回火时间对高强抗震耐火钢板组织与力学性能的影响

陆春祥， 林田子， 曹建春， 高 鹏， 詹 放， 刘 星

(1. 昆明理工大学 材料科学与工程学院, 云南 昆明 650093；2. 攀钢集团研究院有限公司 钒钛资源综合利用国家重点实验室, 四川 攀枝花 617000;3. 鞍钢集团钢铁研究院, 辽宁 鞍山 114009； 4. 南京钢铁有限公司, 江苏 南京 210035)

耐火钢是在普通C-Mn钢中加入Mo、Nb、Ti、V等微合金元素，在生产过程中采用控轧控冷技术，使其在600 ℃保温1～3 h后的屈服强度保持不低于室温屈服强度的2/3水平，从而增强建筑物抵抗火灾能力，提高安全性，为人员逃生和财产转移提供充足的时间[1-4]。同时耐火钢还要满足建筑物其他性能的要求，比如良好的抗震性、延展性、焊接性、耐腐蚀性等。随着建筑物不断向高层化、复杂化发展，对建筑用耐火钢板的耐火性、抗震性等提出越来越高的要求。耐火钢的性能主要受微观结构和析出相的影响，发生火灾时随着温度升高，钢中的析出相形核长大、固溶体中合金元素浓度降低，使钢的强度随着微观结构的改变而降低[5-6]。

热处理对钢的组织演变、析出相析出规律和力学性能影响的研究一直以来受到国内外研究者的广泛关注。姜金星等[7]研究了NM450耐磨钢在不同回火工艺下组织和硬度的变化规律。结果表明回火温度对NM450钢的硬度产生了非常显著的影响，回火后NM450钢的硬度出现了下降。薛维华等[8]研究发现缩短回火时间有利于提高中碳铌微合金钢的强度，延长回火时间有利于提高中碳铌微合金钢的塑性与韧性。马龙腾等[9]对Q460FRW耐火钢在600 ℃保温前后的组织与析出相进行了研究，表明热轧组织为粒状贝氏体和针状铁素体，600 ℃保温后，粒状贝氏体中的M/A逐渐分解，针状铁素体逐渐宽化，平衡态析出相中有MX(M=Nb, Ti; X=C, N)。郭艳坤等[10]研究了不同温度热处理工艺对590 MPa无Mo耐火钢的组织、微结构及性能的影响，表明770 ℃为最佳正火温度，经高温回火后，试验钢中仍含有大量针状铁素体，保证了耐火性。相关研究[11-14]表明，耐火钢板经过不同工艺热处理会直接影响其显微组织与力学性能，合理的热处理工艺可以降低生产成本的同时显著提升耐火钢的综合力学性能。当前鲜见关于不同热处理工艺对690 MPa级耐火钢板影响的研究，因此本文针对一种新开发的690 MPa级复合微合金化高强抗震耐火钢板，研究了不同保温时间回火对其力学性能和微观组织的影响，旨在探究该级别高强抗震耐火钢板在回火过程中的组织演变规律，探索出节能高效的热处理工艺，并为实际生产提供参考依据。

1 试验材料与方法

采用100 kg真空感应炉冶炼出150 mm厚的钢锭，再将钢锭轧制成28 mm厚的板材。轧制时，先将板坯进行奥氏体化，再进行两道轧制工艺。一次开轧温度范围为1080～1100 ℃，终轧温度≥1000 ℃。在850 ℃左右进行二次开轧，二次终轧温度为800 ℃，水冷。经检测试验用耐火钢的化学成分(质量分数，%)为0.07～0.09C、0.20～0.4Si、1.5～1.8Mn、≤0.15Ti+Nb+V、≤0.005S、0.3～0.6Mo、≤1.5Ni+Cu。将热轧水冷态耐火钢板在600 ℃下分别回火保温15、30、60、120 min，出炉后空冷至室温，并进行力学性能测试和显微组织的表征分析。

