高性能建筑结构用钢Q460的动态和静态CCT曲线研究

宋思颖，田俊羽，樊 雷，杨跃标，袁勤攀，徐 光

(1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉，430081；2. 广西柳州钢铁集团有限公司，广西 柳州，545002)

高强度低合金(High-strength low-alloy，HSLA)钢兼具高强度和良好塑韧性以及较好的焊接性能，被广泛应用于现代建筑和工程结构[1-3]。一般情况下，低碳微合金钢中合金元素含量低于5%，通常会加入奥氏体稳定化元素Mn和Si，特别是Mn元素,可起到扩大奥氏体相区的作用，提高合金钢淬透性[4]，延迟过冷奥氏体分解[5]。此外，钢中还会添加Nb、V、Ti等微合金元素，通过细晶强化和析出强化作用，进一步提高钢的强度、韧性和焊接性能[6-9]。

随着控制轧制与控制冷却技术的发展，将微合金化工艺和控轧控冷技术结合在一起， HSLA钢有望获得最佳的力学性能。控轧技术包括奥氏体再结晶区轧制和奥氏体未再结晶区轧制等。Ma等[4]研究了终轧温度和轧制道次对HSLA钢组织和性能的影响，结果显示，当终轧温度处于奥氏体再结晶温度时，可获得等轴状再结晶晶粒；当终轧温度处于奥氏体未发生再结晶温度时，原始奥氏体晶粒边界被拉长。控冷技术则是通过控制冷却速度和终冷温度来实现钢组织和性能的改善。Man等[10]研究低碳贝氏体钢Q550时发现，当最终冷却温度为515 ℃时，可获得粒状贝氏体、细小马氏体-奥氏体(M-A)岛以及少量针状铁素体和板条贝氏体的混合组织，钢的抗拉强度可达750 MPa。

另一方面，对于微合金钢而言，Nb、V、Ti等元素高温时固溶于基体中，偏聚在晶界处可抑制奥氏体长大，从而起到细化晶粒尺寸、提高细晶强化贡献值的作用[8]；此外，固溶于奥氏体中的微合金元素会在随后的冷却过程中，以细小弥散第二相粒子的形式沿奥氏体晶内或晶界处析出，为相变提供大量形核点。李晓林等[11]利用三维原子探针(3DAP)技术对V-N微合金钢于不同热处理条件下的析出物进行研究，结果表明，回火处理可使V、VN纳米团簇与位错产生交互作用，实现更佳的强化效果。冷却速度对HSLA钢组织和性能的影响可以直观地从过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线中体现出来[12]，即可以得到不同冷却速度范围所对应的组织，从而为实际生产中冷却速度和卷取温度的选取提供参考。

基于此，本文通过不同冷却速度下的热模拟实验，结合金相组织观察结果，绘制高强建筑结构用钢Q460的动态和静态CCT曲线，分析了高温塑性变形对合金钢显微组织和性能的影响，以期为实际生产过程中Q460钢的工艺参数设定提供参考。

1 实验材料与方法

实验材料为高性能建筑结构用热轧钢板Q460，具体化学成分见表1。

将热轧板加工成哑铃状动态CCT试样，在Gleeble-3500热模拟实验机上测试不同冷却速度下实验钢的动态和静态CCT曲线，试样编号方式如表2所示，具体实验工艺如图1所示。由图1可知，动态CCT实验的工艺路径为:首先以5 ℃/s的升温速度将试样加热至1250 ℃，保温3 min奥氏体化后，以5 ℃/s的冷却速度将试样冷却至1050 ℃进行第一次变形，变形率为40%，应变速率为3 s-1；随后，以5 ℃/s的冷却速度将试样冷却至900 ℃进行第二次变形，变形率为30%，应变速率为10 s-1；变形后，分别以如表2所示的冷却速度将试样冷却至室温。静态CCT实验的具体步骤为：首先，以5 ℃/s的升温速度将试样加热至1250 ℃保温3 min后，以5 ℃/s的冷却速度冷却至900 ℃，保温30 s后，分别以表2所示的冷却速度将试样冷却至室温。记录从加热到冷却至室温的整个过程中，各动态和静态CCT试样的温度-时间-膨胀量数据。

