状或长条状，较粗大。以6 ℃/s速率冷却的Q420qENH钢中M/A岛以颗粒状存在于铁素体中和以短棒状存在于晶界，数量最多，尺寸明显减小。冷速进一步提高至12和18 ℃/s，钢中M/A岛数量更多、尺寸更小。图4为控轧后以不同速度冷却的Q420qENH钢中M/A岛的面积分数统计值。以2 ℃/s速率冷却的钢中M/A岛面积分数和平均尺寸分别为3.8%和6.7 μm；冷速增大，钢中M/A岛面积分数和平均尺寸均减小，以18 ℃/s速率冷却的钢，M/A岛面积分数和平均尺寸分别为2.5%和3.2 μm。此外，当冷速从2 ℃/s提高至12 ℃/s时，钢中M/A岛的面积分数和平均尺寸均明显减小。继续提高冷速对M/A岛面积分数和平均尺寸的影响较小。从M/A岛的形态与材料力学性能之间的对应关系可知[9]，园林钢中M/A岛的平均尺寸越小、越均匀，钢的弥散强化越显著。

图3 控轧后以2(a)、6(b)、12(c)和18 ℃/s(d)速率冷却的Q420qENH钢中M/A岛的形貌Fig.3 M/A islands in the Q420qENH steel cooled at 2 (a), 6 (b),12 (c)and 18 ℃/s(d) after controlled rolling

图4 Q420qENH钢中M/A岛的面积分数和尺寸与控轧后的冷速之间的关系Fig.4 Dependence of area fraction and size of M/A islands in the Q420qENH steel on cooling rates after controlled rolling

控轧后以2和12 ℃/s速率冷却的Q420qENH钢的透射电镜组织如图5所示。以较低的速率(2 ℃/s)冷却的钢，原子能较充分地扩散，奥氏体晶界有多边形铁素体(图5(a))，且铁素体晶内和奥氏体晶界还由于C原子的扩散和富集而形成M/A岛(图5(b))；以较高的速率(12 ℃/s)冷却的钢，原子不易扩散且扩散时间缩短，晶界由于C原子扩散和聚集而形成的M/A岛较细小[10](图5(c))。此外，组织中的贝氏体片层会由于厚度方向的生长只能通过位错攀移进行，从而导致长度方向的生长速率高于厚度方向，所以M/A岛主要呈条状分布于贝氏体板条间[11](图5(d))。

图5 控轧后以2(a,b)和12 ℃/s(c,d)速率冷却的Q420qENH钢的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the Q420qENH steel cooled at 2 (a,b)and 12 ℃/s(c,d) after controlled rolling

控轧后以不同速率冷却的 Q420qENH钢中不同取向晶粒的分布如图6所示，图中不同颜色的区域表示取向不同的晶粒或亚结构。图6表明：冷速从2 ℃/s提高至18 ℃/s，钢的晶粒明显细化，且由于铁素体亚结构细小，小角度(2°≤θ≤15°)晶界数量明显增多。控轧后以不同速率冷却的Q420qEN钢的晶粒尺寸的统计值如表3所示。可见，冷速从2 ℃/s提高至18 ℃/s时，钢中不同取向晶粒的尺寸均减小，这也表明随着冷速的增大，钢的晶粒明显细化，尤其是取向差较大的晶粒的细化更为显著，更有利于提高钢的强韧性[12]。

图6 控轧后以2(a)、6(b)、12(c)和18 ℃/s(d)速率冷却的Q420qENH钢中不同取向晶粒分布Fig.6 Distributions of grains with different orientations in the Q420qENH steel cooled at 2 (a), 6 (b), 12 (c)and 18 ℃/s(d) after controlled rolling