将耐火钢板加工成棒状拉伸试样，用Z600电子拉伸材料试验机进行室温拉伸试验；采用ZBC2602全自动冲击试验机测试-40 ℃的冲击吸收能量，冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口角度为45°，深度为2 mm，底部曲率半径为0.25 mm；用DHV-1000型数显显微维氏硬度计测试表面硬度，加载载荷取9.8 N，加载15 s，每个状态耐火钢板测试10个点，求平均值。制备尺寸为10 mm×10 mm×10 mm金相试样并打磨抛光，用4%(体积分数，下同)的硝酸酒精溶液腐蚀，通过AXIOVERT40 MAX型光学显微镜(OM)和TESCAN VEGA3型钨灯丝扫描电镜(SEM)观察显微组织；切取500 μm薄片样，经机械减薄至60 μm左右，并制成φ3 mm的薄片样，在6%高氯酸酒精溶液中(恒压30 V、-15 ℃)用电解双喷减薄仪进行减薄，采用Tecnai G3 TF30 S-Twin透射电镜(TEM)观察分析微观组织及析出相成分、形貌、尺寸和分布情况。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

表1为690 MPa高强抗震耐火钢板在热轧态及600 ℃回火不同时间的拉伸性能和-40 ℃低温冲击吸收能量。热轧水冷态耐火钢板具有较高的抗拉强度、屈服强度和-40 ℃冲击吸收能量，分别为958 MPa、776 MPa和156 J，而屈强比为0.81，伸长率为16%，此时塑韧性较差。对比发现，经600 ℃回火不同时间后，耐火钢板的屈服强度基本上逐渐降低，当保温时间为60 min时又突然提高到762 MPa，抗拉强度则随着保温时间的延长逐渐降低。回火后屈强比相对于热轧水冷态有所降低，而伸长率则提高，有利于耐火钢板的抗震性且获得了较优异的塑韧性；而冲击吸收能量随着回火时间的延长逐渐降低，这是由于回火保温时间决定渗碳体的长大程度，随回火时间的延长，渗碳体的聚集长大导致冲击吸收能量降低[15]。当回火时间为120 min时，冲击吸收能量为102 J，低温冲击吸收能量均符合该级别耐火钢的低温冲击吸收能量大于69 J要求。综合来看，690 MPa级高强抗震耐火钢板在600 ℃ 回火不同时间后的室温力学性能均满足要求(屈强比≤0.85、断后伸长率≥18%)，当回火保温时间为15 min 时，该耐火钢具有最优异的综合力学性能。

表1 试验钢板经600 ℃回火不同时间后的力学性能

图1为热轧水冷态及600 ℃回火不同时间耐火钢板的表面硬度。回火后耐火钢表面硬度均比热轧水冷态低，随着回火时间的延长而降低，但下降的幅度逐渐减小，回火对耐火钢板表面硬度的影响随着时间的延长逐渐减弱。热轧水冷态耐火钢中微合金元素的固溶强化作用使其具有较高的硬度，在回火过程中一部分碳原子发生偏聚，马氏体基体中碳原子的含量下降而使硬度下降。

图1 600 ℃回火不同时间后试验钢板的表面硬度

2.2 断口形貌

图2为耐火钢板低温冲击断口的宏观及微观形貌，耐火钢板断口中均存在不同程度的断口分离现象(图2(a1～e1))。热轧水冷态及回火保温时间为15、30 min时，断口表面有明显的起伏，纤维区和剪切唇面积大，断口上布满了清晰的撕裂棱(图2(b1～c1))；断口形貌中存在尺寸较大的等轴韧窝和抛物线韧窝，周围还围绕着尺寸较小的等轴韧窝，韧窝的深度较大(图2(b2～c2))，属于典型的韧性断裂。当回火时间为15 min时，个别韧窝中含有第二相粒子，塑性变形显著，具有较高的冲击性能。

图2 600 ℃回火不同时间后试验钢板-40 ℃冲击断口宏观(a1～e1)及微观形貌(a2～e2)

