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刘文胜, 张可, 徐党委, 等丨终轧温度对低屈强比桥梁耐候钢组织及力学性能的影响

文摘   2024-05-29 18:19   北京  

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终轧温度对低屈强比桥梁耐候钢组织及力学性能的影响

刘文胜 1  张可 1,2   徐党委 2  孟少博 1,3  黄重 2  夏志升 2  张明亚 1  孙新军 3

1. 安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032
2. 安阳钢铁集团有限责任公司，河南 安阳 455004
3. 钢铁研究总院有限公司，北京 100081
DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223247
摘 要 采用Gleeble-3800热模拟试验机、拉伸试验机、显微硬度计等设备，并结合光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)等表征方法，研究了终轧温度对Cu-Cr-Ni低屈强比桥梁耐候钢组织和力学性能的影响，并阐明了其具体的变化机理。结果表明，终轧温度880℃下的Cu-Cr-Ni桥梁耐候钢组织为粒状贝氏体，随着终轧温度由880℃降低至800℃，组织中出现针状铁素体并逐渐增多；M/A岛的平均尺寸由1.3 μm增大至3.3 μm，且面积分数由21.7%增大至32.3%；基体中的位错密度显著升高，主要是由基体回复程度大幅降低导致的。此外，Cu-Cr-Ni桥梁耐候钢的硬度及屈服强度随着终轧温度的降低而有所升高，屈服强度由435 MPa增大至496 MPa，抗拉强度基本不变，约为710 MPa，这是由显微组织中的针状铁素体、M/A组元和位错密度等因素共同决定。屈强比增大但总体低于0.7，塑性略有提高。
关键词 桥梁耐候钢；终轧温度；显微组织；力学性能

1 前 言

随着我国桥梁设计的发展和大型化、大跨度钢桥的建设，高性能桥梁钢朝着高强、高韧、低屈强比以及具有良好的可焊性、耐腐蚀性方向蓬勃发展[1-3]。为了平衡这些性能，桥梁耐候钢主要采用含有Cu-Cr-Ni成分的设计体系[4]，以达到耐腐蚀的目的，同时加入一些微合金元素，如Ti, Nb和V等，形成微合金碳氮化物从而产生一定量的析出强化增量，提高桥梁钢强度。近年来，国内外专家学者逐渐倾向于采用低碳和控轧控冷(TMCP)工艺的设计，使得桥梁耐候钢获得具有良好塑性和强度的低碳贝氏体组织[5-8]。
由于桥梁钢的应用环境相对复杂，这就对桥梁结构钢的屈强比提出了严苛的要求。低屈强比可以使钢结构吸收较多的震动能量，有效缓解应力集中，避免钢构件的失稳和突然断裂，保证钢桥的安全可靠性[9]。因此，对低屈强比桥梁用钢进行开发和研究具有重大意义。目前，桥梁耐候钢降低屈强比的方法主要采用“软相+硬相”的方法，相关研究[10,11]表明，由铁素体和少量细化珠光体构成的组织有利于降低屈强比，但铁素体软相过于依赖微合金碳氮化物的沉淀强化作用来提高强度；而贝氏体和M/A [Martenite (马氏体)+Austenite (奥氏体)]岛混合组织在降低屈强比的同时又能获得较高的强度，但是M/A岛的尺寸和分布较难调控，对TMCP参数的精确性要求较高，其中，终轧温度更是会对其产生显著的影响。郑晓飞等[12]研究了X80管线钢的组织及力学性能，得出M/A岛的数目和尺寸随终轧温度降低而有所增大的结论；王玉玮[13]研究了终轧温度对耐候钢组织及力学性能的影响，结果表明，M/A岛的含量占比和平均尺寸随着终轧温度的升高而显著升高，M/A岛的增多使得耐候钢的抗拉强度有所升高；Guo等[14]研究了终轧温度对X90管线钢组织和拉伸性能的影响，结果表明，终轧温度升高，M/A岛的含量占比减小且尺寸增大。可见，即使同为低碳贝氏体钢，终轧温度对M/A岛的影响也大有不同。然而，国内外学者关于桥梁耐候钢方面的研究主要集中在腐蚀和疲劳行为[15-18]，有关终轧温度对其组织性能的影响却研究较少，低屈强比桥梁耐候钢的微观结构在不同终轧温度下的演变过程尚不清楚。因此，研究终轧温度对低碳贝氏体型低屈强比桥梁耐候钢显微组织演变的影响非常必要。
本工作基于Gleeble-3800热模拟试验机，采用光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)等方法，结合拉伸试验机和显微硬度计，研究了终轧温度对Cu-Cr-Ni低屈强比桥梁耐候钢组织及力学性能的影响，并根据显微组织随终轧温度的演变，探讨了力学性能的变化机理，以期为高性能桥梁耐候钢的组织调控和工业生产提供理论指导。

