建筑装饰用钢的热处理与性能研究

周 佳

(马鞍山师范高等专科学校 艺术设计系,安徽 马鞍山 243000)

0 引言

现代化建筑高度增加、层数增多以及跨度增大的特点,给建筑装饰用钢的综合性能提出了较高要求,其中良好的塑性和冲击性能是除高强和良好焊接性能之外的特殊要求。新材料的开发需要与之匹配的新工艺,目前国内外在高层建筑装饰用钢的工艺研发方面主要集中在淬回火、正火等[1-2],所得到的建筑装饰用钢很难实现高强与高韧塑性的结合,对于等温淬火后进行回火的热处理工艺的研究较少[3-4]。本文在对已有的中碳低合金钢成分优化的基础上,研究了等温淬火和回火对建筑装饰用钢组织和性能的影响,以期开发出高综合性能的建筑装饰用钢。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

以中国宝武钢铁集团有限公司制备的厚度20 mm热轧板坯为试验原料,具体制备工艺为:真空感应熔炼后置于纳博热(Nabertherm)高温炉中进行1 225 ℃保温12 h的均匀化退火,空冷至开轧温度(1 175 ℃)后进行多道次轧制直至得到厚18 mm热轧板坯,终轧温度为875 ℃,然后空冷至室温。采用光谱法测得热轧板成分为w(C)=0.36%、w(Si)=1.44%、w(Mn)=1.01%、w(P)=0.009%、w(S)=0.004%、w(Cr)=1.03%、w(Ni)=1.02%、w(Cu)=0.12%,余量为Fe。采用Gleeble-3 800型热模拟试验机测得热轧钢板的Ac1、 Ac3和Ms温度分别为778 ℃、816 ℃和210 ℃。由此设计热轧钢板的等温淬火-回火工艺为:将热轧板坯加热至完全奥氏体(A)化温度875 ℃保温1 h后,降温至585 ℃进行变形量30%的压缩变形处理,然后进行315 ℃/(45 min)等温淬火后空冷至室温得到等温淬火态试样,之后再进行235～435 ℃保温1 h的回火并空冷至室温。

1.2 测试与表征

等温淬火态和回火态试样经过镶嵌和磨抛后,采用体积分数为3.5%的酒精溶液腐蚀后置于Leica DM6M型金相显微镜进行观察;采用SU5000型扫描电镜对显微形貌和断口形貌进行观察;采用Tecnai G2 F30型透射电镜对微观组织结构进行观察;在岛津AGS-X型万能试验机上进行拉伸速率1.5 mm/min的室温拉伸性能测试,最终结果取3个试样的平均值;室温冲击性能测试在JBW-300B型微机控制冲击试验机上进行。拉伸试样和冲击试样尺寸如图1.

图1 拉伸试样和冲击试样尺寸Fig.1 Dimensions of tensile and impact specimens

2 结果及讨论

图2为建筑装饰用钢的光学显微组织。等温淬火态试样的组织为灰色残余A+黑色针状下贝氏体(B);

经过235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保温1 h的回火处理后,基体组织中的A组织随着回火温度升高而逐渐减少直至消失,而B组织的板条界面则随着回火温度升高而逐渐钝化。此外,235～435 ℃回火热处理后的光学显微组织中虽然可见A和B组织的变化规律,但是回火过程中是否有碳化物则无法分辨。

图3为建筑装饰用钢的扫描电镜显微组织。等温淬火态试样中可见黑色块状A组织；而经过235 ℃保温1 h的回火处理后,基体组织中大部分A组织消失,虽然没有发现碳化物析出,但是局部可见细小B铁素体形成,这主要是因为此时的回火温度高于Ms所致[5];当回火温度升高至285 ℃时,保温1 h后的试样中的黑色块状A基本消失并分解成渗碳体和铁素体。

图4为建筑装饰用钢的透射电镜显微组织。等温淬火态试样中可见白色/灰色残余A以及板条界面清晰的B;经过235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保温1 h的回火处理后,基体组织中的块状A含量逐渐减少并转变为B组织,而B板条界面也逐渐模糊。在这个回火过程中,块状A的分解使得残余A中的碳含量升高而变得愈发稳定[6],且由于试验用钢中有较高的Si含量(w(Si)=1.44%),在回火过程中会强烈抑制残余A中碳化物的析出[7],两方面共同作用下会使得未发生分解的残余A中聚集浓度较高的碳原子并最终转变成无碳化物B,这种在B板条间形成的薄膜状残余A可以减小碳化物析出的不利影响并有助于改善试验用钢的韧塑性[8]。此外,沿着某一方向分布的B板条间薄膜状残余A还会将铁素体板条分割成细小层片状,这种在回火过程中形成的复合组织有助于减小裂纹尖端应力集中并抑制裂纹扩展[9],从而在一定程度上改善材料的韧塑性。