随着回火时间的延长，断口中纤维区和剪切唇所占面积减少，韧窝所占区域、韧窝尺寸和深度逐渐减小，存在明显的放射区特征且放射区面积增大，断口整体较平整，塑性变形程度有所下降。回火时间达到60 min 时，韧性区已经出现了微裂纹扩展的趋势，断口中出现解理台阶，部分区域存在少量小而浅的韧窝；回火时间为120 min时，低温冲击断口形貌为扇形解理花样，断口中基本没有韧窝的存在。这种形貌为准解理断裂[16]。回火保温时间为60、120 min时的冲击吸收能量降低。通常情况下可以根据断口中剪切唇、纤维区和放射区所占比例，及微观结构判断材料的韧性，当试样条件一样时，纤维区和剪切唇越大说明材料的塑韧性越好，而放射区在断裂过程中所消耗的能量小，裂纹扩展及断裂过程中能量主要消耗在塑性变形而形成的纤维断口上[14]。冲击断口形貌与性能结果一致，回火时间为15 min和30 min时断裂方式为韧性断裂，具有较高的低温冲击性能。

2.3 显微组织

图3是热轧水冷态及600 ℃回火不同时间后高强抗震耐火钢板的显微组织。热轧水冷态耐火钢板的组织为板条马氏体、少量针状铁素体和粒状贝氏体，其粒状贝氏体由M/A岛和贝氏体铁素体组成。在轧制冷却过程中采用水冷，冷速较大，大量微合金元素来不及析出而固溶在基体中，强化了基体从而有较高的强度和硬度。经过不同时间回火后，热轧水冷态耐火钢板组织中的残留奥氏体被大量细化分解，生成贝氏体组织，其板条形貌特征弱化，晶粒间出现融合长大现象。回火时间小于等于30 min时，耐火钢板显微组织中还能观察到板条马氏体形态(图3(b，c))，其板条状晶界变得模糊，表明此时马氏体已经被分解，但由于保温时间较短而使部分马氏体保留下来，同时生成大量贝氏体。贝氏体+铁素体+马氏体的复相组织可使耐火钢具有优异的综合力学性能，这种贝氏体含量较高的复相组织有利于强度和韧性，且在高温时具有较好的稳定性，有利于耐火钢的高温性能[17]。板条马氏体随着回火时间的延长逐渐被分解，板条晶界变得模糊，当保温时间延长到120 min时基本不存在马氏体特征，获得回火索氏体，使伸长率提高，回火过程中这种组织转变是抗拉强度降低的重要原因。

图3 600 ℃回火不同时间后试验钢板的显微组织

确定微合金元素在耐火钢组织中的分布与析出情况有助于更深入地研究其强化机理。图4和图5分别为600 ℃回火15、120 min后耐火钢中微合金元素分布情况，对比发现随着回火保温时间的延长，粒状组织减少且被细化。在轧后冷却过程中，Mo原子运动能力较小，Mo原子不会在马氏体和奥氏体之间再分配，温度进一步降低，部分残留奥氏体转变为贝氏体，在这阶段会形成Mo的碳化物，而C原子具有较大的扩散能力，C大量富集于马氏体和针状铁素体中，多余的C则保留在残留奥氏体中。保温时间为15 min时，在粒状贝氏体中均有少量Mo和Ti存在，而Nb主要分布在铁素体基体上和粒状组织边界处，该耐火钢板中V含量低，几乎没有观察到V的偏聚。回火时间为120 min时，Nb和Ti主要分布在亮白色的细小颗粒中，Mo没有明显的分布规律，热轧态耐火钢中富C的马氏体及奥氏体经过回火后被分解，C较为均匀地分布于基体及粒状组织中。

图4 600 ℃回火15 min后试验钢板的微观形貌(a)及微合金元素分布(b～f)