2 实 验

试验钢经150 kg真空感应炉冶炼并锻成钢坯，其主要化学成分如表1所示。从钢坯内部取样，并将其加工成Φ15 mm×80 mm的圆棒状试样，在Gleeble-3800热模拟试验机[馥勒仪器科技(上海)有限公司]上进行试验。具体试验工艺如图1所示，将试验钢在1250℃保温300 s，以10℃/s的速率冷却至1080℃，保温5 s，变形20%，应变速率1 s-1；然后以10℃/s的冷却速率分别冷却至880, 840和800℃，保温5 s，变形20%，应变速率1 s-1；随后以2℃/s冷却至750℃，再以15℃/s的冷却速率冷却至450℃，以1℃/s升温至500℃ (模拟返红过程)，再以1℃/s冷却至200℃，最后，空冷至室温。

表1   试验钢化学成分

Note: Bal. represents balance.


图1   试验钢的热模拟工艺图Fig.1   The thermal simulation process diagram of experimental steel
采用线切割机，将热模拟后的试样切去两端未变形部分，并沿着垂直轴线方向从变形试样的中心截面剖开，经研磨、抛光后制备成金相试样[图2(a)]。采用4vol%的硝酸酒精溶液腐蚀金相试样，置于GX51型光学显微镜(OM, 日本Olympus)下观察组织形态；采用Lepera试剂(4vol%的苦味酸酒精溶液与1wt%的Na2S2O5水溶液按体积比1:1混合)腐蚀M/A岛，拍摄10张以上OM图像，利用Photoshop软件对图像进行黑白对比染色处理，利用Nano-measure软件测量M/A岛尺寸并计算平均粒径，再用Image-proplus软件测量M/A岛的面积分数，采用Origin软件绘图。采用HV-1000型维氏硬度计(深圳市恒信杰科技有限公司)测定变形组织的显微硬度值，载荷0.5 kg，加载时间10 s，每个试样测7个值，去掉最大值和最小值后取平均值。于金相试样中心取出5 mm×5 mm×5 mm的试样，经机械磨抛后，用15vol% HClO4+85vol% C2H5OH溶液进行电解抛光，采用Oxford Nordlys F+型电子背散射衍射[EBSD，牛津仪器(上海)有限公司]技术对试样进行表征，扫描步长0.2 μm，放大倍数500倍，观测面与热压缩方向垂直。按照图2(a)所示位置和图2(b)所示尺寸取非标准微型拉伸试样[19]，在燕山大学的Inspekt Table 100 kN拉伸试验机(德国惠博材料测试公司)上进行室温拉伸试验。

图2   (a)试样加工及(b)微型拉伸试样尺寸示意图Fig.2   Schematic diagrams of (a) specimens processing and (b) micro-tensile sample size

3 结果及讨论

3.1　显微组织

图3为试验钢在不同终轧温度下的金相及M/A分布图。其中，图3(a)~3(c)为硝酸酒精腐蚀后的光学显微成像(Optical Microscope, OM)，而图3(d)~3(f)为采用Lepera试剂腐蚀并经Photoshop软件处理后的M/A岛分布图像，亮白色为M/A岛，黑色为基体。由图3(a)~3(c)可知，当终轧温度为880℃时，组织主要为粒状贝氏体(GB)；随着终轧温度降低至840℃，组织中出现少量针状铁素体(AF)；而当终轧温度降低至800℃时，AF含量增加，此时的GB含量减少，贝氏体趋于板条化。此外，试验钢的原始奥氏体晶界和晶内均存在大量的M/A岛[图3(d)~3(f)]，沿着原始奥氏体晶界分布的M/A尺寸较大，为4 μm左右，而原始奥氏体晶内的M/A尺寸较小，为1 μm左右。研究[10]表明，M/A岛为硬相组织，数量较多时能够在一定程度上提高钢的强度，但尺寸较大时容易产生应力集中，损害韧性。

