轧制及冷却工艺对特厚Q50...E桥梁钢板组织和性能的影响_胡显军.pdf

2023.3,3（2）|专题:桥梁用高性能钢材轧制及冷却工艺对特厚 Q500qE桥梁钢板组织和性能的影响胡显军，杨浩（江苏省（沙钢）钢铁研究院，江苏 张家港 215625）摘要：利用光学显微镜、扫描电子显微镜、拉伸、冲击试验机，研究不同轧制道次和冷却工艺对100 mm 厚 Q500qE 桥梁钢板组织和性能的影响。结果表明：大压下轧制可细化钢板心部组织，提高钢板强度和低温韧性；间歇冷却工艺可调控特厚板组织类型，提高冷却能力，改善性能均匀性，细化心部 M/A 岛组织，最终获得具有高强度、高韧性且低屈强比的等轴铁素体+板条贝氏体+少量粒状贝氏体组织。关键词：轧制和冷却工艺；特厚板桥梁钢；间歇冷却；低温韧性；屈强比Effect of rolling and cooling process on microstructure and mechanical property of extra-thick Q500qE bridge steelHU Xianjun,YANG Hao（Institute of Research of Iron and Steel of Sha-Steel of Jiangsu Province，Zhangjiagang 215625，China）Abstract：The effect of different rolling and cooling processes on the microstructure and properties of 100 mm thick Q500qE bridge steel is studied by optical microscope，scanning electron microscope，tensile and impact tester.The results show that big rolling ratio can reduce plate core grain size，and increase plate tensile strength and low temperature impact toughness.Intermittent cooling process can adjust the ratio of phase，and significantly enhance the cooling capacity.As a result，it is conducive to fining plate core M/A constituent to attain the high strength and toughness and low yield ratio microstructure of equiaxial granular ferrite+lath bainite+some granular bainite.Key words：rolling and cooling processes；extra-thick bridge steel plate；intermittent cooling；low temperature toughness；yield ratio引 言国民经济高速发展，桥梁建设如火如荼，桥梁钢的需求量越来越大，对钢板的质量要求也越来越高，不仅要求钢板具有较高的强度，还要求钢板具有良好的低温韧性、焊接性能和抗震性能1-3。随着超大跨度桥梁工程的不断建设4-5，在对钢板质量要求提高的同时，对钢板的使用厚度要求也越来越高，铁路中图分类号:TG335.5；TG115.5 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0040-05收稿日期：2023-02-25基金项目：江苏省科技成果转化专项资金项目（BA2021040）。