图5 600 ℃回火120 min后试验钢板的微观形貌及微合金元素分布

2.4 复合析出行为

图6为在600 ℃回火保温不同时间后试验钢板的TEM图像。经过600 ℃回火15、30 min后耐火钢中还存在板条状马氏体，此时的马氏体中碳含量有所降低，铁素体和马氏体中均能观察到有位错和细小碳化物颗粒，有利于提高耐火钢板的强度和延展性，而纳米级析出物能够在600 ℃的高温拉伸时钉扎位错，有利于在高温下仍能保持较高的强度。随着回火时间的延长，位错密度逐渐降低，只有部分被析出相钉扎的稳定位错被保留下来，位错的回复和消耗造成了强度的下降。然而，由于位错密度的降低并逐渐趋于稳定，加上M/A岛的分解和大面积软相的形成，减缓了渗碳体颗粒造成的塑性损失，材料的塑性得到改善，伸长率得到提高。马氏体板条状特征逐渐弱化，保温时间为120 min时基本观察不到马氏体位向，形成回火索氏体。

图6 600 ℃回火不同时间后试验钢板的TEM图像

回火不同时间后耐火钢板中的析出相形貌、分布及其元素组成如图7所示，在TEM图像中白色颗粒为耐火钢板中的析出相，黑色小孔洞为在电解双喷的过程中，试样中的析出相被喷掉而留下的孔洞，观察发现耐火钢板中合金碳化物主要有方形和球形两种形貌，尺寸分布不均一。当回火保温时间较短时，析出相主要为富Nb的Nb、Ti碳化物，尺寸较小，主要分布于晶界处，此时碳化物中基本没有Mo，这是由于Mo在铁素体中有较高的固溶度积所致，需要较高的能量才能析出。而当回火保温时间延长到60 min和120 min后，碳化物颗粒显著增加，有大量碳化物弥散分布于基体中，可以发挥沉淀强化作用，在一定程度上减缓了由于生成铁素体造成的强度损失，其中，部分碳化物有明显的粗化现象，从能谱中可知此时主要为Mo、Nb和Ti的复合碳化物。

图7 600 ℃回火不同时间后试验钢板中析出相的形貌及EDS分析

在回火过程中有大量的碳化物析出，能够给基体带来一定的强化作用，但它的作用不能弥补铁素体造成的强度损失，所以在600 ℃回火保温过程中，随着回火时间的延长，抗拉强度和硬度下降。随着回火时间继续延长，碳化物析出使马氏体基体含碳量下降，碳化物不断球化和长大，铁素体发生回复和再结晶，因此硬度进一步降低。

3 结论

1) 热轧水冷态耐火钢板经过600 ℃回火后强度稍有降低，但伸长率增大，屈强比降低，提升了综合力学性能，表面硬度和-40 ℃冲击吸收能量随着回火保温时间的延长逐渐降低。最优回火保温时间为15 min，此时的屈服强度为976 MPa、硬度为396 HV，-40 ℃冲击吸收能量为164 J，冲击断口中存在大量等轴韧窝和抛物线韧窝，个别韧窝中含有第二相粒子，塑性变形显著。

2) 热轧水冷态耐火钢板的组织由板条马氏体、少量针状铁素体、粒状贝氏体和M/A岛组成。经过600 ℃回火后，热轧水冷态耐火钢板组织中的板条马氏体被分解，其板条形貌特征弱化，晶粒间出现融合长大现象。回火保温时间小于30 min时，耐火钢板显微组织中还保留有部分板条马氏体，获得由贝氏体+铁素体+少量回火马氏体的复相组织，使耐火钢板具有优异的综合力学性能。当回火保温时间延长到120 min时，基本不存在马氏体特征，其显微组织主要为回火索氏体。

3) 当回火保温时间较短时，析出相主要为富Nb的Nb、Ti碳化物，基本没有含Mo析出相的析出，保持细小尺寸分布于晶界处。随着回火保温时间的延长，碳化物颗粒显著增加，主要为Mo、Nb和Ti的复合碳化物，部分碳化物有明显的粗化现象，弥散分布于基体中，在一定程度上减缓了铁素体造成的强度损失。