变形及热处理制度对Q420厚板组织与性能的影响

李婧;赵德文;刘相华

【摘 要】介绍了规格100 mm Q420特厚板的物理模拟过程,分析了不同变形和热处理工艺对Q420特厚板组织和性能的影响,并得出不同质量级别Q420厚板的最佳生产工艺.结果表明：采用TMCP工艺钢板的强度、塑性和韧性均优于采用UPR工艺的钢板,且相应位置铁素体晶粒较细小;热轧钢板正火热处理显著改善了钢的塑性和韧性,但是降低了钢的强度;不同热轧工艺厚板在相同的正火温度下,热处理后钢板的强韧性相差较小,热处理前的轧制方式对热处理后钢板的组织和性能影响不大.%The physical simulation process of Q420 ultra-heavy steel plates 100 mm thick was carried out.The optimized production technologies of Q420 steel plates with different quality levels were obtained by analyzing the effects of deformation and heat treatment processes on the microstructure and properties of Q420 steel plates.The results showed that the steel plates rolled with TMCP（thermo-mechanical control process） process have better properties and finer ferrites than those rolled with UPR（ultra-heavy plate rolling） process.After heat treatment, the plasticity and toughness of the rolled plates are greatly enhanced,with the finer ferrites obtained,but the strength of the plates decreases.The steel plates normalized at the same temperature after different hot-rolling processes have little differences in the properties,showing the rolling processes have little impact on the microstructure and properties of the normalized plates. 【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2011(032)008 【总页数】6页(P1105-1110)

【关键词】Q420钢;厚板;TMCP;正火;组织;力学性能 【作 者】李婧;赵德文;刘相华

【作者单位】东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819 【正文语种】中 文 【中图分类】TG335.51

随着我国国民经济的快速发展以及超高层、大跨度钢结构建设项目的不断增加,机械建筑用特厚板的需求量逐年攀升,订货厚度规格也由原来的大多60 mm以下,上升到了100 mm和140 mm,甚至更高。在如此大厚度钢板上欲保证高强度与高韧性兼顾,其生产难度很大[1-2]。以往为保证较大的压缩比都采用铸锭为原料生产特厚板,但近年来,由于连铸坯具有能源消耗低、成材率高、工艺流程短等优点,被国内新建的一批4000 mm以上宽厚板生产线广为采用;但对于特厚板生产采用连铸坯为原料出现了压缩比小、心部质量弱、性能均匀性差等问题[3-4]。为了与现有宽厚板生产线协调,提高生产效率,并能保证钢板质量,如何采用连铸坯生产100 mm及以上规格特厚板的问题就应运而生。

本文在实验室条件下,采用3种热轧工艺结合热处理工艺,对规格100 mm Q420厚板进行了物理模拟实验,模拟比为2,研究了不同轧制和正火工艺参数对Q420钢板

强韧性能和组织的影响,为现场生产符合性能要求的Q420厚板提供了适宜的工艺指导。

1 实验材料及实验方法 1.1 实验材料

厚板原料在实验室实验过程中受到实验成品尺寸大小的限制,真空冶炼的方式是不可行的;按照物理模拟的基本原理和相似理论,实验的实物应尽可能接近现场实际生产条件,故实验钢选用国内某宽厚板厂100 t转炉冶炼的220 mm×2400 mm×L的Q420连铸坯。冶炼工艺为:脱硫扒渣→转炉炼钢→RH精炼→LF精炼→板坯浇铸。实验用钢化学成分(质量分数,%)为C 0.17,Mn 1.40,Si 0.40,S 0.005,P 0.014,Nb 0.032,V 0.068,Ti 0.044。 1.2 实验方法 1.2.1 轧制工艺

将铸坯放入箱式电阻炉加热到1 200℃,保温2 h;然后在 φ 450两辊多功能可逆轧机上进行热轧实验。由于实验轧机开口度的限制,实验时在此连铸坯下表面切除厚度60 mm的细晶区,以消除轧机最大开口度对铸坯厚度的限制。采用3种轧制工艺轧制成50 mm钢板:1#钢板采用高温奥氏体再结晶区控制轧制+控制冷却工艺(简称UPR工艺),开轧温度为1 010℃,终轧温度＞980℃;2#和3#钢板采用奥氏体再结晶区+奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制的TMCP工艺,第二阶段未再结晶区轧制开轧温度为940℃,终轧温度为890℃,两工艺区别在于2#钢板保证高温奥氏体再结晶区总变形程度为53%;3#钢板保证未再结晶区的总变形程度为55%,道次压下率均≥15%,轧后都采用加速冷却,终冷温度为650℃,冷却速度为5℃/s。实验过程中采用红外线测温仪进行测温。 1.2.2 热处理工艺

