控轧控冷工艺中冷却温度对Q550D高强钢显微组织和拉伸性能的影响

雷 波1，何 雨2，黄显彬

(1.广安职业技术学院，广安 638000；2.北京科技大学材料学院，北京 100083；3.四川农业大学土木工程学院，都江堰 611800)

0 引 言

随着国民经济的快速发展和城镇化进程的加速，中国建筑结构形式朝着高层/超高层以及大跨度方向发展。由于近年来四川汶川、雅安以及青海玉树等地区频繁发生地震灾害，研究者们都在努力合作开发具有良好综合性能的高强韧性建筑用抗震钢，并解决高强韧性与低屈强比不匹配问题[1-2]：在实际开发过程中高强钢的强度和屈强比通常无法匹配，即提高强度的同时会增大屈强比[3-5]。为了满足新时期建筑用钢的市场需求，具有良好强韧性、低屈强比(≤0.85)等优点的590 MPa级高强抗震钢是目前亟待开发的钢种。已有研究成果表明，高强度低屈强比结构用钢通常含有多相或者双相组织，一般通过改变化学成分、调整生产工艺等方法来实现其生产。其中，控轧控冷工艺可以在对钢材进行组织调控的同时降低生产成本，提高生产效率，是开发高强度低屈强比结构用钢的一种有效方法。目前，有关控轧控冷工艺的研究多集中在冷却速率、冷却方式等对热轧钢板组织与性能的影响上[6-7]。作者在调研国内外高强韧建筑用钢开发的基础上，选取热轧态Q550D钢板为研究对象，研究了控轧控冷过程中开始冷却(开冷)温度和终冷温度对其显微组织和拉伸性能的影响，拟为590 MPa级抗震钢板的工业化生产与实际应用提供依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为Q550D钢板，厚度为24 mm，由河钢集团钢研总院提供，采用传统热轧工艺生产。采用iCAP7000 Plus型电感耦合等离子发射光谱仪测得试验钢的主要成分(质量分数/%)为0.07C，0.39Si，1.69Mn，0.011P，0.005S，0.067Nb，0.013Ti，≤0.80(Mo+Cr+Ni)，余Fe。采用DIL402PC型热膨胀仪测定试验钢的珠光体转变为奥氏体温度Ac1，铁素体全部转变为奥氏体温度Ac3，奥氏体向珠光体转变结束温度Ar1和奥氏体向铁素体转变开始温度Ar3，结果分别为812，884，684，758 ℃。

在试验钢板上截取尺寸为380 mm×36 mm×24 mm的试样，用去离子水清洗并吹干后，进行控轧控冷处理，其具体工艺为：将吹干后的试样在KJ-M1200-12LZ型箱式电阻炉中进行875 ℃保温45 min的热处理，再升温至910 ℃后，在3 min内在MSB-6C-650型可逆轧机上进行压下量为20%的轧制，然后以较慢的冷却速率(约10 ℃·s-1)缓冷至开冷温度，再以相对较快的冷却速率(约80 ℃·s-1)冷却至终冷温度，然后空冷至室温。如表1所示，共设计了6组轧后冷却温度，分别对比了终冷温度相同、开冷温度不同(1#和4#，3#和5#)，开冷温度相同、终冷温度不同(4#，5#，6#)以及同时降低开冷温度和终冷温度(1#，2#，3#)条件下试验钢的显微组织和拉伸性能。

表1 控轧控冷工艺的开冷温度和终冷温度

采用线切割方法截取金相试样(表面尺寸为12 mm×12 mm)，经镶嵌、磨抛，用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在S-4800型扫描电镜(SEM)上观察显微组织，并用Axio Imager M2m型光学显微镜附带Image Pro Plus 6.0软件分析不同相含量，观察5个视场取平均值。根据GB/T 228.1-2010，在MTS-809型万能拉伸试验机上进行室温拉伸试验，拉伸试样尺寸为140 mm×18 mm×3 mm，标距为40 mm，拉伸速度为2 mm·min-1，测3个平行试样取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可知：在不同开冷温度和终冷温度下控轧控冷后，试验钢的基体组织基本相同，都为贝氏体+少量铁素体+大量马氏体/奥氏体(M/A)岛，M/A岛分布在铁素体/贝氏体相界上，均主要呈颗粒状、块状和长条状。

