回火时间对Q420qENH钢板拉伸性能和组织的影响

陈建超，郭龙鑫，，郑 磊，，郭 潇，关秀格

(1.河北省高韧性风塔钢工程研究中心,河北 邯郸 056305;2.河北省高塑韧性耐磨钢板技术创新中心，河北 邯郸 056305)

高性能桥梁钢作为新一代先进钢铁材料，与传统普通桥梁钢相比，除了具备高强度外，钢材的低温韧性、耐大气腐蚀性能，尤其是焊接性能有较大幅度提升[1]。耐候桥梁钢作为高性能桥梁钢的发展方向，在美国、日本及欧洲等地区已经广泛应用[2-5]。随着钢铁冶金行业的技术进步，对耐候钢认识的逐步加深，耐候钢桥梁所具有的绿色环保、维护养护简便、寿命周期成本低等优势[6]，已开始引起国内高度重视。近年来我国对大跨度、高负载、绿色环保的桥梁建设需求越来越大，新型耐候桥梁钢Q420qENH应运而生。

本文研究了在500 ℃回火温度下不同回火保温时间对Q420qENH耐候桥梁钢拉伸性能和微观组织的影响，旨在为Q420qENH耐候桥梁钢回火工艺的制定提供一定的参考。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料采用320 mm厚的Q420qENH耐候桥梁钢连铸坯，成分体系采用低碳成分设计，Nb、Cr、Ni、Cu微合金化，其化学成分见表1。以TMCP方式轧制成厚度为50 mm的耐候桥梁钢板，开坯厚度为120 mm，精轧开轧温度为830 ℃，精轧终轧温度为803 ℃，ACC冷却返红温度为712 ℃。其TMCP态钢板拉伸性能见表2。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)%

表2 试验钢的拉伸性能

1.2 试验方法

在轧后钢板的宽度四分之一处厚度四分之一处沿横向加工4根直径为10 mm的拉伸试样进行回火试验，回火使用KKQ中低温回火炉进行试验，回火温度为500 ℃，回火保温时间设置为15 min、30 min、60 min、90 min，出炉后空冷。

回火完毕后按照GB/T228.1-2010标准要求进行拉伸试验，并分别取轧态和不同回火时间下的金相试样进行打磨和抛光，腐蚀液采用4%的硝酸酒精溶液，通过金相显微镜和电子扫描显微镜对微观组织进行观察。

2 试验结果与分析

2.1 回火时间对拉伸性能的影响

试验钢在500 ℃时不同回火时间下的拉伸性能检验结果如表3所示。

图1为不同回火保温时间下试验钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和屈强比的变化趋势图。

图1 试验钢拉伸性能与回火时间的关系

由图1可以看出，回火时间在0～90 min之间变化时，随着回火时间的延长，试验钢的屈服强度呈先上升后下降的趋势，抗拉强度随回火时间的延长呈现先稍微下降后上升再下降的趋势，回火时间为60 min时，屈服强度和抗拉强度达到最大值，屈服强度达到481 MPa，抗拉强度达到590 MPa；断后伸长率呈现先下降后上升的趋势，回火时间为30 min时，断后伸长率最低降至24.5%；屈强比随回火时间的延长先逐步升高后保持稳定为0.82。当回火保温时间为60 min时，试验钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及屈强比达到最优匹配状态，为最佳热处理时间。

2.2 回火时间对钢板组织的影响

分别对TMCP态及不同回火时间下的试验钢进行金相观察，其金相组织如图2所示。

图2 轧态及不同回火时间下的金相组织

图2(a)为轧态组织，图2(b、c、d)分别为回火时间为30 min、60 min、90 min的金相组织。从图2可以看出，轧态钢板的组织为贝氏体+铁素体+珠光体组织。经过30～90 min时间回火后，试验钢的组织变化不大，仍是贝氏体+铁素体+珠光体组织，只是随着回火时间的延长，贝氏体中M-A岛发生部分分解，组织中析出物越来越多，同时细小的贝氏体、铁素体片条合并为较宽较长的铁素体片条。回火时间超过60 min后，析出物开始聚集长大并且球化。

