高性能桥梁用钢Q420qE 的研制开发

闫 博，胡会成，熊文名

（1.新余钢铁集团有限公司，江西338001；2.江西增鑫科技股份有限公司，江西338000）

0 引言

随着我国桥梁建设飞速发展，桥梁钢板的应用也越来越广泛，并不断向高强、高韧、低屈强比、大跨度和结构减重发展，无论数量还是质量已处于世界先进水平[1，2]。目前，传统的Q370MPa 级别的桥梁钢正逐步被Q420MPa 高强度级别的桥梁钢替代[3]。对Q420MPa 级高强桥梁钢而言，新国标对其交货状态、碳含量和冲击值均做了严格要求，因此开发此类钢种时多采用低碳和Nb、Ti 微合金化思路[4]，或添加少量的Ni、Cr、Cu 等提高钢板的强韧性[5]。此类经TMCP 工艺处理的420MPa 级高强桥梁钢是通过细化晶粒、提高位错强化来满足各项综合性能的，但它对某些热处理过程非常敏感，如钢梁制造过程对钢板的火焰矫正[6]，厚规格钢板增加的回火消应力处理等[7]。

因此，为满足桥梁用钢的使用安全和性能需要，结合已有的工艺技术装备，新钢公司组织研发了性能更加安全可靠的高强、高韧Q420qE 桥梁钢板。本文介绍Q420qE 钢的研发思路，根据桥梁钢性能改进需求设计了Q420qE 钢的化学成分及其实验方法和步骤，并通过对生产实验结果进行了统计分析，以获得Q420qE 钢最佳的回火热处理工艺。

1 Q420qE 钢成分设计和实验方法

1.1 成分设计

桥梁实验钢Q420qE 采用低碳+Nb、V、Mo 等微合金化成分设计。Nb 元素能产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化作用；V 元素能形成强碳化物，提高屈服强度和抗拉强度，特别是钢的热硬性，特别适合钢板去应力回火或火焰矫正；Mo 元素的作用是提高淬透性、热强性，防止回火脆性，并且对钢板的焊接有良好的影响[8]。Q420qE 钢具体成分设计如表1所示。

表1 Q420qE 钢化学成分

1.2 实验方法

1.2.1 实验钢板生产准备

实验钢Q420qE 采用转炉+RH 精炼炉+连铸板坯的方式生产坯料。板坯经过加热、控轧及轧后控冷方式（TMCP）制成厚度35 mm 钢板。TMCP 工艺如表2 所示。

表2 TMCP 工艺参数

1.2.2 实验方法及步骤

首先将实验钢在室温5%拉伸应变后进行人工时效，然后将实验钢分别在550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃进行高温回火，回火保温时间2 小时，最后对TMCP 和TMCP + T 处理工艺的实验钢板进行力学性能分析和金相组织观察。

2 实验结果与分析

2.1 TMCP 态钢板性能与组织

2.1.1 TMCP 态钢板性能

Q420qE 实验钢TMCP 态钢板性能如表3 所示。从表3 可以看出控轧控冷含Nb、V、Mo 元素低碳结构钢各项性能优异，具有较强的抗层状撕裂能力，屈强比控制在0.80 以下，完全符合标准要求以及钢板使用安全性。钢板同时满足心部冲击性能，并且具有良好的时效性，这是因为一定量的钒、钼具有强烈的抑制形变时效作用[9]。

表3 TMCP 态钢板各项性能

2.1.2 TMCP 态钢板组织形态

35mm 厚Q420qE 钢板厚度方向金相组织如图1 所示。图1 中，（a）、（b） 为钢板一侧表面处和1/4处金相组织，（c） 为钢板厚度1/2 处金相组织，（d）、（e）为钢板另一侧1/4 处和表面处金相组织。由图1可以看出钢板厚度方向组织主要是多边形铁素体、准多边形铁素体、珠光体以及贝氏体；厚度方向组织均匀，晶粒细小、大小均匀，心部无偏析。

图1 Q420qE 钢板厚度方向金相组织

2.2 不同回火温度对TMCP 钢板性能与组织的影响

2.2.1 不同回火温度对TMCP 钢板性能的影响

表4 为不同回火温度拉伸试验数据。由表4 以看出不同回火温度对TMCP 态钢板性能的影响规律，随回火温度升高屈服强度先升后降，抗拉强度变化不大，屈强比均提高接近0.83 的稳定值。TMCP+T 态钢板屈强比明显高于TMCP 态，这是因为，一方面贝氏体转变为回火索氏体，另一方面钼的特殊碳化物析出且呈弥散分布，使钢板出现二次硬化的现象，提高屈服强度比抗拉强度明显。

表4 不同回火温度拉伸试验

表5 为不同回火工艺下钢板厚度1/4 处与心部冲击功情况。TMCP+T 态钢板与TMCP 态钢板相比冲击值并未受大的影响，同样也满足钢板的标准值。但是在550 ℃和600 ℃保温温度下各厚度位置冲击值均出现较大波动，出现两高一低或一高两低现象。当回火温度继续提高后，其冲击功值得以提高并开始出现均匀化，从表中可以看出650 ℃回火时其值最稳定，700 ℃时又开始弱化。因此得出最佳回火温度为650 ℃。

表5 -40 ℃冲击试验

2.2.2 不同回火温度对TMCP 钢板组织的影响

图2 是不同回火温度下钢板金相组织，（a）～（d） 分别为550、600、650、700 ℃回火温度下钢板厚1/4 处金相组织，（e）～（h） 分别为550、600、650、700℃回火温度下钢板心部金相组织。

由图2 可以看出，在较低温度下回火，钢板厚1/4 处晶粒较粗大，为多边形铁素体和分散珠光体形貌，钢板心部富集较多珠光体和粒状贝氏体，铁素体晶粒粗大、不均匀。随着回火温度的提高，钢板厚度1/4 处组织变为等轴铁素体和分散均匀的珠光体，晶粒变细，但是700 ℃回火时可以发现珠光体越来越少、弥散，性能方面表现强度开始下降，而心部组织随回火温度的升高，组织更加均匀，心部贝氏体分解形成回火索氏体，其渗碳体呈颗粒状，有利于提高钢板综合性能，尤其是冲击韧性越来越优良。这是因为回火温度越高，钒的碳氮化物产生的中等沉淀强化阻碍晶粒长大越明显，而钼提高了碳氮化物的回火稳定性。

3 结语

高强、高韧桥梁钢研发试验表明，Q420qE 钢化学成分成分和TMCP 工艺设计科学合理的，TMCP态钢通过合适的回火热处理工艺，可以得到组织均匀、性能良好、质量稳定，适合钢结构加工、焊接的桥梁用钢。

（1）采用低碳+铌、钒、钼微合金成分设计，可以生产出具有良好强韧性、时效性及焊接性的TMCP态交货Q420qE 钢板，满足了GB/T714-2015 标准及钢板使用要求。

（2） 考虑厚规格TMCP 交货Q420qE 钢板内应力影响其焊接性，研究了不同回火温度对其性能及组织的影响，即回火温度650 ℃、保温2 小时，得到了Q420qE 钢板最佳工艺性能及均匀化组织。

（3）该产品质量稳定，适合钢结构加工、焊接，不降低钢板的原始力学性能，满足了工程项目的使用要求。