, 周晓光, 赵景莉 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
收稿日期：2018-02-03
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB0300603)。
作者简介：董春宇(1993-)，男，辽宁铁岭人，东北大学博士研究生;
赵宪明(1965-)，男，辽宁桓仁人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：通过对SM490YB实验钢进行热轧和超快速冷却实验, 研究了不同工艺参数对实验钢厚度方向不同位置的显微组织的影响, 分析了SM490YB实验钢的强韧化机理.实验结果表明:随着终冷温度的降低, 实验钢厚度方向相同位置的贝氏体和针状铁素体含量逐渐增加, 多边形铁素体和珠光体含量减少; 实验钢的强度和低温韧性随着终冷温度的降低而增加, 终冷温度为480 ℃、返热温度为554 ℃时, 力学性能最佳.冷却速率的增加可以提高实验钢的强度, 但过快的冷却速率会损害材料的韧性.
关键词：海洋工程用H型钢超快冷高强度大规格贝氏体
Effect of Cooling Process Parameters on Microstructure and Mechanical Properties of Marine Engineering H-Beam Steel
DONG Chun-yu, ZHAO Xian-ming
, ZHOU Xiao-guang, ZHAO Jing-li State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: ZHAO Xian-ming, E-mail: zhaoxm@ral.neu.edu.cn
Abstract: The effect of different process parameters on the microstructure and mechanical properties of marine engineering H-beam steel(SM490YB) were studied through the hot rolling and ultra-fast cooling experiments. The mechanisms of strengthening and toughening of SM490YB steel were analyzed. The results showed that with decreasing temperature of the final cooling, the contents of bainite and acicular ferrite increase at the same position in thickness direction of the tested steel, in contrast to those of polygonal ferrite and pearlite. Moreover, the strength and low-temperature toughness of the steel increase with the decrease of the final cooling temperature. When the final cooling temperature is 480 ℃ and the heat return temperature is 554 ℃, the performance of mechanical property is the best. The increase of the cooling rate can improve the strength of the tested steel, however the excessive cooling rate can deteriorate the toughness.
Key words: marine engineering H-beam steelultra-fast coolinghigh strengthlarge sizebainite
随着海洋油气资源的开采, 海洋工程用钢的需求量和力学性能要求逐渐增高.主要原因:①现在应用的大多数海洋工程装备由于使用寿命的限制, 开始更新换代[1].②全球对油气资源的开采依旧狂热, 海洋的油气资源占有量大, 目前各国都将开发资源的靶向对准海洋.从2005~2015年, 我国的H型钢的年产量由500~550万t增长到1 430万t.在全球经济持续走低的环境下, 热轧H型钢(特别是大规格)呈现出供不应求的状况[2].③由于近海岸油气资源经过长时间的开采已经日趋枯竭, 现在正朝着深远海域发展, 而深远海域具有更加强烈的风、波浪、地震等交变载荷共同作用的恶劣环境, 因此对于应用的海洋工程用钢具有更加严格的力学性能要求[3].除了高强度、高韧性、大线能量焊接要求, 同时还需要具备大厚度及大尺寸规格的要求[4].海洋工程用H型钢由于其自身具有的经济高效断面、质量轻、截面模数大、便于拼装组合的特点, 已经成为建造海洋工程平台最具使用价值的优异钢材, 呈现出极强的市场需求, 尤其是高强度大规格H型钢.目前, 国产H型钢可以满足大部分海洋工程的需要, 但是高强度大规格海洋工程用H型钢仍需从国外进口.
在高强度H型钢实际生产中, 普遍采用“微合金化+控制轧制”技术, 轧制线缺少对轧件性能的调控能力, 空冷后组织主要为铁素体和珠光体, 贝氏体等硬相组织含量很少[5-7].为了提高海洋工程用H型钢的强韧性, 通过轧后超快速冷却技术, 对H型钢中针状铁素体、粒状贝氏体、板条贝氏体等组织所占比例进行有效控制, 从而影响H型钢最终的力学性能[7-9].