图3   试验钢在不同终轧温度下的金相及M/A分布图：(a)~(c) 金相图；(d)~(f) M/A分布图

Fig.3   Metallographic and M/A distribution diagrams of experimental steel at different finish rolling temperatures: (a)~(c) metallographic diagrams; (d)~(f) M/A distribution diagrams

对拍摄的M/A岛进行测量统计(每个试样均统计10张照片)，得到M/A岛在不同终轧温度下的平均粒径和面积分数，如图4所示。终轧温度为880℃时，M/A岛平均尺寸为1.3 μm，面积占比为21.7%，而当终轧温度降低至840和800℃时，M/A岛平均尺寸分别为2.7和3.3 μm，面积占比分别为32.8%和32.3%，相比880℃下均显著增大。随着终轧温度由880℃降低至840℃，M/A岛尺寸和面积分数均增大，这与郑晓飞等[12]的研究结果较为相符。当终轧温度由840℃继续下降时，M/A岛平均尺寸仍有所增大，但面积分数持平，这是由于碳原子的消耗殆尽，M/A岛达到饱和状态，不能无限增长。

图4   M/A岛在不同终轧温度下的(a)平均粒径和(b)面积分数

Fig.4   (a) The average particle diameter and (b) area fraction of M/A island at different finish rolling temperatures

图5给出了试验钢在不同终轧温度下的晶界及取向差(θ)分布图。其中，红色线条代表小角度晶界(2°≤θ≤15°)，黑色线条代表大角度晶界(θ>15°)。图6为大小角度晶界占比图，由图可知，随着终轧温度由880℃降低至800℃，小角度晶界占比增加，大角度晶界占比减少。一般认为，小角度晶界的增加，可以反映位错密度的增大。采用式(1)和(2)，根据电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)数据中的局部取向差(KAM)可以估算出试验钢的几何必须位错密度[20-22]，如表2所示。

(1)

(2)
式中，ρGND为几何必须位错密度，u为EBSD扫描步长，取0.2 μm；b为柏氏矢量，取0.258 nm，KAMave为扫描区域的平均取向差值，KAML,i为在点i处的局部取向差值，N为扫描区域内测试点的数目。

图5   试验钢在不同终轧温度下的(a)~(c)晶界及(d)~(f)取向差分布图

Fig.5   (a)~(c) The grain boundary and (d)~(f) misorientation distributions of the experimental steel at different finishing temperatures

图6   试验钢的大小角度晶界占比图Fig.6   The grain boundary proportion diagram of experimental steel with large and small angles

表2   试验钢在不同终轧温度下的几何必须位错密度Table 2   Geometrically necessary dislocation density of experimental steel at different finish rolling temperatures


由表2可知，试验钢的位错密度变化趋势与图6中的小角度晶界变化趋势基本一致。当终轧温度由880℃降低至840℃，位错密度显著升高，这是由于较高温度下基体的回复作用相对较强，回复减弱导致位错密度升高。位错密度升高能够促进M/A岛的形成，这与图3(d)~3(f)和图4相互印证。当终轧温度降低至800℃时，试验钢的位错密度最大，为2.77804×1016 m-2，这意味着在800℃终轧时，能够获得更高的位错强化增量。但终轧温度降低时，会导致大角度晶界密度的降低(图6)，这可能会不利于其对裂纹扩展的阻碍作用，从而损害基体的低温韧性[12]。
图7为试验钢的再结晶、回复及变形晶粒的EBSD表征。其中，蓝色代表再结晶晶粒，黄色代表回复晶粒，红色代表变形晶粒。笔者所在课题组的前期研究[6]表明，试验钢的奥氏体向铁素体转变温度(Ar3)约为750℃，再结晶温度在1000℃以上，故第二阶段的变形处于奥氏体未再结晶区，该阶段的变形温度不会影响试验钢的再结晶行为。因此，随着终轧温度由880℃降低至800℃，试验钢中的再结晶晶粒占比基本一致。值得注意的是，在终轧温度降低的过程中，基体中的回复晶粒占比逐渐减少，变形晶粒占比逐渐增加。这种现象在终轧温度由880℃降低至840℃时尤为显著，说明试验钢在880℃终轧时发生了较为显著的回复，回复为基体的软化过程，能够显著降低位错密度以及亚结构的占比，这与前文中位错密度的升高相互印证(表2)，也解释了小角度晶界的变化趋势[图5(a)~5(f)]。此外，回复程度的降低会导致应变积累减少，而应变积累是M/A岛形核的相变驱动力之一[23]，因此，M/A岛的含量及尺寸会随之增加，进一步佐证了图4所得结论。

