钼含量和热轧后的冷却工艺对Q500qE桥梁钢板组织和力学性能的影响

韩承良 黄乐庆 董占斌 冯 伟

(1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200； 2.首钢集团有限公司 技术研究院， 北京 100043)

近年来，我国桥梁建设在向大跨度、重载荷、全焊接方向发展，对钢板强度、屈强比、焊接性能和低温韧性提出了更高要求[1]。新一代桥梁钢采用低碳成分，添加Nb、Ti、Mo等合金元素，采用热机械轧制(thermo-mechanical control process, TMCP)工艺使钢板兼具高强度、高韧性和良好的可焊性。但采用TMCP工艺生产桥梁钢组织难以控制，获得良好综合力学性能的难度大[2]。因此，获得兼具高强度、高韧性和低屈强比的显微组织是生产Q500qE桥梁钢产品的难点。

钼是低碳贝氏体钢的主要合金元素，能抑制先共析铁素体形成，提高贝氏体含量[3- 5]；并且随着钼的加入，抗拉强度提高幅度大于屈服强度，从而降低屈强比[6- 7]。层流冷却结束温度不同的钢板组织类型、相比例、晶粒尺寸均会有明显差异，导致Q500qE桥梁钢板强度、塑性、韧性、屈强比有显著差异[8- 12]。本文研究了钼的质量分数和层流冷却结束温度对Q500qE桥梁钢板组织和力学性能的影响，通过控制组织使钢板的屈强比、强度、韧性和塑性达到最佳结合。

1 试验材料及方法

试验用钢采用低碳和微合金化成分设计，如表1所示，其中Mo质量分数分别为0.05%、0.15%、0.20%。生产工艺为KR脱硫预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→VD处理→板坯连铸→板坯加热→双机架4 300 mm中厚板轧机轧制→层流冷却→热矫直→冷床空冷。

表1 试验用钢的化学成分(质量分数)

板坯加热温度为1 150～1 190 ℃，在炉时间180～350 min。采用两阶段轧制：第一阶段为再结晶区轧制，轧制温度高于1 050 ℃，累计变形量为89%；第二阶段为未再结晶区轧制，为避免产生混晶，始轧温度低于980 ℃，终轧温度为(860±20) ℃，累计变形量为64%，成品钢板厚度为8 mm。轧后采用层流冷却，开冷温度为720 ℃，冷速为35 ℃/s，冷却结束温度为530 ℃，在线热矫直后钢板置于冷床空冷至室温。设定Mo质量分数为0.20%，冷速为35 ℃/s，层流冷却结束温度分别为560、530、500 ℃，在线热矫直后钢板置冷床空冷至室温。进行拉伸试验和夏比V型缺口冲击试验，采用金相显微镜、扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和电子背散射衍射(electron back- scattered diffraction, EBSD)装置进行金相检验，研究Mo含量和层流冷却结束温度对钢板力学性能和显微组织的影响。

2 试验结果

2.1 Mo含量对力学性能和显微组织的影响

不同Mo含量钢板的力学性能如表2所示。可见随着Mo质量分数从0.05%增加至0.20%，屈服强度从463 MPa上升至581 MPa，抗拉强度从637 MPa上升至705 MPa，断后伸长率从25.0%下降至20.5%，屈强比先升高后降低，-40 ℃冲击韧性先降低后升高。此外，含质量分数0.05% Mo的钢板屈服强度低于技术要求，含质量分数0.15% Mo的钢板屈强比高于技术要求。含质量分数0.20% Mo的钢板具有最佳综合力学性能。

表2 不同Mo含量钢板的力学性能

不同Mo含量钢板的显微组织如图1所示。含质量分数0.05% Mo的钢板组织为准多边形铁素体+针状铁素体+粒状贝氏体；含质量分数0.15% Mo的钢板组织为粒状贝氏体，M- A组织粗大；含质量分数0.20% Mo的钢板组织为粒状贝氏体，贝氏体和M- A组织明显细化，且M- A组织明显增多。随着Mo质量分数从0.05%增加至0.20%，钢板中先共析铁素体减少直至消失，粒状贝氏体增多，且粒状贝氏体和M- A组织细化。

图1 含质量分数0.05%(a)、0.15%(b)和0.20% Mo(c)钢板的显微组织

2.2 层流冷却结束温度对力学性能和显微组织的影响

不同温度结束层流冷却的钢板的力学性能如表3所示。随着层流冷却结束温度从560 ℃降低至500 ℃，钢板屈服强度从526 MPa提高至662 MPa，抗拉强度从683 MPa提高至723 MPa，屈强比从0.77提高至0.92，断后伸长率从20.0%降低至17.0，-40 ℃冲击吸收能量均值从65 J提高至130 J。在560 ℃结束层流冷却的钢板屈服强度和低温冲击韧性的富余量不大，在500 ℃结束层流冷却的钢板屈强比和断后伸长率不符合技术要求。在530 ℃结束层流冷却的钢板具有最佳的综合力学性能，均符合技术要求。