1 实验材料和方法选用SM490YB作为实验用钢, 具体的化学成分如表 1所示.由于H型钢轧制时翼缘部分的压缩比小于腹板, 用于承担更多的力学载荷, 力学性能检测位置位于翼缘部分, 因此本实验通过平板轧制模拟翼缘部分的压下过程.本实验的目标产品规格为700 mm×300 mm, 大型H型钢的压缩比较小, 为4, 坯料厚度为96 mm, 产品翼缘厚度为24 mm.加热温度为1 200 ℃, 开轧温度为1 050 ℃, 终轧温度为850 ℃.采用控制轧制和超快冷工艺结合的方式进行实验, 研究不同终冷温度和冷却速率对实验钢组织性能的影响.拟定超快冷后返热温度分别为650, 600, 550 ℃, 冷却速率分别为20, 45, 60 ℃/s.具体的工艺路线如图 1所示，冷却工艺参数见表 2.
表 1(Table 1)
 表 1 SM490YB实验钢化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of SM490YB tested steel(mass fraction)
| 表 1 SM490YB实验钢化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of SM490YB tested steel(mass fraction) | |||||||||||||||||||||||||||
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 不同终冷温度和冷却速率的实验工艺方案Fig.1 Experimental schemes for different final cooling temperatures and cooling rates |
表 2(Table 2)
表 2 冷却工艺参数Table 2 Cooling process parameters
| 表 2 冷却工艺参数 Table 2 Cooling process parameters |
2 结果与讨论2.1 不同终冷温度的组织性能分析对不同终冷温度下实验钢厚度方向1/8, 1/4, 1/2处的显微组织进行观察, 发现实验钢的显微组织主要有板条贝氏体、粒状贝氏体、针状铁素体、多边形铁素体和少量的珠光体.在空冷条件下, 实验钢厚度方向的显微组织为铁素体和珠光体, 越靠近中心处铁素体晶粒尺寸越大.在超快冷条件下, 随着终冷温度的降低, 无论是表层还是中心层, 晶粒尺寸都得到了不同程度的细化.随着终冷温度的降低, 实验钢厚度方向1/8处的板条状贝氏体含量明显增多, 粒状贝氏体含量明显减少; 厚度方向1/4处的多边形铁素体逐渐减少, 粒状贝氏体增加, 并得到一定程度的细化; 厚度方向1/2处的多边形铁素体逐渐减少, 珠光体消失, 粒状贝氏体和针状铁素体数量逐渐增加, 晶粒越来越细小.终冷温度为480 ℃时, 实验钢厚度方向1/8处的显微组织为板条贝氏体和少量的粒状贝氏体, 1/4处的显微组织为粒状贝氏体和少量针状铁素体, 1/2处的显微组织为针状铁素体和少量粒状贝氏体.自然空冷条件下实验钢的显微组织主要为铁素体和珠光体.0#, 1#, 2#, 3#工艺下的显微组织如图 2所示.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 实验钢厚度方向显微组织Fig.2 Microstructure in thickness direction of tested steel (a)—1/8；(b)—1/4；(c)—1/2. |
对不同终冷温度下的实验钢进行力学性能测试发现, 空冷条件下的实验钢综合力学性能最低, 终冷温度为480 ℃、返热温度为554 ℃的3#工艺强韧性结合最好, 相对于相同终轧温度但采取自然空冷的0#工艺来说, 实验钢的屈服强度提高了101 MPa, 抗拉强度提高了92 MPa, 横向冲击韧性提高了26 J, 纵向冲击韧性降低了5 J, 延伸率降低了6 %.随着终冷温度的降低, 强度和低温冲击韧性都得到了不同程度的提升.具体力学性能如表 3所示.