作者简介：胡显军（1975），男，博士，研究员级高级工程师。研究方向：先进钢铁材料的研究开发。40轧制及冷却工艺对特厚 Q500qE桥梁钢板组织和性能的影响 胡显军 等桥梁设计规范中原有的最大 64 mm 的厚度范围已无法满足超大跨度桥梁的用钢需求，如川藏铁路大渡河特大桥所用Q500qE桥梁钢最大厚度将达到96 mm。在实际生产过程中，随着钢板厚度的增加，生产难度急剧增大。因厚度增加，轧制总压缩比不断减少，钢板的强度、韧性呈现下降趋势6，且由于厚度增加，钢板表层与心部之间的轧制变形及冷却速率也大不相同，导致钢板沿厚度方向出现组织与性能差异，极大影响钢板的整体性能7-8。而在此之前，Q500qE桥梁钢板的应用厚度规格多在 64 mm以下，上述问题尚未十分突出，因此关于轧制工艺与冷却方法对厚规格桥梁钢，尤其是特厚（厚度80 mm）、高强度（屈服强度500 MPa）桥梁钢，组织和性能影响的研究较少。本文以 Q500qE 钢为研究对象，通过力学试验和微观组织分析，研究轧制工艺、冷却方法对 100 mm 厚钢板的组织与性能的影响，为生产特厚 Q500qE桥梁钢提供试验依据和理论基础。1试验材料与方法工业轧制、冷却试验：试验钢经过顶底复合吹式转炉冶炼、LF 和 RH 炉外精炼后连铸成 320 mm 板坯，其化学成分如表 1所示。板坯加热至 1200，保温 2 h，然后由 5 m 四辊可逆式轧机和 MULPIC 加速冷却系统进行不同轧制压下量和冷却工艺的试验，成品钢板厚度为 100 mm。其中，1 号钢板粗轧阶段为 4道次轧制，道次压下量 2832 mm；2号和 3号钢板粗轧阶段为 3 道次轧制，道次压下量 3842 mm；精轧阶段轧制工艺相同。轧后钢板采用不同的冷却工艺进行冷却，1 号、2 号钢板采用连续冷却方式，3号钢板采用间歇冷却方式，终冷温度均为 380 左右，冷却工艺示意图如图 1所示。力学性能实验：在钢板厚度方向近表层和中心部分别取横向拉伸试样和纵向冲击试样。使用Model 1200 kN 型液压万能材料试验机测试钢板室温拉伸性能；使用 IMP450J 型摆锤冲击试验机进行冲击试验，试验温度为40 和60。显微组织分析：抛光表面经 4%硝酸酒精溶液腐蚀后在 Zeiss 光学显微镜下观察其显微组织。抛光表面经 LEPERA 试剂（1Na2S2O5水溶液4苦味酸酒精溶液）腐蚀后在 Zeiss光学显微镜下分析M/A 岛组织。采用 JSM-7001F 型号扫描电镜分析断口形貌。2试验结果与分析2.1粗轧压下量对钢板组织和性能的影响表 2 为经不同粗轧工艺，相同精轧和冷却工艺生产的钢板的力学性能。1 号钢板粗轧阶段采用 4道次轧制，粗轧道次压下量 2832 mm，与表层相比，厚度心部强度低、低温韧性较差，说明厚度方向性能不均匀。2 号钢板粗轧阶段，采用高温大压下技术，经 3 道次轧制，道次压下量 3842 mm，粗轧压下量较大，与 1号钢板相比，增加道次变形量后，2号钢板厚度心部强度和低温韧性明显升高，表层性图 1试验钢板冷却工艺示意图表 1试验钢的化学成分w（C）/%0.05w（Si）/%0.18w（Mn）/%1.6w（P）/%0.012w（S）/%0.002w（Cr+Ni+Cu）/%1.2w（Nb+V+Ti）/%0.08w（Al）/%0.03 41能变化较小。这表明减少粗轧道次，增加道次压下量可提高钢板心部强度和低温韧性。图 2为经不同轧制冷却工艺生产钢板的显微组织。1 号钢板粗轧阶段道次压下量较小，钢板厚度方向晶粒尺寸存在明显差异，钢板表层组织细小，心部组织异常粗大，原始奥氏体晶界清晰可见；2号钢板粗轧道次压下量增加，与 1 号钢板相比厚度心部晶粒尺寸减小，表明减少粗轧道次，增加道次压下量可细化钢板心部组织。图 3 为60 下钢板心部冲击断口形貌，在60 下钢板均发生脆性断裂，解理面上分布着河流花样，属于解理断裂，与 2号钢板相比，1号钢板心部断口形貌存在较大解理面，这与其较大的原始奥氏体晶粒相对应。