黃 山,高 雅,贠 冰,孫建林,段雙霞

(1.北京科技大學材料科學與工程學院,北京100083;2.太鋼集團臨汾鋼鐵有限公司,山西臨汾041000)

Q460鋼是GB/T 1591《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》標準中最高強度的一個牌號[1],與普通低碳鋼相比,Q 460C鋼在合金設計上采用微量元素Nb、V、Ti等合金化,鋼的碳含量偏低,軋鋼工藝采取控制軋制[2-3]。Q460C鋼作為高強度結(jié)構(gòu)鋼板被廣泛應用,但由于其Nb含量較高,易造成連鑄坯表面裂紋[4],因此應在成分設計和控軋控冷方面采取優(yōu)化措施來減少和避免裂紋的產(chǎn)生。為此,本文從軋制過程的控軋控冷入手,研究終軋溫度和軋后冷卻速度對Q460C鋼組織和相變的影響,以期為生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

1 試驗與方法

試樣取自Q460C連鑄坯,其化學成分如表1所示。將連鑄坯熱鍛成厚度為100 mm若干坯樣,選取其中幾個鍛后鑄坯,并沿厚度方向切取為圓柱型試樣,中間壓縮部分為φ8 mm×17 mm,兩端夾緊部分為φ10 mm×35 mm,試樣數(shù)為10件。

表1 Q460C連鑄坯化學成分(w B/%)Table 1 Chem ical compositions of Q460C steel

在Gleeble-1500熱應力/應變模擬實驗機上進行試驗測試。圖1為試驗方案。試驗方案分為模擬粗軋和精軋2個階段。粗軋溫度為1 050℃,變形為20%;精軋方案如表2所示,各道次之間的溫降時間為Δt=5 s。

圖1 試驗方案Fig.1 Experimental scheme

表2 精軋方案Table 2 Fine rolling process

對壓縮前的鍛樣進行磨樣觀察,重點觀察壓縮后試樣中心部位的組織形貌和生成壓縮過程的熱脹曲線,并對試樣組織演變和相變析出進行分析研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣組織的不均勻性

從鍛樣、熱壓縮后的試樣中可直觀地看到大量C的偏析,造成鋼組織中有大量的團簇狀珠光體的存在(見圖2)。團簇狀珠光體的存在造成試樣組織中的軟硬相帶,在軋制過程中,軟硬相帶交替存在,易造成不均勻變形。珠光體作為硬相,在變形中流動性較差,而鐵素體作為軟相,在受力變形時優(yōu)先于珠光體或夾雜等硬脆相先變形,造成位錯塞積加劇和組織不均勻性增大,易形成裂紋。

圖2 試樣基體中分布的團簇狀珠光體結(jié)構(gòu)Fig.2 M icrostructure of nodular pearlite in basal body

從試驗拍攝的金相組織照片(見圖2(b))看,整個試樣組織晶粒分布不均勻,有較明顯的再結(jié)晶不完全現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可能與試驗條件有關,原因是受試樣體積所限,在試驗過程中初始變形道次,粗軋溫度較低且壓下量較小,以致造成再結(jié)晶不完全。

2.2 終軋溫度對試樣組織和相變的影響

2.2.1 終軋溫度對晶粒度的影響

終軋溫度會改變變形后材料的儲存能和晶界遷移率,從而影響N/G(再結(jié)晶形核速率N與再結(jié)晶晶粒成長速度G之比),降低終軋溫度會增加N/G,使得再結(jié)晶晶粒細化。但變形溫度上升對N/G的影響很小[5-6]。圖3為不同終軋溫度下以10℃/s冷卻后試樣的金相組織照片。由圖3可看出,780℃時的終軋試樣細晶鐵素體數(shù)量較多,晶粒尺寸相對均勻。

圖3 不同終軋溫度下以10℃/s冷卻后試樣的金相組織Fig.3 M icrostructures of the steel after cooling at 10℃/s from differen t fin ishing tem peratures

2.2.2 終軋溫度對相變的影響

由熱壓縮數(shù)據(jù)所作試樣的熱膨脹曲線來看(見圖4),在620～630℃時有一個明顯的膨脹量。由此可判斷,在620℃左右時材料發(fā)生相變(膨脹),膨脹的原因可能是在低冷卻速度下,A→F相變繼續(xù),產(chǎn)生的相變熱使得材料體積膨脹。一方面這種相變回熱會使鋼板溫度升高,可能引起鐵素體晶粒的長大;另一方面,這種相變熱造成試樣中心部位溫度高于表面溫度,試樣中心部位膨脹量大于表面膨脹量,使表面處于拉應力狀態(tài),從而加速表面裂紋的擴展。

通過擬合比較膨脹曲線發(fā)現(xiàn),不同冷卻速度下,試樣膨脹量、膨脹溫度和膨脹速率存在差異。相同軋制工藝下,冷卻速度分別為5、10℃/s時,終軋結(jié)束后,5#試樣在終軋溫度和波谷區(qū)間內(nèi)體積隨著溫度的降低而緩慢收縮,表明在其冷卻過程中可能有少量的相變持續(xù)發(fā)生,而6#試樣則收縮相對較快(見圖4)。1#～3#試樣有同樣的情況發(fā)生。在終軋溫度為820℃時,不同冷卻速度下試樣的膨脹曲線幾乎重合。由此可看出,在較高終軋溫度下,快冷速度對試樣組織變化的影響很小。相同冷卻速度下,比較5℃/s冷卻速度下1#、5#、8#試樣和10℃/s冷卻速度下2#、6#、9#試樣的相變起始點溫度后發(fā)現(xiàn),隨著終軋溫度的升高,相變起始點的溫度亦升高,這是因為終軋溫度的升高增強了相變的熱力學動力,促使相變提前發(fā)生。

相比終軋溫度的影響,冷卻速度加快則對相變溫度升高影響較小,一方面冷卻速度加快使得體積收縮更加明顯,另一方面加快冷卻速度增強了相變動力。因此,在兩者的互相作用下,表現(xiàn)為材料膨脹曲線規(guī)律不明顯。

3 結(jié)論

(1)團簇狀珠光體造成鋼組織不均,在軋制變形過程中,可能造成局部應力增強,誘導其裂紋產(chǎn)生。

(2)粗軋溫度低和粗軋壓下量小,可能是造成再結(jié)晶不完全的原因,因此粗軋時宜采用高溫大壓下量軋制,以促進其動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生,細化鋼組織,可提高鋼組織的均勻性。

(3)溫度為680～580℃時存在持續(xù)相變,在620～630℃時膨脹量達到峰值,提高終軋溫度可促進相變提前發(fā)生。

(4)在較高終軋溫度下,加快冷卻速度對鋼組織變化的影響很小。

圖4 不同試樣的膨脹曲線Fig.4 Expansion curves of different samples

[1] 陳永利,朱伏先,陳炳張.新型細晶強化中厚板Q460的控軋控冷工藝研究[J].寬厚板2009,15(1):17-20.

[2] 蔣聯(lián)民,胡湘紅.Q460高性能鋼表面裂紋的分析[J].寬厚板,2007,13(1):19-23.

[3] 胡心彬,李麟,吳曉春.鈮微合金化在特殊鋼中的應用[J].金屬熱處理,2003,28(6):6-10.

[4] 劉彥春,朱伏先,任培東,等.新型細晶強化Q460級中厚板的研制[J].軋鋼,2005,22(2):7-9.

[5] 田村今男.高強度低合金鋼的控制軋制與控制冷卻[M].王國棟,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1992:79.

[6] 王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995:58.