高性能建筑结构用钢组织性能和强化机理研究

李 显，余志军，杨跃标，肖 娟

(1.广西柳州钢铁集团有限公司技术中心，广西 柳州 545002； 2.广西钢铁集团有限公司热轧厂，广西 防城港 538000)

钢结构建筑具有节能环保、可循环使用等优势，符合节能建筑和持续发展要求，被誉为21世纪的“绿色建筑”之一[1]。在当前建筑物不断向高层化和超高层化发展的趋势下，对钢结构建筑所用钢材的高强度、高韧性、窄屈服点、低屈强比、抗层状撕裂能力、焊接性、耐火性等提出了更高要求[2-3]。其中窄屈服点对钢结构建筑抗震性能的影响非常大，屈服强度波动较大会造成钢结构部件之间的强度不均衡性加强，在发生震动时导致局部变形过大而造成对整体的破坏，降低了建筑物的抗震性能，甚至导致倒塌发生[4-6]。而在工业化大生产中，高性能建筑结构用钢由于合金添加量较大，性能稳定性控制往往存在较大难度，故而有必要对高性能建筑结构用钢微合金元素的析出行为和强化机理进行研究。

1 实验材料与方法

建筑结构用钢Q420GJ，其典型成分见表1，轧制工艺见表2。Q420GJ采用Nb-V复合微合金化技术，其生产工艺流程为：KR铁水预脱硫→150T转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空精炼→板坯连铸→精整→板坯加热→除鳞→粗轧→精轧→钢板检查→入库。

表1 试验钢Q420GJ化学成分(%)

该产品的轧制工艺目标参数如表2 所示，铸坯进入加热炉前清理表面，去除火焰切割焊瘤等异物，并将其在加热炉内均热段温度控制在1230 ℃左右，保证加热时间≥200 min。加热后采用两阶段轧制，增加粗轧、精轧阶段各道次压下率，根据成品厚度分档控制钢板开轧及终轧温度，因设备限制轧后进行空冷。

本实验材料为Q420GJ的20 mm和40 mm厚度产品(以下用编号为420-20，420-40代替)，对试验材料进行常规拉伸实验，测定各试样的强度指标；采用OM和SEM进行组织观察，分析显微组织中各相组成、各相比例、组织形貌、晶粒尺寸等；在带有能谱仪的透射电镜下观察析出物形貌、检测析出物类型和化学成分，分析微合金元素含量不同的钢中，析出物类型、成分、数量和尺寸的差异；在配备EBSD的扫描电镜上进行EBSD实验，获取晶粒取向分布图以及大小角度晶界分布图等数据。

表2 试验钢Q420GJ轧制工艺参数

2 实验结果与分析

2.1 常规拉伸

在420-20，420-40厚度方向1/2处截取试样进行常规拉伸，其屈服强度、抗拉强度及延伸率见表3，可见20 mm厚度试样的屈服强度和抗拉强度均高于40 mm厚度，相较于国标要求，试验钢的性能余量充足。

表3 试验钢Q420GJ力学性能

2.2 OM观察

取厚度方向1/4处制备金相试样，将试样用砂纸研磨、抛光后，在4%硝酸酒精溶液中侵蚀，采用Zeiss金相显微镜观察试样组织。图1分别为420-20，420-40的OM组织图像。从图1中可观察到，组织基本上由铁素体和珠光体组成。使用Image-Pro-Plus软件计算铁素体和珠光体球团的体积分数，并记录在表4中，可见420-20和420-40珠光体体积分数分别为14.70%和9.72%，420-20珠光体较多与钢板厚度较薄冷却速度更快，更易发生珠光体相变有关。另外随着厚度的增加，整体压下率的降低，组织呈现粗化趋势。

2.3 SEM观察

为进一步观察各试样的高倍组织形貌，采用Nova 400 Nano场发射扫描电镜进行观察。图2为各试样的2000倍放大组织图，从中可观察到大量的珠光体球团。进一步放大珠光体区域，可从图3中观察到珠光体的片层状结构。使用Nano Measurer测量各试样的铁素体尺寸、珠光体球团尺寸、珠光体的片层间距，结果见表5，可见420-20的铁素体晶粒尺寸15.12 μm、珠光体片层间0.14 μm，均小于420-40的铁素体晶粒尺寸19.35 μm、珠光体片层间0.20 μm。在高建钢生产过程中，薄规格由于轧后冷速更快，珠光体转变温度低，珠光体片层间距减小，强度、硬度提高，塑性也变好，可见在轧后空冷的条件是适当提高冷速对组织性能较为有利。

(a)420-20 (b)420-40图1 试验钢Q420GJ的OM组织Figure 1 OM structure of Q420GJ

表4 试验钢Q420GJ珠光体、铁素体体积分数

(a)420-20 (b)420-40图2 试验钢Q420GJ的SEM组织(2000倍)Figure 2 SEM structure of Q420GJ (2000 times)