上述试验钢板力学性能和显微组织表明，粗轧阶段道次压下量较小时，钢板心部原始奥氏体晶粒粗大，强度和冲击韧性均较低；减少粗轧道次，提高道次压下量到 3842 mm，可细化钢板心部组织，提高钢板强度和韧性，但厚度方向仍存在性能差异，且厚度心部性能不满足标准要求。2.2冷却工艺对组织和性能的影响表 3 为经不同冷却工艺生产的钢板的力学性能。2号和 3号钢板轧制工艺相同但冷却工艺不同，其中 2号钢板采用连续冷却工艺，3号钢板为间歇冷却工艺。3 号钢板屈服强度为 537555 MPa，抗拉强度为 685694 MPa，60 冲击功均大于 300 J，屈强比降低至 0.780.80。与 3 号钢板相比，2 号钢板表层屈强比偏高，厚度心部强度偏低且低温韧性较差。上述结果表明连续冷却工艺生产的特厚板厚度方向性能差异大且不满足标准要求。间歇冷却工艺不仅可以提高钢板心部强度和低温韧性，提高厚度方向性能均匀性，还可以降低钢板屈强比，提高钢板抗震性能。图 3不同粗轧道次试验钢板冲击断口形貌图 2不同粗轧道次试验钢板显微组织表 3试验钢板热轧后经过不同工艺冷却后钢板的力学性能钢板编号2号3号Q500qE桥梁钢性能要求冷却工艺连续冷却间歇冷却取样位置厚度心部表层厚度心部表层屈服强度/MPa496615537555500抗拉强度/MPa602707685694630延伸率/%2021252410屈强比0.820.870.780.800.86冲击功 KV2/J（-60）111，109，92305，321，314311，309，316345，351，328120表 2不同粗轧工艺试验钢板的力学性能钢板编号1号2号Q500qE桥梁钢性能要求粗轧道次43取样位置厚度心部表层厚度心部表层屈服强度/MPa443606496615500抗拉强度/MPa556689602707630延伸率/%1618202110屈强比0.800.880.820.870.86冲击功 KV2/J（40）10，16，13324，311，300111，109，92305，321，314120冲击功 KV2/J（60）8，6，7289，292，24328，21，19279，234，262-42轧制及冷却工艺对特厚 Q500qE桥梁钢板组织和性能的影响 胡显军 等图 4 为经不同冷却工艺生产的钢板的显微组织。2 号钢板心部为粒状贝氏体组织，而钢板近表层为板条贝氏体+少量粒状贝氏体组织，表明连续冷却过程中钢板心部与表层冷速相差较大，这也 是 2 号 钢 板 表 层 与 心 部 性 能 存 在 差 异 的 主 要原因。3 号钢板为细小的等轴铁素体+板条贝氏体组织+少量粒状贝氏体组织，厚度方向组织均匀细小，表明间歇冷却工艺可提高特厚板冷却渗透能力，改善厚度方向组织均匀性，从而也提高了厚度方向的性能均匀性。3号钢板通过间歇冷却时返温阶段生成部分等轴铁素体组织，为钢板提供相对较低的屈服强度；通过间歇冷却时降温阶段生成大量的板条贝氏体组织，为钢板提供了较高的抗拉强度，多 相 组 织 的 协 同 作 用 为 钢 板 提 供 较 低 的 屈强比。图 5中的白色颗粒为 2号、3号钢板心部的 M/A岛组织。2号钢板心部粒状贝氏体组织中 M/A岛含量较高，尺寸粗大且有尖角；3号钢板采用间歇冷却工艺，抑制了钢板心部大尺寸 M/A 岛组织的形成，M/A 岛含量明显降低，尺寸较小，呈椭圆形或球形弥散分布。图 6为 2号和 3号钢板心部的40 冲击断口形貌。2 号钢板心部断口形貌既存在韧窝也存在河流花样，表明冲击过程中试样不仅发生了塑性变形，而且出现了解理断裂，这也与其较低的冲击韧性相吻合；粗大且带尖角的 M/A 岛易产生应力集中，为钢板开裂提供了裂纹源，导致钢板发生部分脆性开裂。