首先从以上3块实验钢板上各截取尺寸为200 mm×100 mm×h(L×B×h)的热轧

试样4块,然后在箱式电阻炉中进行正火热处理,热处理温度分别为980,950,920和880℃,保温60 min,正火后空冷至室温。 1.3 性能检验和组织观察

按GB/T 228—2002和GB/T 229—1998分别对热轧和热处理钢板进行标准制样,拉伸试样在钢板1/4厚度位置选取,冲击试样在钢板中心处选取;然后在WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机和Instron 9250HV型落锤冲击试验机上测定常规力学性能。金相试样经研磨、抛光和4%硝酸酒精溶液腐蚀,然后用 LEICA Q550IW光学显微镜观测分析微观组织,采用截线法测试铁素体的平均晶粒尺寸,并通过透射电镜观察其显微组织精细结构和位错结构。 2 结果及讨论 2.1 力学性能

热轧态和热处理态钢板的力学性能见表1。可以看出,热轧态和热处理态试验钢板的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率都达到了标准指标要求值。对比3种轧制工艺钢板,采用UPR轧制工艺的1#钢板的强度虽然达到了目标值,但是强度富余量都只有28 MPa,冲击韧性只达到了C质量级别要求,在-20℃其冲击功只有16J,综合指标达到Q420C厚板指标。与其相比,采用两阶段控制轧制的2#和3#钢板屈服强度、抗拉强度和冲击功都明显提高,断后伸长率略提高,都达到了D质量等级要求。对比2#和3#钢板发现,在总压下率一定的情况下,加大奥氏体未再结晶区总压下率的3#工艺钢板的强度增幅大于2#钢板,屈服强度提高50 MPa,抗拉强度提高37 MPa;钢板在较高温度(≥0℃)时的冲击功变化不大,但却显著改善了钢板的低温冲击韧性(-20℃)。可见,在总的压缩比一定的情况下,低温冲击功对轧制工艺比较敏感,TMCP工艺对改善钢板冲击韧性的作用明显,提高钢板未再结晶区的总压下率可以大幅改善钢板的低温冲击韧性。

对比不同轧制工艺正火热处理后的钢板性能发现,钢板的屈服强度和抗拉强度相对

热轧态钢板有所下降,但仍满足Q420级别厚板的强度要求;同时钢板的冲击韧性和断后伸长率得到了明显改善:在-40℃冲击功都超过了130 J,断后伸长率都达到了32%以上。不同轧制工艺钢板经相同热处理制度后性能变化趋势相同,其屈服强度、抗拉强度降低,断后伸长率和冲击功明显改善,且其相应性能差别不大,钢板强度降幅排序为1#＜2#＜3#,3#钢板热处理后屈服强度降低60 MPa以上,抗拉强度降低达50 MPa。相同轧制工艺钢板经不同热处理制度处理,随着热处理温度从880℃升高到980℃,钢板的屈服强度有所降低, 抗拉强度和断后伸长率变化不大,冲击功降低。 表1 实验钢板力学性能Table 1 Mechanical properties of the test plates 1# 548 388 28.0 90 55 16 980 543 383 34.1 174 136 950 533 383 34.9 207 148 920 535 388 35.5 223 148 880 553 393 32.8 237 186 2# 578 418 29.5 123 92 34 980 533 365 34.3 158 133 950 530 380 36.3 197 182 920 533 393 35.7 213 163 880 553 393 34.6 231 168 3# 585 438 29.1 125 95 82 980 535 378 35.0 196 134 950 533 378 35.6 201 170 920 530 375 36.1 280 185 880 545 389 34.9 226 196 2.2 热轧态钢板显微组织