表3 层流冷却至不同温度随后空冷至室温的钢板力学性能

不同温度结束层流冷却的钢板显微组织如图2所示。随着层流冷却结束温度的降低，钢板组织细化，在560 ℃结束层流冷却的钢板组织为粗大的粒状贝氏体；在530 ℃结束层流冷却的钢板组织为粒状贝氏体，但粒状贝氏体和M- A组织明显细化；在500 ℃结束层流冷却的钢板有板条贝氏体，粒状贝氏体进一步细化。

图2 层流冷却至560(a)、530(b)和500 ℃(c)随后空冷至室温的钢板显微组织

不同温度结束层流冷却的钢板的SEM和EBSD检验结果如图3所示。图3表明：含质量分数0.20% Mo，层流冷却结束温度为560、530和500 ℃的钢板均无铁素体，其组织均为贝氏体，且随着层流冷却结束温度的降低，M- A组织细化且数量增多，层流冷却结束温度为500 ℃的钢板出现板条贝氏体；随着层流冷却结束温度的降低，钢板平均晶粒尺寸从5.3 μm减小至4.5 μm，大角度晶界比例从15.0%提高至32.6%。

3 分析与讨论

Mo质量分数为0.05%的钢板生成了大量先共析铁素体，强度低、韧性好，导致未转变的奥氏体稳定性提高，形成细针状铁素体和细小M- A的粒状贝氏体[13]，提高了抗拉强度和冲击韧性。具有铁素体和贝氏体双相组织的钢板在塑性变形过程中，强度较低的铁素体首先屈服，强度较高的贝氏体在随后的变形过程中抗拉强度提高，从而明显降低屈强比，并且软硬相的强度差越大，屈强比越小[14- 15]。随着Mo含量的增加，抑制C元素扩散的作用增强，先共析铁素体消失，得到完全贝氏体，M- A组织细化。含质量分数0.15% Mo的钢板获得完全贝氏体组织，但M- A组织较粗，抗拉强度低，屈强比不符合要求，并且冲击韧性降低。含质量分数0.20% Mo的钢板贝氏体和M- A组织明显细化，抗拉强度和冲击韧性明显提高，屈强比满足要求。

由表3可知，随着层流冷却结束温度的降低，钢板屈服强度、抗拉强度、屈强比及冲击韧性升高，但塑性降低。由图3可知，层流冷却结束温度为560 ℃的钢板组织为粗大的粒状贝氏体，其屈服强度较低；M- A岛为二次相强化粒子，确保钢板具有较高的抗拉强度，所以屈强比较小；此外由于粗大粒状贝氏体结构简单，大角度晶界比例仅为15.0%，不能有效阻碍裂纹扩展，且粗大的M- A岛与基体之间易形成裂纹，两者综合作用导致钢板低温韧性较差。层流冷却结束温度为500 ℃的钢板组织为粒状贝氏体和板条贝氏体，且贝氏体明显细化，因此屈强比提高；降低层流冷却结束温度导致的晶粒细化和大角度晶界比例的升高，明显改善了钢板的低温韧性。

4 生产数据统计

对含质量分数0.20%Mo、层流冷却结束温度为530 ℃的钢板进行了300余批次性能检验，其屈强比和-40 ℃冲击韧性统计结果如图4所示。可见屈强比均值为0.80，-40 ℃冲击吸收能量均值为109 J，钢板性能良好。

图4 钢板的屈强比和低温冲击韧性统计结果

5 结论

(1)Mo含量和层流冷却结束温度显著影响Q500qE桥梁钢板的显微组织和力学性能；Mo含量较低的钢板生成大量的先共析铁素体，导致屈服强度不合格；Mo含量增加能得到完全贝氏体组织，并且组织细化、强度提高。

(2)随着层流冷却结束温度的降低，含质量分数0.20% Mo的钢板贝氏体细化，强度和冲击韧性提高，断后伸长率下降，层流冷却至500 ℃随后空冷的钢板生成了细小的粒状贝氏体和板条贝氏体，强度高、韧性好，但断后伸长率和屈强比不符合要求。

(3)为获得具有良好综合力学性能的Q500qE桥梁钢板，需提高Mo含量以避免生成先共析铁素体，并使钢板层流冷却结束后生成大量细小的M- A组织或板条贝氏体，以提高屈强比。

(4)含质量分数0.20% Mo、层流冷却至530 ℃随后冷床空冷至室温的Q500qE桥梁钢板具有最佳的综合力学性能。