图1 动态和静态CCT实验工艺图

表2 Q460钢试样编号

待热模拟实验结束后，沿试样均热区的横截面截取部分样品制成金相试样，经研磨、抛光、侵蚀(4%硝酸酒精溶液)后，采用Zeiss光学显微镜观察试样室温组织，并用HV-1000A型显微硬度计测定试样中不同显微组织的维氏硬度，载荷为0.05 kgf，加载时间为10 s，各个区域测量3次并取平均值，以保证数据的准确性。通过切线法测定各试样的相变开始和结束温度，并结合显微组织和维氏硬度判断相变类型。基于CCT热模拟实验数据，使用Origin 8.0软件绘制出Q460钢的动态和静态CCT曲线。

2 实验结果及分析

2.1 动态CCT实验结果

2.1.1 膨胀曲线

使用JMatPro 7.0软件，计算得到实验钢种Q460的贝氏体相变开始温度Bs为619 ℃，马氏体相变开始温度Ms为460 ℃。图2(a)所示为D-1试样奥氏体化后，经过两次变形后整个冷却过程膨胀量随温度变化曲线，图中膨胀量两次大幅增加过程对应两次变形过程。放大加热过程的膨胀量-温度曲线，如图2(b)所示，通过切线法测得实验钢种Q460加热时奥氏体转变开始温度Ac1为680 ℃，完全奥氏体化温度Ac3为873 ℃，故本文选取1250 ℃作为奥氏体化温度，以确保试样能完全均匀奥氏体化。

图3所示为动态CCT试样在不同冷却速度下膨胀量随温度的变化曲线。当奥氏体发生铁素体或马氏体相变时，晶体结构由面心立方结构变成体心立方结构，因此，膨胀曲线中偏离直线的点对应相变发生的开始温度。从图3中可观察到，当冷却速度小于10 ℃/s时，膨胀曲线呈现两阶段相变：第一阶段相变为高温或中温下的铁素体和贝氏体相变，具体相变类型需结合显微组织观察结果来确定，第二阶段相变为低温下的马氏体相变；当冷却速度大于10 ℃/s时，试样主要发生马氏体相变。

(a)整个实验过程膨胀量-温度曲线 (b)加热过程膨胀量-温度曲线

(a)D-0.1 (b)D-1 (c)D-3

(d)D-10 (e)D-20 (f)D-40

2.1.2 金相组织和显微硬度

图4所示为各动态CCT试样的金相组织。由图4可见，当冷却速度为0.1 ℃/s时，试样显微组织主要由白色铁素体(F)和黑色珠光体(P)球团组成，较难直接观察到马氏体(M)组织，但其膨胀曲线中存在较明显的马氏体相变拐点，为进一步确认该冷速下试样是否发生马氏体相变，采用高倍SEM观察其组织形貌(见图5)，可以看出，试样组织中存在少量马氏体；当冷却速度为0.5 ℃/s时，组织中出现少量贝氏体(B)；随着冷速增大，试样中铁素体和珠光体含量逐渐减少，贝氏体含量逐渐增加；当冷却速度增至3 ℃/s时，组织中铁素体含量大幅减少，试样组织主要为贝氏体；当冷速达到5 ℃/s时，试样中开始观察到明显的马氏体组织；随着冷速进一步增加，组织中贝氏体含量逐渐减少，马氏体含量逐渐增加，当冷速大于20 ℃/s时，组织基本由马氏体组成。

(a)D-0.1 (b)D-0.5 (c)D-1

(d)D-3 (e)D-5 (f)D-10

(g)D-20 (h)D-30 (i)D-40

图5 D-0.1试样的SEM照片

表3列出了为各动态CCT试样不同组织的显微硬度平均值(部分组织含量少且尺寸小，故未能测得其显微硬度)。由表3可知，随着冷却速度的增加，试样中贝氏体和马氏体硬度均有所增大，这是因为在较高的冷却速度下，组织中位错和变形所带来的缺陷等来不及回复，导致相应区域的硬度值增加。