3号钢板心部断口形貌主要由大小不一且较深的韧窝构成，这说明在冲击过程中 3 号钢板发生较大的塑性变形，属于延性断裂；3号钢板细小的晶粒尺寸以及弥散分布的细小 M/A 岛组织使其具有良好的低温韧性。上述实验结果表明，粗轧阶段减少轧制道次，提高道次压下量到 3842 mm，冷却阶段采用间歇冷却工艺，可获得等轴铁素体+板条贝氏体+少量粒状贝氏体组织，且厚度方向组织差异较小，从而使钢板具有优异的厚度方向性能均匀，及高强度、高韧性、低屈强比的优良综合力学性能。2.3分析与讨论由上述组织、性能结果来看，特厚板性能薄弱区存在于钢板心部，若轧制道次压下量小，变形量将无法渗透到钢板心部，导致奥氏体晶粒粗大，影响钢板强度和低温韧性9。在粗轧阶段，随着变形量的增加，钢板内部畸变达到一定程度后，形变的奥氏体就将发生再结晶。因此可增加粗轧阶段道次压下量，促进再结晶，细化奥氏体组织。采用连续冷却方式生产特厚钢板时，表面与心部冷却差异大，造成组织、性能出现较大差异。心部温度较高，冷速较低，在贝氏体相变区奥氏体易转变为粒状贝氏体组织，其中含有大量尺寸粗大且带 尖 角 的 M/A 岛，导 致 钢 板 心 部 强 度 和 韧 性 较低10；而冷速相对较高的表层组织，贝氏体含量急剧增加，虽屈服强度和抗拉强度均有提升，但屈服强度升高更为显著，屈强比较高。因此采用连续水冷生产的钢板较难实现强度、韧性以及屈强比的良好匹配。图 5不同冷却工艺试验钢板的 M/A岛分布图 6不同冷却工艺试验钢板的断口形貌图 4不同冷却工艺试验钢板的显微组织 43采用间歇冷却工艺可通过冷却过程中反复的升、降温，实现对铁素体和贝氏体组织的调控。通过升温阶段较慢的冷速得到相对较软的铁素体组织，降温阶段较快的冷速获得相对较硬的贝氏体组织。组织中的软相更多决定钢板屈服强度，组织中的硬相更多决定钢板的抗拉强度，软相、硬相的相互协调，实现钢板的低屈强比控制，从而提高钢板的抗震性能。此外，特厚板采用间歇冷却可为钢板提供返温时间，降低钢板表面与心部温差，改善钢板内外冷却均匀性。上述研究结果表明，生产特厚规格高强度桥梁钢板时，在粗轧阶段提高道次压下量，在冷却阶段采用间隙冷却工艺，获得等轴铁素体+板条贝氏体+少量粒状贝氏体组织，抑制大尺寸 M/A 岛组织的形成，可使钢板具有较高的强度、较低屈强比以及良好的低温韧性。3结 论（1）大厚度钢板强度和低温韧性薄弱区存在于钢板心部，原始奥氏体晶粒尺寸是影响钢板性能的重要因素。粗轧单道次压下量提高至 3842 mm，可细化大厚度钢板心部组织，提高钢板强度和低温韧性。（2）连续冷却工艺冷却能力相对弱，表层与心部温差大，导致特厚板近表层和心部的组织和性能差异大，近表层存在大量的板条贝氏体组织，屈强比较高；心部为粒状贝氏体组织，且存在大量尺寸较大且带尖角的 M/A岛组织，低温韧性较差。（3）间隙冷却工艺，可实现对铁素体和贝氏体组织的调控，还可降低钢板表面与心部温差，提高钢板厚度方向的组织、性能均匀性，最终实现全厚度方向强度、韧性和屈强比的良好匹配。参考文献：1 毛新平，武会宾，汤启波.我国桥梁结构钢的发展与创新 J.现代交通与冶金材料，2021，1（6）：1-5.2 杨颖，张哲，侯华兴，等.不同屈强比 Q500qE 桥梁钢的疲劳裂纹扩展速率 J.金属热处理，2018，43（7）：229-232.3 武凤娟，杨浩，曲锦波.强化机制对高强度桥梁钢Q500qE 屈强比的影响 J.中国冶金，2020，30（12）：52-58.4 余宏伟，黄大军，董中波，等.轧制工艺对高强度桥梁钢厚板低温韧性的影响J.热加工工艺，2022，51（17）：30-34.5 彭 宁 琦，付 贵 勤，周 文 浩，等.高 强 韧 耐 候 桥 梁 钢Q690qNH 的防断选材及验收方法 J.钢铁，2022，57（3）：97-107.6 钱亚军，于青，袁仁平.TMCP 工艺对高强韧海工用特厚板低温韧性的影响 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