表 3(Table 3)
表 3 不同终冷温度下SM490YB实验钢的力学性能Table 3 Mechanical properties of SM490YB tested steel at different final cooling temperatures
| 表 3 不同终冷温度下SM490YB实验钢的力学性能 Table 3 Mechanical properties of SM490YB tested steel at different final cooling temperatures | ||||||||||||||||||||||||||||||||
2.2 不同冷却速率的组织性能分析4#工艺的冷却速率为20 ℃/s, 5#工艺的冷却速率为60 ℃/s时, 实验钢厚度方向显微组织见图 3.与冷却速率为45 ℃/s的2#工艺对比发现, 冷却速率的提高对组织均匀化和晶粒细化有很大的促进作用.随着冷却速率的增加, 实验钢厚度方向1/8处的显微组织中板条贝氏体含量增加, 粒状贝氏体含量减少; 1/2处的铁素体含量减少, 粒状贝氏体和针状铁素体含量增加.冷却速率为45 ℃/s时表层与中心层的晶粒尺寸差别比冷却速率为20 ℃/s时明显减小, 这意味着增加冷却速率提高了厚度方向的组织均匀性.当冷却速率为20 ℃/s时, 厚度方向1/8处的显微组织主要有粒状贝氏体和少量的板条贝氏体；1/4处板条贝氏体基本消失, 多数为多边形铁素体、粒状贝氏体和少量的珠光体；1/2处的显微组织主要是多边形铁素体, 与1/4处相比, 粒状贝氏体含量减少, 珠光体含量增加.冷却速率为45 ℃/s的显微组织相比于20 ℃/s的组织, 贝氏体的转变量增加并得到了明显的细化.厚度方向1/8处主要以板条贝氏体为主, 1/4处以粒状贝氏体和针状铁素体为主, 1/2处以针状铁素体和少量的粒状贝氏体为主.当冷却速率为60 ℃/s时, 厚度方向1/4和1/2处以大量粒状贝氏体和针状铁素体为主, 粒状贝氏体较为粗大.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 实验钢厚度方向显微组织Fig.3 Microstructure in thickness direction of test steel (a)—1/8；(b)—1/4；(c)—1/2. |
不同冷却速率下实验钢的力学性能如表 4所示.从中可知, 冷速从20 ℃/s提高到45 ℃/s, 力学性能得到了很大的提升, 屈服强度提高了47 MPa, 抗拉强度提高了33 MPa, -40 ℃横向冲击功提高了52 J, 纵向冲击功提高了33 J, 延伸率仍然保持20 %.这说明冷却速率的提高有利于贝氏体含量增多、晶粒细化、厚度方向组织均匀性改善, 对于实验钢强韧性的结合起到了非常明显的促进作用.当冷却速率提高到60 ℃/s时, 实验钢的强度变化并不明显, 但韧性有所降低.因为对于轧后厚度为24 mm的钢材来说, 45 ℃/s的冷却速率已经足够大, 冷却速率的继续增加不会对强度的提升有明显的促进作用, 反而使有利于韧性提升的针状铁素体减少, 大量的粗大粒状贝氏体增多, 导致韧性降低.
表 4(Table 4)
表 4 不同冷却速率下SM490YB实验钢的力学性能Table 4 Mechanical properties of SM490YB tested steels at different cooling rates
| 表 4 不同冷却速率下SM490YB实验钢的力学性能 Table 4 Mechanical properties of SM490YB tested steels at different cooling rates | ||||||||||||||||||||||||||
3 结论1) 终冷温度是影响最终组织配比的关键因素, 随着终冷温度的降低, 实验钢厚度方向1/8处的板条贝氏体含量明显增多, 粒状贝氏体含量明显减少; 厚度方向1/4处的多边形铁素体逐渐减少, 粒状贝氏体增加, 并得到一定程度的细化; 厚度方向1/2处的多边形铁素体逐渐减少, 珠光体消失, 粒状贝氏体和针状铁素体逐渐增加.
2) 在不同终冷温度实验中, 终冷温度为480 ℃, 返热温度为554 ℃时, 力学性能达到最佳:屈服强度达到557 MPa, 抗拉强度达到651 MPa, -40 ℃横向冲击功达到211 J, 纵向冲击功达到225 J, 延伸率为19 %.
3) 冷却速率的提高使实验钢厚度方向表层的板条贝氏体含量逐渐增加, 中心层的贝氏体和针状铁素体含量逐渐增加; 冷却速率对于实验钢厚度方向的组织均匀性有明显的影响, 冷却速率越大, 实验钢厚度方向组织形态越接近.冷却速率的增加可以提高实验钢的强度, 但过快的冷却速率会损害材料的韧性.
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