表3 各动态CCT试样的室温组织显微硬度

2.1.3 动态CCT曲线

根据膨胀曲线确定的相变点，得到不同冷却速度下Q460钢的相变开始和结束温度，列于表4中，再结合金相组织(图4)和显微硬度测定结果(表3)，判断各相变区域所对应的相变类型，并利用Origin 8.0软件绘制Q460钢的动态CCT曲线如图6所示。结合表4和图6可知，当冷却速度小于3 ℃/s时，主要组织类型为铁素体+珠光体；当冷却速度小于20 ℃/s时，可以得到贝氏体组织；而冷却速度大于30 ℃/s时，则可以得到全马氏体组织。

为确定这些术语译名,译者不仅需要查证权威词典(如Black’s Law Dictionary,《元照英美法词典》等)来明确含义差别,还要考虑到语言的通用性。因为法律语言具有一般性,不被广为接受的译名也不是理想的译名。如,“担保人”有两个译法“guarantor”和“security provider”,两者对术语含义的把握都很到位,只是后者作为解释性翻译采用了相对的普通词汇,中文可以理解为“提供担保的人”,可读性要比前者强,不太了解法律的普通英语使用者也能看懂,但损失了法律语言的专门性。因而这类术语的取舍还要依靠大型可比语料库的检索结果对比,根据统计数据来确定何种译法更为通用。

表4 动态CCT试样的相变开始温度和结束温度

图6 Q460钢的动态CCT曲线

2.2 静态CCT实验结果

2.2.1 膨胀曲线分析

图7所示为J-1试样静态CCT实验全程和加热过程的膨胀量-温度曲线。基于图7(b)，由切线法测得Q460钢的Ac1温度为687 ℃，Ac3温度为883 ℃。图8为不同冷却速度下各试样的膨胀量-温度曲线。与图3中动态CCT实验得到的膨胀曲线相比，静态CCT实验后,膨胀曲线中高温相变温度有所降低；当冷却速度小于10 ℃/s时，膨胀曲线中可观察到高中温相变和低温下的马氏体相变；当冷却速度大于10 ℃/s时，相变开始温度均低于460 ℃，基于此，可以推断实验钢组织仅发生马氏体相变(相变温度低于JMatPro软件计算值，Ms=460 ℃)。

(a)整个实验过程膨胀量-温度曲线 (b)加热过程膨胀量-温度曲线

(a) J-0.1 (b) J-1 (c) J-3

(d) J-10 (e) J-20 (f) J-40

2.2.2 金相组织和显微硬度

图9为静态CCT实验后各试样的显微组织，不同组织对应的显微硬度结果见表5。由图9可知，当冷却速度为0.1 ℃/s时，试样显微组织由粗大的等轴状铁素体、珠光体和贝氏体组成，且粗大铁素体晶粒被贝氏体和晶界处的珠光体组织所包围，与动态CCT试样类似，采用SEM观察J-0.1试样的高倍组织形貌(见图10)后发现，试样组织中存在少量马氏体；当冷却速度增加到0.5 ℃/s时，试样中等轴状铁素体基本消失，组织中出现大量贝氏体，伴随一些分散的小尺寸马氏体组织；当冷速增至5 ℃/s时，试样中铁素体消失，组织由马氏体和贝氏体组成；当冷却速度增加到20 ℃/s时，贝氏体消失，组织为全马氏体。

(a) J-0.1 (b) J-0.5 (c) J-1

(d) J-3 (e) J-5 (f) J-10

(g) J-20 (h) J-30 (i) J-40

图10 J-0.1试样的SEM照片

表5 各静态CCT试样室温组织的显微硬度

与动态CCT实验的硬度结果类似，静态CCT试样的马氏体硬度随冷却速度的增加而增大，并且在相同的冷却速度下，动态CCT试样中马氏体硬度高于静态CCT试样中马氏体硬度的相应值，这是因为塑性变形会导致试样组织中位错密度增大。

