Q420qE钢形变奥氏体连续冷却转变研究

谯明亮 史根豪 王同良 康双双 王青峰,3

(1.南京钢铁股份有限公司板材事业部，江苏 南京 210035；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004；3.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004)

目前，我国铁路钢桥建设正在向适应重载、高速、大跨度、轻量化、全焊接节点钢结构的方向发展。为适应桥梁技术进步要求，集高强、高韧、低屈强比、易焊接等多项性能为一体的新一代高性能桥梁钢是未来大跨重载铁路钢桥关键构件的首选材料，需求明确而迫切。新一代的低合金高强度用钢不仅要具有高强度、高韧性、优异的焊接性能，同时还要具备良好的抗变形能力，以应对重型载荷和地震等地质灾害，因此为了保证结构的安全性，把屈强比作为衡量结构安全性的一项指标[1]。而屈强比不仅与应变硬化指数密切相关，还与均匀延伸率(即最大力总延伸率)密切相关，屈强比越低则意味着应变应化指数越高，均匀延伸率越高，金属具有较强的塑形变形能力，可以有效缓解应力集中。反之，较高的屈强比，则会导致由于变形引起的超载荷失稳现象[2]。

为了提高结构材料在受到冲击载荷时的结构安全性，部分关键构件不仅要求高的强度以满足结构设计的需要，还需要较低的屈强比等以保证结构安全。通常随着钢强度级别的升高，其所对应的屈强比值也相应升高，所以研究如何降低钢的屈强比意义重大[3]。大量的试验研究表明，屈强比与材料的加工硬化能力有关，而加工硬化能力又与钢材的显微组织密切相关。因此需要通过对化学成分优化及控轧控冷(TMCP)工艺设计，来改变钢材的显微组织，以此来获得优异的综合力学性能[4]。

多相组织钢的调控能有效提高高强度钢的塑性，降低屈强比；铁素体/贝氏体复相、针状铁素体/马氏体(残留奥氏体)等多相组织已成为抗变形及高强度低屈强比结构钢的主要组织调控手段。根据软硬相组织类型设计，本文从本质上是要在钢中形成中温转变铁素体软相和M- A岛硬相组织。采用TMCP工艺制备和生产这种软硬相组织复合的高性能桥梁钢时，除了要在轧制阶段获得均匀细化的奥氏体晶粒外，还需要通过测定试验钢两阶段变形奥氏体的连续冷却转变曲线(动态CCT图)，研究中温转变铁素体软相/M- A岛硬相组织形态随轧后冷速的变化规律，据此确定相应软硬相组织形态控制的冷却工艺窗口。

1 试验材料与方法

试验钢为南钢提供的Q420qE钢板，板厚为16 mm，其化学成分如表1所示，原始组织如图1所示，主要包括准多边形铁素体(QF)、针状铁素体(AF)、粒状贝氏体(GB)和马氏体- 奥氏体岛(M- A)。

表1 Q420qE钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of Q420qE steel (mass fraction) %

从Q420qE钢板上取样，加工成尺寸为φ10 mm × 85 mm的棒状样品，在Gleeble- 3500试验机上进行两阶段热压缩变形以模拟两阶段控扎。具体工艺为：以10 ℃/s的速度加热到1 150 ℃，保温10 min进行奥氏体化；然后以5 ℃/s的冷速降到1 050 ℃，以1 s- 1的应变速率进行35%的压缩变形，模拟第一阶段轧制；再以5 ℃/s的冷速降至830 ℃，以1 s- 1的应变速率进行30%的压缩变形，模拟第二阶段轧制；最后以2 ℃/s的冷速冷至780 ℃的开冷温度后，再分别以0.5、1、5、10、15、20、25、30 ℃/s的冷速冷至200 ℃，工艺示意图如图2所示。实时采集热膨胀曲线，利用切线法确定相变温度点。针对不同冷速样品，观察显微组织形态，并测试维氏硬度。结合测试和观察结果，绘制试验钢的动态CCT图，分析冷速对组织形态的影响规律，并初步确定了试验钢获得针状铁素体、粒状贝氏体和M- A岛多相组织的控冷工艺窗口。

图1 试验钢的原始组织Fig.1 Original microstructure of the tested steel

图2 试验钢动态CCT曲线测定的工艺示意图Fig.2 Schematic diagram for measuring dynamic CCT curve of the tested steel

将不同冷速的模拟样品沿热电偶所在的截面线切割切开，随后经金相砂纸磨制和机械抛光后，再在4%(体积分数)硝酸酒精溶液中进行腐蚀，最后在光学显微镜下观察样品在不同冷速下的组织形态。采用FM- 300型显微硬度计测量硬度，试验力为10 kg。