图1为3种工艺热轧态钢板厚度方向不同位置的金相显微组织。可以看出,热轧态钢板表面组织均为贝氏体组织,这是由于轧后采用层流加速冷却,钢板表面冷速较大所致。而钢板厚度1/4处和钢板心部组织由于冷速较慢均为多边形先共析铁素体+珠光体。1#钢板厚度1/4处和心部的铁素体平均晶粒尺寸分别为 20.2 μ m 和23.6 μ m;采用TMCP工艺的2#钢板厚度1/4处和心部的铁素体平均晶粒尺寸分别细化为16.9 μ m和18.1 μ m;同样采用TMCP 工艺,但是加大未再结晶区总压下率的3#工艺钢板厚度1/4处和心部的铁素体平均晶粒尺寸分别为14.3 μ m和15.0 μ m,铁素体晶粒得到进一步细化,这也验证了3#工艺钢板组织性能优于其他2种工艺钢板。

图1 实验钢热轧态钢板厚度方向不同位置显微组织Fig.1 Microstructures of hot-rolled plates at different positions alon g thickness direction(a)—1#钢板;(b)—2#钢板;(c)—3#钢板。 2.3 热处理钢板显微组织

3种轧制工艺钢板热处理后的金相组织如图2所示。可以看出,不同热轧工艺钢板在880℃正火后钢板在厚度1/4处显微组织均为多边形铁素体+珠光体,与图1相应的钢板的显微组织相比,铁素体晶粒尺寸得到明显细化,1#,2#和3#钢板的铁素体平均晶粒尺寸分别为11.8,11.5和11.2 μ m,并且3种工艺钢板在相同正火温度热处理后相应位置的铁素体晶粒尺寸差异较小,这也说明不同轧制工艺钢板热处理后性能相当。

图3为3#钢板不同温度热处理后厚度1/4位置处的显微组织。结合图2c可以看出,显微组织均为多边形铁素体+珠光体;经截线法测量得出,从980℃逐渐降低到880℃,铁素体平均晶粒尺寸由 12.8,12.2,11.7 μ m 细化到 11.2 μ m。可见随着正火温度的提高,铁素体晶粒变粗大,但是热轧态钢板的带状组织得到明显改善。 图2 不同热轧工艺钢板880℃正火后1/4厚度处显微组织Fig.2 Microstructures at a quarter thickness position of the plates normalized at 880℃after different rolling processes(a)—1#钢板;(b)—2#钢板;(c)—3#钢板。 图3 3#钢板不同温度正火后1/4厚度处显微组织Fig.3 Microstructuresat a quarter thickness position of No.3 plate normalized at different temperatures(a)—980℃;(b)—950℃;(c)—920℃。

图4为3#热轧钢板的TEM组织形貌和组织中位错的精细结构。由图4a和图4b看出,3#热轧钢板组织为典型的铁素体+珠光体组织,珠光体呈铁素体和渗碳体交替排列的片层状结构,铁素体组织中含有大量的位错。图4c和4d表明,钢板在880℃正火热处理后,虽然组织仍为铁素体+珠光体球团,珠光体呈片状,但与热轧钢板组织

对比,组织中的珠光体片层间距减小,位错密度有所降低,在局部区域位错交割;在位错线张力作用下,位错线呈平直状,这是由于热处理温度下位错的运动造成的,异号位错相互吸引抵消;位错不但滑移还进行攀移,重新组合,使弹性畸变能降低。组织中精细结构的变化是热处理钢板强度降低的反映。

图4 3#钢板典型组织形貌与位错结构Fig.4 Microstructures of No.3 plate after heat-treatment(a)—热轧钢板厚度1/4处;(b)—热轧钢板位错结构;(c)—热处理钢板厚度1/4处;(d)—热处理钢板位错结构。 3 讨 论

3.1 不同TMCP工艺对钢板组织和性能的影响

由表1和图1实验结果看出,不同轧制方式对钢板的组织和性能具有显著影响。采用两阶段控制轧制的2#和3#钢板力学性能与奥氏体再结晶区控轧的1#钢板相比,在保证钢板塑性变化不大的情况下,钢板的屈服强度、抗拉强度和冲击韧性明显提高,在很大程度上改善了钢板的低温冲击韧性。这主要与奥氏体再结晶区控轧和奥氏体再结晶区+奥氏体未再结晶区两阶段控轧的细化机理有关。在奥氏体再结晶区变形主要是通过对加热时粗化的奥氏体反复变形、再结晶,使之细化,形核地点多是在奥氏体晶界,并且奥氏体再结晶区轧制终轧温度较高,奥氏体晶粒粗大,由于遗传因素导致铁素体晶粒亦粗大;而对于两阶段控轧的TMCP工艺,奥氏体不仅在奥氏体再结晶区得到细化,最主要的是在奥氏体未再结晶区变形,奥氏体沿轧制方向被压扁拉长,在晶粒内产生变形带,形核不仅仅在奥氏体晶界上,变形带也成了铁素体的形核地点[5-7],这就进一步促进了铁素体晶粒的细化,图2中金相显微组织验证了对实验结论的分析。