2.2.3 静态CCT曲线

综合静态CCT实验的膨胀曲线、显微组织和显微硬度测定结果，判断得到各冷却速度下试样的相变类型及相变开始和结束温度，汇总结果列于表6中，并据此绘制实验钢Q460的静态CCT曲线如图11所示。结合表6和图11可知，当冷却速度小于3 ℃/s时，实验钢可以得到铁素体和珠光体组织；当冷却速度小于10 ℃/s时，实验钢可以得到贝氏体组织；当冷却速度大于20 ℃/s时，试样为全马氏体组织。

表6 静态CCT试样的相变开始温度和结束温度

图11 Q460钢的静态CCT曲线

3 讨论

对比动态和静态CCT试样的显微组织可以发现，动态CCT试样的晶粒尺寸相对较小，使用Nano Measure软件测量不同试样的铁素体尺寸，D-0.1试样和J-0.1试样的铁素体晶粒尺寸分别为(17.6 ± 0.8) μm和(27.43 ± 1.1) μm，表明塑性变形可显著减小试样晶粒尺寸，这是因为动态CCT试样在高温下发生了奥氏体动态再结晶，细化了原始奥氏体晶粒。对比图4(a)～图4(c)和图9(a)～图9(c)后可以发现，在较低的冷速下，相比于静态CCT试样，动态CCT试样中等轴状铁素体含量相对较高，表明塑性变形促进了高温下铁素体相变。此外，动态CCT试样中同一组织显微硬度要高于静态CCT试样的相应值，这可能是由于塑性变形产生了大量位错，试样中内应力增大，导致不同显微组织的硬度值增大。

相比于静态CCT曲线，动态CCT曲线中铁素体和珠光体相变区均向左上方移动，铁素体开始相变温度升高，这是因为外力作用使组织中晶粒发生变形，增加了过冷奥氏体的强度和位错密度[13]；此外，塑性变形促进了C原子和Fe原子的扩散与晶格重组，也有利于微合金元素的碳氮化物析出(形变诱导析出)[14]，在增加形核点的同时，使固溶在基体中的C和合金元素含量减少，奥氏体稳定性降低。由此可见，塑性变形促进了Q460钢中铁素体和珠光体相变，使铁素体开始相变温度升高。随着冷速进一步增大，虽然基体中原子扩散速率降低，但是变形过程生成的缺陷(大部分位于晶界)仍具有较高的变形储存能，易成为相变发生位置，因此，获得铁素体和珠光体的冷却速度范围增大。

类似地，动态CCT曲线中贝氏体相变区扩大，Bs温度升高。图12为动态试样D-20的碳复型析出物的形貌和EDS能谱，图中可以观察到(Nb，V，Ti)C析出物，这些存在于晶界和晶内的析出物为贝氏体相变提供形核点[15]，导致获得贝氏体的冷却速度的范围增大。

图12 D-20试样中析出物的TEM照片和EDS能谱

此外，相比于静态CCT曲线，动态CCT曲线中Ms温度相对较低。这是因为本实验在高温下采用大塑性应变，使得奥氏体中形成高密度缺陷(位错、亚晶)，导致马氏体转变的切变机制受阻[16]。此外，铁素体和珠光体相变属于扩散型相变，相变过程中伴随着排C现象。随着铁素体和珠光体相变过程的进行，排C量增加，剩余过冷奥氏体内C含量增加，稳定性增强，马氏体相变被抑制，进而Ms温度降低。

4 结论

(1)与Q460钢的静态CCT曲线相比，动态CCT曲线中铁素体和珠光体区域向左上方移动，表明动态CCT实验中，塑形变形促进了铁素体和珠光体相变。金相组织观察结果显示，塑形变形细化了铁素体晶粒尺寸。

(2)与Q460钢的静态CCT曲线相比，动态CCT曲线中贝氏体相变开始温度Bs升高，获得贝氏体的冷却速度范围增大，表明微合金元素的析出为贝氏体相变提供形核点，促进了贝氏体相变；而马氏体相变温度Ms相对较低，由此可见，塑形变形抑制了马氏体相变。

(3)对于同一冷却速度下的动态和静态CCT实验，动态CCT实验得到的钢样中同一类型组织的显微硬度相对较高，这与塑性变形引起的位错密度增加有关。