(a)420-20 (b)420-40图3 试验钢Q420GJ的SEM组织(60000倍)Figure 3 SEM structure of Q420GJ (60000 times)

表5 试验钢Q420GJ的铁素体、珠光体球团尺寸、珠光体的片层间距

2.4 析出物分析

将样品切成适当的尺寸，经机械打磨、抛光、重腐蚀、标记、喷碳、捞取碳膜，制得TEM样品，使用高分辨透射电子显微镜观察析出形貌。

图4为观察到的420-20、420-40试样的析出物图像，图片(a)(b)为小尺寸析出物，图片(c)(d)为大尺寸析出物，其尺寸达到几十到几百纳米不等。使用Nano Measurer软件测量析出物尺寸，并使用Origin软件绘制了析出物尺寸柱状分布图(如图5)。由柱状图可知，析出物尺寸大部分集中在0～15 nm范围内，其中，超过50%的析出物尺寸在5～10 nm范围内。

(a)420-20小尺寸析出物；(b)420-40小尺寸析出物；(c)420-20大尺寸析出物 ；(d)420-40大尺寸析出物。图4 试验钢Q420GJ的析出物高倍形貌Figure 4 High profile of precipitates of steel Q420GJ

析出物尺寸较大时，其析出强化的效果微弱，故在本实验中，忽略析出物尺寸大于100 nm时的析出强化效果。经统计得到，420-20试样的析出物平均尺寸为11.14 nm，使用Image-Pro-Plus计算出析出物体积百分数为0.162%。420-40试样的析出物平均尺寸为12.18 nm，使用Image-Pro-Plus计算出析出物体积百分数为0.174%。

图6为试样的能谱结果，析出物元素百分比见表6。从图6中可观察到，大尺寸的析出物呈方形(如谱2、4)或者椭球形(谱5)，细小析出物(谱3)呈聚集的胞状或链状分布。由表5知，大尺寸析出物中均含有一定的Nb、Ti以及C元素，个别颗粒中含有极少量的V；而小尺寸析出物中几乎全部都为C元素，含有少量的Nb、V、Ti元素。通常情况下，大尺寸析出物形成于高温阶段，细小析出物形成于低温阶段，为提高高性能建筑结构用钢的性能稳定性及微合金元素的强化效果，需对其析出物进行稳定性控制。

图5 试验钢Q420GJ析出物尺寸柱状分布图Fig.5 Columnar distribution of precipitation size of Q420GJ

图6 试验钢Q420GJ析出物的高倍形貌及对应的能谱结果Figure 6 High power morphology and corresponding energy spectrum results of precipitates in Q420GJ

2.5 EBSD分析

图7给出了各试样的晶粒取向分布图。由图7可以看出，组织中没有明显的择优取向，晶粒基本为随机分布。此外，对于同一钢种而言，20 mm厚度的组织要明显比40 mm厚度的组织细小。

表6 试验钢Q420GJ析出物元素百分比表

(a)420-20 (b)420-40图7 试验钢Q420GJ的晶粒取向分布图Figure 7 Grain orientation distribution of Q420GJ

图8给出了2个试样的晶界角度分布图。红色曲线表示晶界角度为2°～5°的晶界，绿色曲线表示晶界角度为5°～15°的晶界，蓝色曲线表示晶界角度大于15°的晶界，图右侧给出了对应的0～60°晶界角度的百分数柱状图。由图可知，420-20试样的大部分晶界角度在2°～5°的范围内，而420-40试样的晶界角度则相对较大。

(b)420-40图8 试验钢Q420GJ的晶界分布图Figure 8 Grain boundary distribution of Q420GJ

3 微合金元素强化机理分析

根据显微组织和析出物分析等实验结果，统计晶粒尺寸、析出物含量和尺寸等数据，利用公式(1)～(5)计算各种强化机制的贡献，分析微合金元素对高性能建筑结构钢的强化机理。

微合金钢的强化方式包括点阵阻力强化、固溶强化、位错强化、细晶强化、沉淀强化等，根据拓展的Hall-Petch公式[7]，其屈服强度可由公式(1)进行计算：

σ=σ0+σs+σg+σp+σd

(1)

式中，σ为屈服强度；σ0为钢的点阵阻力强化；σs为固溶强化；σg为细晶强化；σp为析出强化；σd为位错强化。

根据文献[8]，钢的基础强度为基本点阵阻力P-N，即位错运动需要克服的点阵阻力，取σ0=48 MPa。

固溶强化可用以下公式表示：

σs=4570[C]0.5+4570[N]0.5+37[Mn]+83[Si]+470[P]+3[V]+80[Ti]-30[Cr]

(2)

