周 佳

(馬鞍山師范高等專(zhuān)科學(xué)校 藝術(shù)設(shè)計(jì)系,安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

現(xiàn)代化建筑高度增加、層數(shù)增多以及跨度增大的特點(diǎn),給建筑裝飾用鋼的綜合性能提出了較高要求,其中良好的塑性和沖擊性能是除高強(qiáng)和良好焊接性能之外的特殊要求。新材料的開(kāi)發(fā)需要與之匹配的新工藝,目前國(guó)內(nèi)外在高層建筑裝飾用鋼的工藝研發(fā)方面主要集中在淬回火、正火等[1-2],所得到的建筑裝飾用鋼很難實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)與高韌塑性的結(jié)合,對(duì)于等溫淬火后進(jìn)行回火的熱處理工藝的研究較少[3-4]。本文在對(duì)已有的中碳低合金鋼成分優(yōu)化的基礎(chǔ)上,研究了等溫淬火和回火對(duì)建筑裝飾用鋼組織和性能的影響,以期開(kāi)發(fā)出高綜合性能的建筑裝飾用鋼。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

以中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司制備的厚度20 mm熱軋板坯為試驗(yàn)原料,具體制備工藝為:真空感應(yīng)熔煉后置于納博熱(Nabertherm)高溫爐中進(jìn)行1 225 ℃保溫12 h的均勻化退火,空冷至開(kāi)軋溫度(1 175 ℃)后進(jìn)行多道次軋制直至得到厚18 mm熱軋板坯,終軋溫度為875 ℃,然后空冷至室溫。采用光譜法測(cè)得熱軋板成分為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%,余量為Fe。采用Gleeble-3 800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)得熱軋鋼板的Ac1、 Ac3和Ms溫度分別為778 ℃、816 ℃和210 ℃。由此設(shè)計(jì)熱軋鋼板的等溫淬火-回火工藝為:將熱軋板坯加熱至完全奧氏體(A)化溫度875 ℃保溫1 h后,降溫至585 ℃進(jìn)行變形量30%的壓縮變形處理,然后進(jìn)行315 ℃/(45 min)等溫淬火后空冷至室溫得到等溫淬火態(tài)試樣,之后再進(jìn)行235～435 ℃保溫1 h的回火并空冷至室溫。

1.2 測(cè)試與表征

等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣經(jīng)過(guò)鑲嵌和磨拋后,采用體積分?jǐn)?shù)為3.5%的酒精溶液腐蝕后置于Leica DM6M型金相顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察;采用SU5000型掃描電鏡對(duì)顯微形貌和斷口形貌進(jìn)行觀(guān)察;采用Tecnai G2 F30型透射電鏡對(duì)微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)察;在島津AGS-X型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸速率1.5 mm/min的室溫拉伸性能測(cè)試,最終結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值;室溫沖擊性能測(cè)試在JBW-300B型微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣和沖擊試樣尺寸如圖1.

圖1 拉伸試樣和沖擊試樣尺寸Fig.1 Dimensions of tensile and impact specimens

2 結(jié)果及討論

圖2為建筑裝飾用鋼的光學(xué)顯微組織。等溫淬火態(tài)試樣的組織為灰色殘余A+黑色針狀下貝氏體(B);

經(jīng)過(guò)235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保溫1 h的回火處理后,基體組織中的A組織隨著回火溫度升高而逐漸減少直至消失,而B(niǎo)組織的板條界面則隨著回火溫度升高而逐漸鈍化。此外,235～435 ℃回火熱處理后的光學(xué)顯微組織中雖然可見(jiàn)A和B組織的變化規(guī)律,但是回火過(guò)程中是否有碳化物則無(wú)法分辨。

圖3為建筑裝飾用鋼的掃描電鏡顯微組織。等溫淬火態(tài)試樣中可見(jiàn)黑色塊狀A(yù)組織；而經(jīng)過(guò)235 ℃保溫1 h的回火處理后,基體組織中大部分A組織消失,雖然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)碳化物析出,但是局部可見(jiàn)細(xì)小B鐵素體形成,這主要是因?yàn)榇藭r(shí)的回火溫度高于Ms所致[5];當(dāng)回火溫度升高至285 ℃時(shí),保溫1 h后的試樣中的黑色塊狀A(yù)基本消失并分解成滲碳體和鐵素體。

圖4為建筑裝飾用鋼的透射電鏡顯微組織。等溫淬火態(tài)試樣中可見(jiàn)白色/灰色殘余A以及板條界面清晰的B;經(jīng)過(guò)235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保溫1 h的回火處理后,基體組織中的塊狀A(yù)含量逐漸減少并轉(zhuǎn)變?yōu)锽組織,而B(niǎo)板條界面也逐漸模糊。在這個(gè)回火過(guò)程中,塊狀A(yù)的分解使得殘余A中的碳含量升高而變得愈發(fā)穩(wěn)定[6],且由于試驗(yàn)用鋼中有較高的Si含量(w(Si)=1.44%),在回火過(guò)程中會(huì)強(qiáng)烈抑制殘余A中碳化物的析出[7],兩方面共同作用下會(huì)使得未發(fā)生分解的殘余A中聚集濃度較高的碳原子并最終轉(zhuǎn)變成無(wú)碳化物B,這種在B板條間形成的薄膜狀殘余A可以減小碳化物析出的不利影響并有助于改善試驗(yàn)用鋼的韌塑性[8]。此外,沿著某一方向分布的B板條間薄膜狀殘余A還會(huì)將鐵素體板條分割成細(xì)小層片狀,這種在回火過(guò)程中形成的復(fù)合組織有助于減小裂紋尖端應(yīng)力集中并抑制裂紋擴(kuò)展[9],從而在一定程度上改善材料的韌塑性。