由表2可以看出：在相同终冷温度下降低开冷温度(1#和4#或5#和3#)，试验钢中的铁素体和M/A岛含量增加，且铁素体含量的增加幅度较大而M/A岛的很小。这是因为降低开冷温度亦即增大轧制和开始冷却之间的温差，会在增加铁素体形核驱动力的同时延长铁素体形核孕育时间[8]，从而促进铁素体形成；而快速冷却阶段形成的M/A岛的含量主要与终冷温度有关，开冷温度对其影响较小。在相同开冷温度下降低终冷温度(4#，5#，6#)，试验钢中的铁素体含量略有减少而M/A岛含量明显增加。这是因为终冷温度对较高温度下形成的铁素体形核和孕育的影响较小，而对快速冷却过程中形成的M/A岛影响较大[9]；终冷温度的降低更有利于形成M/A岛。同时降低开冷温度和终冷温度(1#，2#，3#)，试验钢中的铁素体和M/A岛含量同步递增，但M/A岛的增加幅度小于铁素体的。

图1 在不同开冷温度和终冷温度下控轧控冷后试验钢的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

表2 在不同开冷温度和终冷温度下控轧控冷后试验钢中铁素体和M/A岛的体积分数

Table 2 Volume fractions of ferrite and M/A island in test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

编号开冷温度/℃终冷温度/℃铁素体体积分数/%M/A岛体积分数/%1#80544513.8310.362#75539520.2313.123#72535525.7815.084#78544516.2011.605#78535515.4912.856#78526515.2715.49

图2 在不同开冷温度和终冷温度下控轧控冷后试验钢的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of test steel after controlled rolling and cooling at different start cooling and finish cooling temperatures

2.2 拉伸性能

由图2可见：在相同终冷温度下降低开冷温度(1#和4#或5#和3#)，试验钢的屈服强度显著降低，抗拉强度变化幅度较小，反映在屈强比上表现为屈强比减小，这是因为在该条件下组织中硬质相M/A岛的含量虽略有增加但增加幅度较小，而软质相铁素体的含量明显增大[10-11]。此外，试验钢的拉伸性能还与其晶粒大小有关[12]。在相同终冷温度下降低开冷温度会造成晶粒的粗化和长大，而晶粒粗化对屈服强度的降低作用大于对其抗拉强度的作用[13]，这也导致了屈强比的减小。在相同开冷温度下降低终冷温度(4#，5#，6#)，试验钢的抗拉强度基本不变，而屈服强度增大，反映在屈强比上表现为屈强比增大，这是因为在该条件下组织中的软质相铁素体含量略有减少，而硬质相M/A岛含量明显增大。同时降低开冷温度和终冷温度(1#，2#，3#)，试验钢的屈服强度减小，而抗拉强度先增大后减小，且抗拉强度的减小幅度小于屈服强度的，反映在屈强比上表现屈强比降低。在6组轧后冷却温度下控轧控冷后试验钢的屈强比都符合建筑抗震钢对屈强比的要求，即不大于0.85。

对比可知：在开冷温度725 ℃、终冷温度355 ℃(3#)条件下，试验钢的屈服强度和屈强比最低；在开冷温度755 ℃、终冷温度395 ℃(2#)条件下，试验钢具有最高的抗拉强度，屈服强度则与开冷温度805 ℃、终冷温度445 ℃(1#)条件下的相当(相对最高)，但屈强比更低。由此可见，当开冷温度为755 ℃，终冷温度为395 ℃(2#)时，试验钢具有最佳的拉伸性能。

3 结 论

(1) 不同开冷温度和终冷温度(共6组)下试验钢的基体组织均由贝氏体+铁素体+M/A岛组成，M/A岛分布在铁素体/贝氏体相界上，均主要呈颗粒状、块状和长条状；在相同终冷温度下降低开冷温度能增加铁素体和M/A岛含量，但M/A岛含量的增加幅度较小；在相同开冷温度下降低终冷温度，铁素体含量略有减少而M/A岛含量明显增加；同时降低开冷温度和终冷温度，铁素体和M/A岛含量同步递增，但M/A岛含量的增加幅度小于铁素体的。

(2) 在6组轧后冷却温度下控轧控冷后试验钢的屈强比都符合建筑抗震钢的屈强比不大于0.85的要求；在相同终冷温度下降低开冷温度，试验钢的屈服强度显著降低，抗拉强度变化幅度较小，屈强比减小；相同开冷温度下降低终冷温度，抗拉强度基本不变，屈服强度增大，屈强比增大；同时降低开冷温度和终冷温度，屈服强度减小，抗拉强度先增大后减小，屈强比降低。

(3) 试验钢组织中软质相铁素体和硬质相M/A岛含量的变化决定着屈强比的变化：铁素体含量明显增加，则屈强比降低；M/A岛含量明显增加，则屈强比增大。在开冷温度755 ℃、终冷温度395 ℃下，试验钢具有最佳的拉伸性能。