2 试验结果

2.1 试验钢的动态CCT图

试验钢变形奥氏体连续冷却转变曲线(CCT图)如图3所示。可以看出，两阶段形变奥氏体在控冷过程中发生了转变，组织类型与冷速有关。在0.5～1 ℃/s的冷速范围内，奥氏体主要发生高温转变，形成多边形铁素体和珠光体的混合组织。在1～5 ℃/s冷速时，随着冷速的增加，奥氏体除了转变成先共析铁素体和珠光体外，还形成部分针状铁素体，从而形成了多边形铁素体、珠光体和针状铁素体的混合组织。在5～25 ℃/s的冷速范围内，随着冷速的进一步增大，开始出现中温组织，贝氏体开始出现，试验钢的组织主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成。当冷速≥25 ℃/s时，试验钢中出现板条贝氏体[5- 7]。

图3 试验钢的动态CCT曲线Fig.3 Dynamic CCT curve of the tested steel

2.2 冷速对试验钢显微组织的影响

试验钢在不同冷速下的显微组织如图4所示。当冷却速度为0.5 ℃/s时，试验钢组织主要由多边形铁素体与珠光体组成，其中部分珠光体发生了退化。当冷却速度为1 ℃/s时，多边形铁素体晶粒略有细化，大部分珠光体发生了褪化。当冷速为5 ℃/s时，珠光体已基本消失，铁素体形态由多边形转变为针状，晶粒细化，出现少量粒状贝氏体。在10～20 ℃/s的冷速范围内，形成针状铁素体和粒状贝氏体组织，并随冷速的进一步增大，针状铁素体的数量明显减少，粒状贝氏体的数量进一步增多，铁素体晶粒明显细化。在25～30 ℃/s的冷速范围内，出现板条贝氏体，形成了针状铁素体、粒状贝氏体和板条贝氏体的混合组织。随着冷速的进一步增大，板条贝氏体逐渐增多，针状铁素体和粒状贝氏体逐渐减少。

图4 试验钢以(a)0.5、(b)1、(c)5、(d)10、(e)15、(f)20、(g)25、和(h)30 ℃/s冷速连续冷却转变后的显微组织Fig.4 Microstructures of the tested steel after continuous cooling at rates of (a) 0.5, (b) 1, (c) 5, (d) 10, (e) 15, (f) 20, (g) 25 and (h) 30 ℃/s

采用投射电镜进一步观察试验钢在不同冷速下的精细结构，如图5所示。当冷速为5 ℃/s时，组织主要为尺寸较大的块状铁素体和粒状贝氏体，如图5(a)所示，在透射电镜下还观察到了退化的珠光体。此外，原始奥氏体晶界清晰可见。在15 ℃/s的冷速下，由于冷速增大，铁素体由块状变成针状，并且组织主要以粒状贝氏体为主，如图5(b)所示，还可以看到M- A组元的分布情况，M- A组元的尺寸约为1 μm。在30 ℃/s的冷速下，由于冷速的进一步提高，此时出现的主要是中温组织，由针状铁素体、粒状贝氏体和板条贝氏体组成。如图5(c)所示，可以看出有明显的板条贝氏体，并且板条贝氏体中的位错密度明显高于粒状贝氏体的位错密度，从而导致板条贝氏体的强度和硬度高于粒状贝氏体。

2.3 冷速对试验钢硬度的影响

图5 试验钢在(a)5、(b)15、(c)30 ℃/s冷速连续冷却转变后的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the tested steel after continuous cooling at rates of (a) 5, (b) 15 and (c) 30 ℃/s

试验钢在不同冷速下的显微硬度如图6所示。由图6可以看出，在0.5～5 ℃/s的冷速范围内，两阶段变形试样的硬度随冷速的增加而大幅提高，这与试验钢中组织类型的变化密切相关，此时试验钢中的多边形铁素体减少，针状铁素体和粒状贝氏体增加，从而导致组织更加细化[8- 9]。当冷速为10～20 ℃/s时，硬度进一步大幅度提高，主要是因为组织中的粒状贝氏体数量明显增多，针状铁素体数量减少，晶粒进一步细化。当冷速为25～30 ℃/s时，硬度增加幅度较小，主要与组织类型变化不大有关[10- 14]。

图6 试验钢的连续冷却转变组织硬度随冷速的变化Fig.6 Variation of hardness of microstructure developed in the tested steel during continuous cooling with cooling rate

3 结论

本文在Gleeble- 3500热模拟试验机上测定了Q420qE桥梁钢在不同冷速下的连续冷却膨胀曲线，并结合不同冷速下试样的显微组织观察和维氏硬度测量，绘制了试验钢形变奥氏体连续冷却转变曲线。得出结论如下：

(1)当冷速为0.5～1 ℃/s时，试验钢组织主要由多边形铁素体与珠光体组成，并随着冷速的进一步增大，针状铁素体的数量明显减少，粒状贝氏体的数量进一步增多，铁素体晶粒明显细化，在25～30 ℃/s的冷速范围内，出现板条贝氏体组织。

(2)在0.5～30 ℃/s的冷速范围内，随着冷速的增加，铁素体基体组织明显细化，是硬度提高的主要原因。

(3)根据试验钢的动态CCT图和冷速对试验钢显微组织的影响，初步确定试验钢两阶段变形后的控冷工艺窗口为5～10 ℃/s。在该冷速范围内，试验钢的组织类型是针状铁素体、粒状贝氏体和M- A岛多相组织。