与2#钢板相比,3#钢板在其他轧制参数基本相同,保持总变形量一定的情况下,加大了未再结晶区总压下率的分配量,其屈服强度提高20 MPa,抗拉强度略有升高,断后伸长率略有降低,变化幅度很小。这是因为加大奥氏体未再结晶区总压下率,使奥氏

体未再结晶区的形变累积加大;位错密度增大,形变带的出现使铁素体形核点增多,是铁素体细化的原因。同时,钢板的冲击韧性有改善的趋势,在室温和0℃时钢板的冲击韧性稍有提高,但是在-20℃的低温下,冲击功得到显著改善,这都归结于钢板组织的细化。

3.2 不同热处理工艺对钢板组织和性能的影响

从表1看出,3种轧制工艺钢板随着正火温度从980,950,920℃降低到880℃,钢板的屈服强度提高,抗拉强度和断后伸长率变化不大。这是因为奥氏体化温度越高,微合金化合物溶解得越多,在冷却过程中析出的第二相粒子数量越多,这将使钢板的强度相对低温时的强度增加[8];但是高的奥氏体化温度使奥氏体晶粒相对粗大,在随后的冷却过程中使转变的铁素体晶粒尺寸较大,这又使钢板的强度降低。这两方面因素的制约导致钢板在实验温度范围内强度变化不大,但都将使钢板的韧性恶化;所以韧性都随着正火温度的提高而显著降低,这也说明了在相同正火温度和保温时间的条件下,采用 TMCP工艺与采用UPR工艺相比,钢板屈服强度较热轧前降幅大的原因。

总的来说,采用不同轧制方式的钢板经正火热处理后,钢板强度均有所降低,但是冲击韧性和塑性得到了显著提高。正火能改善钢板的韧性是以牺牲钢板的强度为代价,因此为了提高钢板的冲击韧性只有当屈服强度有富余时才能采用正火热处理方法,并且要选择适当的正火温度以保证屈服强度合格的同时又有较高的冲击韧性。 3.3 热处理前轧制方式对热处理钢板组织和性能的影响

由表1看出,无论热处理前采用3种轧制工艺的哪一种,在相同的正火温度下,热处理后钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和冲击功相差不大。这是因为钢板奥氏体化后冷却前奥氏体晶粒尺寸相当,虽然采用TMCP工艺的钢板原始晶粒尺寸较采用 UPR工艺的钢板的晶粒尺寸细小,但是其长大速度较快。

综上得出,生产质量等级要求不高的A,B,C级厚板采用热轧态交货,最佳生产工艺为

奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制的TMCP工艺,道次间隔时间、轧制后和水冷前的间隔时间都要尽可能短,并且尽量保证钢板未再结晶区的总变形程度,保证钢板的轧制节奏,以免晶粒长大,恶化钢板性能。对于生产高质量级别D级,E级Q420特厚板时采用热处理状态交货,最佳的生产工艺是UPR轧制+水冷+正火热处理,热处理温度为880～920℃,这样省去了控轧道次之间的待温时间,可以减少热处理前的生产工序。 4 结 论

1)与采用UPR工艺的钢板相比,采用TMCP工艺的Q420厚板的屈服强度、抗拉强度和冲击韧性明显提高,断后伸长率略提高,铁素体晶粒细化;在总压下率一定的情况下,加大未再结晶区的总压下率可使钢板屈服强度提高,冲击韧性得到显著改善。 2)采用相同轧制工艺的钢板随着正火温度从980,950,920℃降低到880℃,钢板的屈服强度和冲击韧性提高,抗拉强度和断后伸长率变化不大,铁素体组织得到细化;Q420厚板正火热处理的最佳热处理温度为880～920℃。

3)采用不同轧制工艺的Q420钢板经正火热处理后,钢板的屈服强度和抗拉强度相对热轧态钢板略降低,冲击韧性和断后伸长率得到明显改善:-40℃冲击功都超过130 J,断后伸长率都超过32%,钢板的强韧性能得到更好的匹配;在相同的正火温度下,热处理后钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和冲击功相差较小,说明热处理前的轧制方式对热处理后钢板的性能影响不大。 参考文献:

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