图7   试验钢的再结晶、回复及变形晶粒的EBSD表征：(a) 880℃；(b) 840℃；(c) 800℃；(d) 不同类型晶粒的面积百分比

Fig.7   The EBSD characterization of recrystallized, recovery, and deformed grains: (a) 880℃; (b) 840℃; (c) 800℃; (d) area percentage of different types of grains

3.2　力学性能

图8为试验钢在不同终轧温度下的硬度及拉伸性能。其中，图8(a)为硬度变化曲线，由图可知，随着终轧温度由880℃降低至800℃，试验钢的硬度值由250.7 HV上升至270.7 HV，硬度增大了20 HV。这主要是由试验钢位错密度的增大和硬相的M/A组元增多导致(图4和表2)。图8(b)为试验钢在不同终轧温度下的拉伸曲线，相较于880℃，840和800℃的拉伸曲线明显上移，二者基本重合，表明其强度和塑性较为接近。由图8(c)可知，不同终轧温度下的试验钢均具有良好的塑性，随着终轧温度的降低，总延伸率A和均匀延伸率Agt均略有增大，但变化并不显著(<1%)。由图8(d)可知，试验钢在终轧温度800~880℃范围内的抗拉强度Rm较为接近，均大于700 MPa，但屈服强度Rp0.2随终轧温度的降低而升高，由435 MPa增大至496 MPa，与硬度变化趋势基本一致。当施加外部载荷时，硬度较低的贝氏体铁素体优先发生屈服，屈服强度的大小跟组织的构成、晶粒尺寸及位错密度有关[24-26]。终轧温度降低，试验钢中的AF增多，由于AF尺寸较小，从而细化了贝氏体组织；此外，位错密度升高，位错强化增量变大，导致变形更加困难，也是提高屈服强度的重要原因。当试验钢发生屈服后，M/A岛(硬相)的含量及尺寸是抗拉强度变化的决定因素，M/A岛的尺寸越小，含量越多，抗拉强度就越高[27]。由于随着终轧温度的降低，试验钢中的M/A岛尺寸和含量均有所增大，故抗拉强度变化不明显。因此，终轧温度降低导致试验钢的屈强比升高(总体小于0.7)，这与王凤维[28]的研究结果一致。

图8   试验钢在不同终轧温度下的硬度及拉伸性能：(a) 硬度；(b) 拉伸曲线；(c) 延伸率；(d) 强度

Fig.8   Hardness and tensile properties of the experimental steel at different finish rolling temperatures: (a) hardness; (b) tensile curve; (c) elongation; (d) strength

4 结 论

本工作采用Gleeble-3800热模拟试验机、拉伸试验机、显微硬度计等设备，通过光学显微镜、电子背散射衍射等表征手段，研究了终轧温度对Cu-Cr-Ni低屈强比桥梁耐候钢组织及力学性能的影响，并根据显微组织随终轧温度的演变过程，探讨了力学性能的变化机理。得到如下结论：
(1) 试验钢在880℃终轧温度下的组织为粒状贝氏体，随着终轧温度由880℃降低至800℃，组织中出现针状铁素体并逐渐增多，并且M/A岛的平均尺寸由1.3 μm增大至3.3 μm，面积分数由21.7%增大至32.3%。
(2) 随着终轧温度由880℃降低至800℃，试验钢的小角度晶界占比有所增大，位错密度增大，这主要是由基体回复程度的大幅降低所致。
(3) 随着终轧温度由880℃降低至800℃，试验钢的显微硬度由250.7 HV增大至270.7 HV，屈服强度由435 MPa增大至496 MPa，抗拉强度基本不变；屈强比提高，但总体小于0.7。
略