表1為建筑裝飾用鋼的室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果。等溫淬火態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度分別為1 822 MPa和1 027 MPa,而斷后伸長(zhǎng)率僅為5.19%,較高的強(qiáng)度和較低的塑性使得此時(shí)材料的強(qiáng)塑積較小,約9 456 MPa%;經(jīng)過(guò)235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃和435 ℃保溫1 h的回火處理后,試驗(yàn)用鋼的抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度雖有不同程度減小,但是斷后伸長(zhǎng)率卻有明顯提升,反映在強(qiáng)塑積上則表現(xiàn)為回火態(tài)試樣的強(qiáng)塑積明顯高于等溫淬火態(tài)試樣,且在回火溫度為285 ℃時(shí)取得最大的強(qiáng)塑積,約為33 612 MPa%,相較于等溫淬火態(tài)提高255%。等溫淬火態(tài)試樣具有較高的強(qiáng)度和較低的塑性,這是因?yàn)榈葴卮慊饝B(tài)試樣保留了熱軋態(tài)試樣中的高密度位錯(cuò)以及形成了針狀B組織[10];經(jīng)過(guò)回火處理后,試驗(yàn)用鋼的基體組織會(huì)發(fā)生位錯(cuò)密度降低以及B的碳原子重組[11],加工硬化作用降低的同時(shí)減弱了固溶強(qiáng)化效果,抗拉強(qiáng)度會(huì)有所降低,而斷后伸長(zhǎng)率則會(huì)由于位錯(cuò)回復(fù)而增加。綜合而言,在回火溫度為285 ℃時(shí),等溫淬火-回火態(tài)試樣取得了較高的強(qiáng)度和最大的強(qiáng)塑積。

表1 建筑裝飾用鋼的室溫拉伸性能Table 1 Tensile property of building decoration steel at troom temperature

圖5為建筑裝飾用鋼的室溫沖擊性能測(cè)試結(jié)果。等溫淬火態(tài)試樣的室溫沖擊吸收能量明顯低于回火態(tài)試樣,前者的室溫沖擊吸收能量約19 J,而后者的室溫沖擊吸收能量都在31 J以上。隨著回火溫度從235 ℃上升至435 ℃,試驗(yàn)用鋼的室溫沖擊吸收能量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。等溫淬火態(tài)試樣具有較低的沖擊吸收能量，這主要與此時(shí)基體組織中含有韌塑性較差的塊狀A(yù)組織有關(guān)[12]。而經(jīng)過(guò)235～435 ℃回火熱處理后,塊狀殘余A逐漸消失,基體組織中還出現(xiàn)了韌塑性較好的復(fù)相組織,此時(shí)的沖擊性能會(huì)有所提升；但是回火溫度的升高會(huì)造成B板條的粗化,從而在一定程度上降低沖擊韌性，并造成室溫沖擊吸收能量隨著回火溫度升高而減小。

圖5 建筑裝飾用鋼的室溫沖擊性能Fig.5 Impact property of building decoration steel at room temperature

圖6 等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣的室溫沖擊斷口形貌Fig.6 Impact fracture morphology of isothermal quenched and tempered specimens at room temperature

圖6為等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣的室溫沖擊斷口顯微形貌。等溫淬火態(tài)試樣的沖擊斷口中可見(jiàn)細(xì)小的解理小面、局部微孔聚集和撕裂棱,呈準(zhǔn)解理斷裂形態(tài);經(jīng)過(guò)235 ℃、285 ℃、335 ℃、385 ℃、435 ℃保溫1 h的回火處理后,試驗(yàn)用鋼的沖擊斷口主要以尺寸不等、深度不一的韌窩和撕裂棱為主,表明回火態(tài)試樣主要以韌性斷裂為主。對(duì)比分析可知,當(dāng)回火溫度為235 ℃、285 ℃和335 ℃時(shí),沖擊斷口中韌窩較深、尺寸較大且撕裂棱數(shù)量較多,表明此時(shí)具有較好的沖擊韌性;而當(dāng)回火溫度升高至385 ℃及以上時(shí),沖擊斷口中韌窩變淺、數(shù)量變少,并在435 ℃的沖擊斷口中基本看不到尺寸較大以及較深的韌窩存在,此時(shí)的室溫沖擊韌性較差。等溫淬火態(tài)和回火態(tài)試樣的室溫沖擊斷口形貌與圖5的室溫沖擊性能測(cè)試結(jié)果保持一致,即在回火態(tài)試樣的室溫沖擊韌性?xún)?yōu)于等溫淬火態(tài),且回火溫度在235～335 ℃時(shí)具有較好的沖擊韌性。

3 結(jié)論

1)等溫淬火態(tài)試樣的組織為灰色殘余A+黑色針狀下B;隨著回火溫度從235 ℃升高至435 ℃,基體組織中的塊狀A(yù)含量逐漸減少并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锽鐵素體,而B(niǎo)板條界面逐漸鈍化。

2)等溫淬火態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度分別為1 822 MPa和1 027 MPa,而斷后伸長(zhǎng)率僅為5.19%;經(jīng)過(guò)235～435 ℃回火后,回火態(tài)試樣的強(qiáng)塑積明顯高于等溫淬火態(tài)試樣,且在回火溫度為285 ℃時(shí)取得最大的強(qiáng)塑積,約為33 612 MPa%,相較于等溫淬火態(tài)提高了255%。

3)等溫淬火態(tài)試樣的室溫沖擊吸收能量明顯低于回火態(tài)試樣,前者的室溫沖擊吸收能量約19 J,而后者的室溫沖擊吸收能量都在31 J以上。隨著回火溫度從235 ℃上升至435 ℃,試驗(yàn)用鋼的室溫沖擊吸收能量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。