对不同回火时间下的试验钢进行电子扫描显微镜观察，其SEM组织形貌如图3所示。

图3(a、b、c)分别为回火时间为30 min、60 min、90 min的SEM组织，图3(d)为图3(b)中析出物的能谱分析。可以看出，图3(a)中析出物多呈杆状；图3(b)中杆状析出物变短且有球化趋势，同时点状析出物增多；图3(c)中点状析出物已经明显粗化；图3(d)中回火后的析出物为多为碳化物包括Fe3C、NbC、TiC等及一些铜的析出物。

图3 不同回火时间下的SEM组织及能谱

2.3 讨论与分析

试验钢轧态组织主要由贝氏体+铁素体+珠光体组成。其中硬相珠光体和M-A岛数量较多，因此，轧态样具有较低的屈强比，为0.78。

贝氏体铁素体中碳原子是过饱和的[7]，轧态样经过500 ℃回火15～90 min时，贝氏体、铁素体中过饱和的碳原子及M-A岛分解出的碳原子开始向位错处偏聚，与Fe、Nb、Ti、Cu等原子结合形成碳化物析出，然后聚集长大、球化，同时贝氏体铁素体基体内板条亚结构逐渐发生合并和宽化，内部位错数量减少。

当轧态样经15 min短时回火后，少量碳原子将优先在自由能较高的位错处析出，起到钉扎位错阻碍位错滑移的效果[8]，使屈服强度升高，而碳原子的析出会降低固溶强化效果，使抗拉强度稍微降低，屈强比上升至0.80；随着回火时间延长到30 min，M-A岛硬相发生部分的分解，但是由于细小的碳化物大量析出，发挥较大的强化作用，使抗拉强度和屈服强度同时升高，屈强比也继续升高，达到0.81；在15～30 min短时回火析出的平衡相θ-Fe3C呈条片状，条片状θ-Fe3C大量析出并且集聚，非均匀分布，对于材料的韧性有不利的影响[9]，导致伸长率与轧态相比有所下降；当回火时间延长到60 min时，碳化物的析出速度减慢，屈服强度和抗拉强度继续升高，但是升高速度减慢，屈强比升高至0.82，此时条片状的θ-Fe3C集聚球化、粗化，颗粒数量减少，尺寸趋于均匀，对于韧性的不利影响逐渐减小，断后伸长率得到一定的提升，性能变得趋于强韧化；当回火时间延长至90 min时，贝氏体铁素体不断宽化,位错密度下降，固溶碳含量降低[10]，同时之前析出的碳化物进一步聚集长大并球化，析出物数量减少，综合作用，使可动位错数量增加，屈服强度和抗拉强度下降，伸长率提高，屈强比仍维持在0.82。

3 结论

(1)TMCP态Q420qENH钢板在500 ℃下15～90 min的时间范围内回火，随着回火时间延长，屈服强度和抗拉强度呈先上升后下降的趋势，断后伸长率呈先下降后上升的趋势，屈强比先逐步上升后趋于稳定。回火时间为60 min时各项力学性能达到最优状态。

(2)试验钢TMCP态组织为贝氏体+铁素体+珠光体，在500 ℃下随着回火时间的延长，贝氏体中M-A岛发生部分分解，组织中碳化物析出越来越多，同时细小的贝氏体、铁素体片条合并为较宽较长的铁素体片条。回火时间超过60 min后，析出的碳化物开始聚集长大并且球化。

(3)TMCP态Q420qENH钢板在500 ℃下15～90 min较宽时间范围内回火，均具有稳定良好的综合力学性能，为开发TMCP+T交货状态的Q420qENH耐候桥梁钢提供了依据。