刘东博 赵丽洋 刘志平 尹邵江 刘宝喜 顾晓勇 徐向军
(1.燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004；
2.唐山中厚板材有限公司，河北 唐山 063200；
3.中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066004)
近年来，我国桥梁工程发展快速，为满足建造大跨度、复杂环境中桥梁的需求，高性能耐候桥梁钢中厚板逐渐得到推广应用。Q420qENH钢具有较高的强度、优良的韧性及良好的焊接性能和耐蚀性能，已被逐步用于桥梁建造[1- 4]。
Q420qENH钢在控制轧制阶段通过细化奥氏体晶粒，为铁素体提供更多的形核点，可得到细小弥散的铁素体和贝氏体组织，从而提高其强度和韧性[5- 7]。但在轧制厚板的过程中，钢板心部的变形不均匀，将导致其组织细化不充分[8]。此外，钢板轧制结束后，其表面和1/4厚度处受心部较高温度的影响，会发生明显的返温，使组织严重粗化[9- 11]。
本文研究了低温轧制的Q420qENH钢厚板的组织和性能，可为厚度不小于60 mm的Q420qENH钢板的工业生产提供参考。
试验用60 mm厚Q420qENH钢板由唐钢中厚板有限公司生产，其化学成分如表1所示，碳当量CE为0.44，冷裂纹敏感指数Pcm为0.19，耐候指数I为6.5。试验用Q420qENH钢经150 t转炉冶炼，浇铸成280 mm铸坯，冷坯入炉加热3 h以上，出炉温度不低于1 150 ℃，控轧控冷工艺参数如表2所示。在奥氏体再结晶区进行5道次粗轧，未再结晶区进行6道次精轧，轧后层流水冷，钢板厚度为60 mm。
表1 研究用Q420qENH钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the investigated Q420qENH steel(mass fraction) %
表2 Q420qENH钢厚板的控轧控冷工艺参数Table 2 Process parameters of controlled rolling and cooling for the Q420qENH steel thick plate
分别从钢板距上表面1/4和1/2厚度处及距下表面1/4厚度处切取纵向冲击试样和横向拉伸试样，进行摆锤式冲击试验和拉伸试验。金相试样采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用Lepera试剂对M- A组元进行着色腐蚀。
2.1 力学性能
1号和2号钢板的室温拉伸性能和-40 ℃冲击性能分别如表3和表4所示。1号和2号钢板不同部位的力学性能如图1所示。随着终轧温度的降低，钢板典型部位的屈服强度和抗拉强度均升高，断后伸长率略有降低，屈强比升高，冲击韧性大幅度提高，上1/4厚度处冲击吸收能量从91 J增加到355 J，1/2厚度处冲击吸收能量从33 J增加到325 J，下1/4厚度处冲击吸收能量从75 J增加到346 J。
表3 Q420qENH钢板不同部位的拉伸性能Table 3 Tensile properties in different positions of the Q420qENH steel plates
表4 Q420qENH钢板不同部位的-40 ℃冲击吸收能量(KV2)Table 4 Impact absorbed energy(KV2) at -40 ℃ in different positions of the Q420qENH steel plates
图1 1号、2号钢板力学性能的变化Fig.1 Change in mechanical properties of the steel plates No.1 and No.2
2.2 显微组织
图2和图3分别为1号和2号钢板的显微组织。可以看出，1号钢板不同部位的组织为多边形铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体，2号钢板不同部位的组织为多边形铁素体+粒状贝氏体，1号钢板组织明显比2号钢板粗大，这是由于终轧温度升高使先共析多边形铁素体数量增多，抑制了粒状贝氏体的转变[12]，而且较高的终轧温度使铁素体粗化。这将严重影响钢板的低温冲击韧性。
图2 1号钢板距上表面1/4厚度(a)、1/2厚度(b)和距下表面1/4厚度(c)处的显微组织Fig.2 Microstructures at 1/4 thickness below upper surface(a), 1/2 thickness(b) and 1/4 thickness below lower surface(c) in the steel plate No.1
图3 2号钢板距上表面1/4厚度(a)、1/2厚度(b)和距下表面1/4厚度(c)处的显微组织Fig.3 Microstructures at 1/4 thickness below upper surface(a), 1/2 thickness(b) and 1/4 thickness below lower surface(c) in the steel plate No.2
对两种钢板心部采用Lepera试剂着色腐蚀，然后用金相显微镜观察M- A组元的形态和分布，结果如图4所示。M- A组元呈亮白色，轧制温度较低的2号钢板M- A组元明显细化，数量减少，主要呈小颗粒状。采用IPP图像分析软件对钢板中M- A组元进行定量统计，结果如表5所示，终轧温度为803 ℃的1号钢板M- A组元比例较高，为2.04%，其平均尺寸为1.64 μm，最大尺寸为5.94 μm；
终轧温度为761 ℃的2号钢板M- A组元的比例明显下降，仅为0.77%，其平均尺寸也仅为0.98 μm。M- A组元为硬脆相，是影响冲击韧性的主要因素之一，在受到冲击载荷时，基体发生塑性变形，大块状M- A组元周围易产生应力集中，当超过临界应力时，将在M- A组元与铁素体基体界面形成微裂纹并失稳扩展[13]。
图4 1号(a)和2号(b)钢板1/2厚度处的M- A组元Fig.4 M- A constituents at 1/2 thickness in the steel plates No.1(a) and No.2(b)
表5 钢板中M- A组元的比例和尺寸Table 5 Proportion and size of M- A consituents in steel plates
对钢板心部进行电子背散射(electron back scattered diffraction, EBSD)分析，结果如图5所示。将晶粒取向差角θ≥15°的晶界称为大角度晶界，用黑线表示，晶粒取向差角θ为2°～15°的晶界称为小角度晶界，用白线表示。从图5可以看出，低温轧制的2号钢板的晶粒较细小，定量统计得出其平均晶粒尺寸为3.81 μm，大角度晶界比例为24%；
1号钢板晶粒较粗大，其平均晶粒尺寸为4.47 μm，大角度晶界比例为9%。通常，有效晶粒尺寸越大，其细晶强化效果越小，这是1号钢板屈服强度降低的主要原因[12]。
图5 1号(a)和2号(b)钢板1/2厚度处的EBSD分析结果Fig.5 EBSD analysis results at 1/2 thickness in the steel plates No.1 (a) and No.2 (b)
(1)低温轧制的60 mm厚Q420qENH钢板晶粒较细小，组织为多边形铁素体和粒状贝氏体。
(2)随着精轧终轧温度的降低，低温轧制的60 mm厚Q420qENH钢板的屈服强度和抗拉强度均略有提高，冲击韧性大幅度提高，上1/4厚度处的冲击吸收能量从91 J增加到355 J，1/2厚度处的冲击吸收能量从33 J增加到325 J，下1/4厚度处的冲击吸收能量从75 J增加到346 J。
(3)低温轧制的60 mm厚 Q420qENH钢板中M- A组元平均尺寸从5.94 μm减小到0.98 μm，其比例从2.04%降低到0.77%，大角度晶界比例从9%提高至24%；
细小的M- A组元使裂纹难以萌生和扩展，钢板韧性提高，其心部平均晶粒尺寸从4.47 μm减小到3.81 μm，细晶强化效果较好，钢板的屈服强度提高。