表4为控轧后以不同速率冷却的 Q420qENH钢中小角度和大角度晶界比例的统计值。以2 ℃/s速率冷却的钢中小角度和大角度晶界的比例分别为48.3%和51.7%；随着冷速的增大，钢中小角度晶界比例减小，大角度晶界比例增大；以18 ℃/s速率冷却的钢中小角度和大角度晶界的比例分别达到了46.9%和53.1%。以较高速率冷却的钢中大角度晶界比例增大的原因在于:钢冷却较快，组织以粒状贝氏体为主，铁素体较细小，大角度晶界密度较大[13]。Q420qENH钢中大角度晶界的存在有利于抑制裂纹扩展，且其比例越大,材料的韧- 脆转变温度越低。

控轧控冷态 Q420qENH钢中的小角度晶界是决定其屈服强度的主要结构单元[14]，因此，结合上述试验结果，对控轧后以不同速率冷却的Q420qENH钢的晶粒尺寸和屈服强度进行了统计，结果列于表5。以2 ℃/s速率冷却的钢的晶粒尺寸和屈服强度分别为5.3 μm和408 MPa；随着冷速的增大，钢的晶粒尺寸减小，屈服强度提高，以18 ℃/s速率冷却的钢的晶粒尺寸和屈服强度分别为3.4 μm和497 MPa。钢的屈服强度σy可用霍尔- 佩奇公式表示[15]：

σy=σ0+kd-0.5

(1)

式中：σ0为铁素体晶格摩擦力，k为与材料有关的常数，d为晶粒尺寸。

表3 控轧后以不同率度冷却的 Q420qENH 钢中不同取向晶粒尺寸统计值Table 3 Statistical size of grains with different orientations in the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling μm

表4 控轧后以不同速率冷却的Q420qENH钢中小角度和大角度晶界的比例Table 4 Proportions of small and large angle grain boundaries in the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling %

表5 控轧后以不同速率冷却的 Q420qENH钢的晶粒尺寸和屈服强度Table 5 Grain size and yield strength of the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling

对控轧后以不同速率冷却的Q420qENH 钢的晶粒尺寸与屈服强度进行线性拟合，结果见图7。可见控轧后以不同速率冷却的 Q420qENH 钢的屈服强度与晶粒尺寸之间存在明显的线性关系，拟合得到钢的霍尔- 佩奇表达式为：

σy=79.4+22.9d-0.5

(2)

该公式可用于预测控轧控冷园林钢的屈服强度。可在Q420qENH钢控轧后的冷却过程中通过控制晶粒尺寸提高其屈服强度，以获得具有良好强韧性和低屈强比的园林用钢。

3 结论

(1)控轧后以2 ℃/s速率冷却的园林用Q420qENH钢的屈服强度不符合标准要求；冷速提高至6～18 ℃/s，钢的力学性能都满足标准要求，且以12和18 ℃/s速率冷却的钢的强度比要求值高49 MPa以上，屈强比小于0.85，力学性能良好。

图7 控轧后以不同速率冷却的Q420qENH钢的屈服强度随晶粒尺寸的变化Fig.7 Dependence of yield strength on grain size of the Q420qENH steel cooled at different rates after controlled rolling

(2)控轧后以2 ℃/s速率冷却的Q420qENH钢的组织为铁素体和少量珠光体，铁素体较粗大，其晶界有M/A岛；随着冷速从2 ℃/s提高至18 ℃/s，钢的组织从铁素体和少量珠光体转变为以粒状贝氏体为主的组织，M/A岛的面积分数和平均尺寸均减小，以18 ℃/s速率冷却的钢中M/A岛的面积分数和平均尺寸分别为2.5%和3.2 μm。

(3)当控轧后冷速从2 ℃/s提高至18 ℃/s时，Q420qENH钢中不同取向晶粒的尺寸均减小；随着冷速的增大，钢中小角度晶界比例减小，大角度晶界比例增加；以不同速度冷却的Q420qENH钢的晶粒尺寸与屈服强度之间存在线性关系，拟合得到的霍尔- 佩奇公式可用于预测控轧控冷园林钢的屈服强度。