式中，[X]为各元素在铁素体中的质量分数(单位为%)。对于碳元素的固溶强化作用，由铁碳相图知，727℃时碳元素在铁素体中的溶解量达到最大，为0.0218%。随温度的降低，铁素体中不断析出渗碳体，铁素体中的溶碳量减小，300 ℃以下时小于0.001%。因此，可认为几乎所有碳存在于渗碳体中。钢中的N几乎全部以TiN形式析出，故可忽略不计。合金元素 Si、Mn为铁素体形成元素，基本全部固溶于铁素体基体中，故[Si]、[Mn]均为初始量。而Nb、V、Ti等微合金元素在室温下呈析出状态，因此也忽略其在固溶强化中的影响。代入钢种的化学成分，计算得到的Q420GJ固溶强化值σS为93.86 MPa。

细晶强化是通过晶粒细化使材料的晶界所占比例提高从而阻止位错滑移所产生的强化。细晶强化是各种强化机制中唯一使材料强化的同时并使之韧化的最为有利于钢铁材料强韧化的方式。根据Hall-Petch公式，细晶强化的强度增量与晶粒尺寸的关系可用以下公式表示：

σg=kyd-1/2ΔσG=17.402d-1/2

(3)

式中，ky为比例系数，钢铁材料中ky的数值在14.0-23.4 MPa·mm1/2之间，由于试验材料为低碳钢，所以ky采用17.4 MPa·mm1/2。d为平均晶粒尺寸(单位为mm)。代入前文中统计得到的420-20、420-40平均晶粒尺寸：15.12 μm、19.35 μm，计算得到的试样的细晶强化值σg分别为141.52 MPa、125.10 MPa。

钢铁材料中绝大部分情况下第二相的尺寸均大于临近转换尺寸，因而其强化机制主要是Orowan机制，可以用Ashby-Orowan模型进行描述，即沉淀强化效果与第二相体积分数的二分之一次方成正比，与第二相颗粒的尺寸大小成反比，析出强化可用以下公式表示：

(4)

式中，G为剪切模量(取8.3×104MPa)，取b为柏氏矢量 (0.248 nm)，f为析出物体积分数(420-20、420-40分别为0.162%、0.174%)，x为析出物平均尺寸(分别为11.14 nm、12.18 nm)，计算得到420-20、420-40析出强化值σP分别为124.10 MPa、121.35 MPa。

钢铁材料中的位错强化主要是源于基体中的滑移位错运动时邻近的其它位错与之发生各种交互作用，使其运动受阻而产生强化效果，位错强化是钢铁材料中目前最有效的强化方式之一。钢铁材料中获得大量位错的工艺技术措施包括塑性变形和固态相变，对于一般的热轧钢带来说，压下量越大，终轧温度越低，卷取温度越低，位错密度则越高，则位错强化的贡献也越大[9]，位错强化可用以下公式表示：

σd=aGbρ1/2[10]

(5)

式中，α为位错强化因子(取0.38)，G为剪切模量(取8.3×104MPa)，b为柏式矢量(0.248 nm)，ρ为位错密度。对于铁素体珠光体钢来说，位错密度不像贝氏体、马氏体具有较高水平的位错密度[11]，位错密度按20 mm厚度取1×1010/cm2、40 mm厚度取0.5×1010/cm2计算，得到20 mm和40 mm厚度试样中位错强化σd分别为78.22 MPa和55.31 MPa。

计算得到的四种试样的各强化机制的贡献值汇总在表7中, 可见高建钢中的强度贡献大小为细晶强化>析出强化>位错强化>固溶强化>晶格点阵强化，其中细晶强化及沉淀强化的强化效果最显著。对于20 mm、40 mm不同厚度钢板而言，特别是细晶强化、位错强化的差别较大，可见大压下率可有效提高细晶强化及位错强化效果。

表7 各强化机制的贡献值以及总屈服强度计算值(MPa)

4 结论

(1)高性能建筑结构用钢的显微组织基本上由铁素体和珠光体组成，薄规格420-20珠光体体积分数14.70%>厚规格420-40珠光体体积分数9.72%，薄规格420-20的铁素体晶粒尺寸15.12 μm、珠光体片层间0.14 μm，均小于厚规格420-40的铁素体晶粒尺寸19.35 μm、珠光体片层间距0.20 μm。

(2)高性能建筑结构用钢的析出物尺寸大部分集中在0～15 nm范围内，其中超过50%的析出物尺寸在5～10 nm范围内。420-20试样的析出物平均尺寸为11.14 nm，析出物体积百分数为0.162%。420-40试样的析出物平均尺寸为12.18 nm，析出物体积百分数为0.174%。

(3)高性能建筑结构用钢的的晶粒基本为随机分布，组织中没有明显的择优取向，420-20试样的大部分晶界角度在2°～5°的范围内，而420-40试样的晶界角度则相对较大。

(4)高性能建筑结构用钢的强度贡献大小为细晶强化>析出强化>位错强化>固溶强化>晶格点阵强化，其中细晶强化及沉淀强化的强化效果最显著，对强度的贡献超过50%。对于不同厚度钢板而言，特别是细晶强化、位错强化的差别较大，可见大压下率可有效提高细晶强化及位错强化效果。