Effect of finish rolling temperature on microstructure and mechanical properties of bridge weathering steel with low yield ratio

Wensheng LIU 1 Ke ZHANG 1,2 Dangwei XU 2Shaobo MENG 1,3Zhong HUANG 2Zhisheng XIA 2Mingya ZHANG 1Xinjun SUN 3

1. School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan, Anhui 243032, China
2. Anyang Iron & Steel Group Co., Ltd., Anyang, Henan 455004, China
3. Department of Structural Steel, Central Iron and Steel Institute Co., Ltd., Beijing 100081, China 
Abstract: The effect of the finish rolling temperature on the microstructure and mechanical attributes of Cu-Cr-Ni bridge weathering steel, characterized by a low yield ratio, was exhaustively explored in this study. Advanced testing methodologies including the Gleeble-3800 thermal simulation tester, tensile tester, and Vickers hardness tester were employed, in conjunction with characterization techniques such as optical microscope (OM) and electron backscattered diffraction (EBSD). This comprehensive approach aimed to elucidate the specific mechanisms governing these transformative changes. The results of the investigation unveiled pivotal transformations within the microstructure of Cu-Cr-Ni bridge weathering steel. Initially rolled at 880℃, the steel exhibited a granular bainitic microstructure. A reduction in the finish rolling temperature to 800℃ ushered in the formation of acicular ferrite, which gradually increased in prevalence. Simultaneously, the average size of the M/A islands expanded from 1.3 to 3.3 μm, accompanied by an increase in the area fraction from 21.7% to 32.3%. Notably, a marked elevation in dislocation density within the matrix was observed, primarily attributed to the considerable reduction in the degree of matrix restitution. Furthermore, these microstructural modifications were mirrored by notable enhancements in the material's mechanical properties. The hardness and yield strength of the Cu-Cr-Ni bridge weathering steel experienced a pronounced upswing with diminishing finish rolling temperatures. The yield strength, in particular, exhibited a remarkable increase from 435 to 496 MPa. Contrarily, tensile strength remained relatively stable at approximately 710 MPa. These mechanical variations were intricately linked to the prevalence of acicular ferrite within the microstructure, the presence of M/A constituents, and the heightened dislocation density. Importantly, the yield ratio exhibited an increasing trend, albeit generally maintaining a level below 0.7, indicative of a subtle improvement in plasticity. This research not only advances the understanding of materials science but also offers valuable insights for optimizing the manufacturing process of high-performance bridge steels, thereby contributing to the continued progress of the bridge structure.
Keywords: bridge weathering steel；finish rolling temperature；microstructure；mechanical property

引用本文： 刘文胜, 张可, 徐党委, 等. 终轧温度对低屈强比桥梁耐候钢组织及力学性能的影响. 过程工程学报, 2024, 24(4): 462-469. (Liu W S, Zhang K, Xu D W, et al. Effect of finish rolling temperature on microstructure and mechanical properties of bridge weathering steel with low yield ratio (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(4): 462-469, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223247.)

作者简介：刘文胜，硕士研究生，主要从事桥梁耐候钢的研究，E-mail: lwsahut@163.com；

作者简介：张可，博士，副教授，主要从事先进钢铁材料的基础理论与应用开发研究，E-mail: huzhude@yeah.net

基金信息： 河南省博士后科研启动项目(编号：202103098)；安徽省高等学校科学研究项目(编号：2023AH051090)；国家自然科学基金资助项目(编号：51704008)

中图分类号： TG142.1；TG335

文章编号：1009-606X(2024)04-0462-08

文献标识码： A

收稿日期：2023-09-10

修回日期：2023-10-04

出版日期：2024-04-28

网刊发布日期：2024-05-08






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