表1为建筑装饰用钢的室温拉伸性能测试结果。等温淬火态试样的抗拉强度和规定塑性延伸强度分别为1 822 MPa和1 027 MPa,而断后伸长率仅为5.19%,较高的强度和较低的塑性使得此时材料的强塑积较小,约9 456 MPa%;经过235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃和435 ℃保温1 h的回火处理后,试验用钢的抗拉强度和规定塑性延伸强度虽有不同程度减小,但是断后伸长率却有明显提升,反映在强塑积上则表现为回火态试样的强塑积明显高于等温淬火态试样,且在回火温度为285 ℃时取得最大的强塑积,约为33 612 MPa%,相较于等温淬火态提高255%。等温淬火态试样具有较高的强度和较低的塑性,这是因为等温淬火态试样保留了热轧态试样中的高密度位错以及形成了针状B组织[10];经过回火处理后,试验用钢的基体组织会发生位错密度降低以及B的碳原子重组[11],加工硬化作用降低的同时减弱了固溶强化效果,抗拉强度会有所降低,而断后伸长率则会由于位错回复而增加。综合而言,在回火温度为285 ℃时,等温淬火-回火态试样取得了较高的强度和最大的强塑积。

表1 建筑装饰用钢的室温拉伸性能Table 1 Tensile property of building decoration steel at troom temperature

图5为建筑装饰用钢的室温冲击性能测试结果。等温淬火态试样的室温冲击吸收能量明显低于回火态试样,前者的室温冲击吸收能量约19 J,而后者的室温冲击吸收能量都在31 J以上。随着回火温度从235 ℃上升至435 ℃,试验用钢的室温冲击吸收能量呈现逐渐降低的趋势。等温淬火态试样具有较低的冲击吸收能量，这主要与此时基体组织中含有韧塑性较差的块状A组织有关[12]。而经过235～435 ℃回火热处理后,块状残余A逐渐消失,基体组织中还出现了韧塑性较好的复相组织,此时的冲击性能会有所提升；但是回火温度的升高会造成B板条的粗化,从而在一定程度上降低冲击韧性，并造成室温冲击吸收能量随着回火温度升高而减小。

图5 建筑装饰用钢的室温冲击性能Fig.5 Impact property of building decoration steel at room temperature

图6 等温淬火态和回火态试样的室温冲击断口形貌Fig.6 Impact fracture morphology of isothermal quenched and tempered specimens at room temperature

图6为等温淬火态和回火态试样的室温冲击断口显微形貌。等温淬火态试样的冲击断口中可见细小的解理小面、局部微孔聚集和撕裂棱,呈准解理断裂形态;经过235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保温1 h的回火处理后,试验用钢的冲击断口主要以尺寸不等、深度不一的韧窝和撕裂棱为主,表明回火态试样主要以韧性断裂为主。对比分析可知,当回火温度为235 ℃、285 ℃和335 ℃时,冲击断口中韧窝较深、尺寸较大且撕裂棱数量较多,表明此时具有较好的冲击韧性;而当回火温度升高至385 ℃及以上时,冲击断口中韧窝变浅、数量变少,并在435 ℃的冲击断口中基本看不到尺寸较大以及较深的韧窝存在,此时的室温冲击韧性较差。等温淬火态和回火态试样的室温冲击断口形貌与图5的室温冲击性能测试结果保持一致,即在回火态试样的室温冲击韧性优于等温淬火态,且回火温度在235～335 ℃时具有较好的冲击韧性。

3 结论

1)等温淬火态试样的组织为灰色残余A+黑色针状下B;随着回火温度从235 ℃升高至435 ℃,基体组织中的块状A含量逐渐减少并逐渐转变为B铁素体,而B板条界面逐渐钝化。

2)等温淬火态试样的抗拉强度和规定塑性延伸强度分别为1 822 MPa和1 027 MPa,而断后伸长率仅为5.19%;经过235～435 ℃回火后,回火态试样的强塑积明显高于等温淬火态试样,且在回火温度为285 ℃时取得最大的强塑积,约为33 612 MPa%,相较于等温淬火态提高了255%。

3)等温淬火态试样的室温冲击吸收能量明显低于回火态试样,前者的室温冲击吸收能量约19 J,而后者的室温冲击吸收能量都在31 J以上。随着回火温度从235 ℃上升至435 ℃,试验用钢的室温冲击吸收能量呈现逐渐降低的趋势。