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：2020-12-03
基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2015AA03A501)。
作者简介：高彩茹(1965-), 女, 内蒙古赤峰人, 东北大学副教授;
杜林秀(1962-), 男, 辽宁本溪人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：通过光学显微镜和扫描电镜观察了不同回火温度下在线淬火Q690q试验钢显微组织，并通过拉伸试验对其力学性能进行了测试.结果表明，在线淬火试验钢主要为板条贝氏体组织，在540~650 ℃回火，试验钢为回火索氏体组织(铁素体基体上分布着较多的碳化物颗粒).随着回火温度的升高，板条尺寸变大，碳化物颗粒析出数量增多，平均尺寸变大，大角度晶界数量增多.同时随着回火温度的升高，试验钢强度呈下降趋势，塑韧性呈上升趋势.620 ℃下试验钢的综合力学性能最佳，屈服和抗拉强度分别为878，992 MPa，断后延伸率为20%，-40 ℃下冲击吸收功为143 J.
关键词：Q690q桥梁钢回火温度显微组织大角度晶界力学性能
Effect of Tempering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of On-Line Quenched Q690q Bridge Steel
GAO Cai-ru, QU Bing-bing, TIAN Yu-dong, DU Lin-xiu
State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: DU Lin-xiu, E-mail: dulx@ral.neu.edu.cn.
Abstract: The effects of tempering temperatures on microstructure and mechanical properties of the on-line quenched Q690q bridge steel were investigated through optical and scanning electron microscopes and tensile tests. The results show that the microstructure of the on-line quenched steel is primarily the lath bainite. After tempering at 540~650 ℃, the microstructure is the tempered sorbite. It is also found that with the increase of the tempering temperature, the lath width and the averaged grain size become larger, and the amounts of the carbide precipitations and large-angle grain boundaries increase. Meanwhile, with the tempering temperature increasing, the strength of the tested steel trends to be decreased, in contrast to the plasticity and toughness. At 620 ℃, the tested steels have the best mechanical properties, in which the yield and tensile strengths are 878 MPa and 992 MPa, the percentage elongation after fracture is 20%, and the impact absorption energy at -40 ℃ is 143 J.
Key words: Q690q bridge steeltempering temperaturemicrostructurelarge-angle grain boundarymechanical properties
随着我国基础设施行业的快速发展，我国桥梁建设经历了几个重要的发展阶段，从1957年中国借助前苏联生产的A3(Q235) 钢完成了武汉长江大桥的建设，20世纪60年代，中国自主研制的15MnVNq(Q420) 成功运用于九江长江大桥，到目前港珠澳大桥的建设，我国桥梁建设正向着大跨度、重载荷方向发展，Q690q桥梁钢具有较高的强度，能够有效减少桥梁结构的自重，节省原料的使用，同时满足良好塑性、低温冲击韧性和焊接耐蚀性能的要求，能够很好地在各种户外环境下服役，符合未来桥梁钢发展趋势，受到国际社会的青睐[1-2].
Q690q桥梁钢目前主要采用的生产工艺为离线淬火+回火(RQ&T)，离线淬火回火工艺在试验钢热轧后需要经过离线高温再加热进行奥氏体化热处理，生产功耗高、工艺复杂、成本较高.在线淬火回火(DQ&T) 工艺，将试验钢在奥氏体未再结晶区进行控轧，热轧后立即进入层流冷却装置进行水冷，迅速淬火至室温，相比传统的RQ&T工艺，在线淬火通过对终轧温度和冷速的控制，能够有效地细化晶粒和组织，提高试验钢强度和塑韧性[3-4].李红英等[5]通过对在线淬火工艺Q690钢组织和性能的影响研究发现在线淬火工艺实验钢可以保留大量的变形组织，同时可以细化板条马氏体，位错和变形带为碳化物提供更多的形核位点，具有更好的综合力学性能，同时DQ&T工艺减少了再加热淬火热处理工序，节约能源，降低了生产成本，有利于企业大规模自动化生产[6-7].
由于在线淬火时试验钢在较高的冷速下冷却到室温，转变的板条马氏体或贝氏体组织内部碳过饱和度较高，晶格畸变严重，试验钢内部存在较大的组织应力，通过适当的回火热处理可以使碳和合金元素在加热保温过程中通过扩散作用从晶格间隙析出，使试验钢组织发生回复，消除内应力，改善其塑韧性能，同时碳元素与微合金元素Nb，V，Ti作用以碳化物形式析出，在一定程度上提高试验钢的强度，获得良好的综合力学性能[8-11].
Q690q桥梁钢由于有强度高、自重轻等优点，具有广阔的应用前景，为了研究在线淬火回火(DQ&T) 条件下Q690q桥梁钢组织和力学性能的变化规律，本文探究了在奥氏体未再结晶区进行控轧，在线淬火条件下，540，580，620，650 ℃不同回火温度对Q690q桥梁钢组织和力学性能的影响.
1 实验材料与方法桥梁钢Q690q通过真空感应加热炉冶炼，严格控制P，S元素含量，并将铸锭锻造成尺寸为130 mm×120 mm×80 mm锻坯，具体化学成分见表 1.试验钢采用单阶段轧制，在奥氏体未再结晶区进行控轧，开轧温度设定为940 ℃左右，以较大的压下量在低温阶段进行轧制使奥氏体组织被压扁、拉长，形成较多的变形带和位错等亚结构，为铁素体形核提供更多的位点，经7道次轧制后试验钢压下到20 mm，终轧完成后立即进入层流冷却系统进行水冷，迅速淬火至室温.为了完全消除内应力，改善试验钢塑韧性，当试验钢冷至室温后，在箱式电阻炉中分别加热到540，580，620，650 ℃进行回火，保温60 min，研究回火温度对试验钢组织性能的影响，具体实验工艺见图 1.
表 1(Table 1)
 表 1 试验钢化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) ?
| 表 1 试验钢化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 试验钢在线淬火回火工艺制度Fig.1 On-line quenching and tempering process of the tested steel |
使用4%的硝酸酒精溶液对金相试样进行腐蚀，在BX53M奥林巴斯金相显微镜和蔡司场发射扫描电镜下观察试样组织形貌.使用线切割设备制取10 mm×8 mm×6 mm EBSD试样，并在-20 V，12.5%的高氯酸酒精溶液中电解抛光20 s，使用ULTRA55型场发射扫描电镜电子衍射背散射系统在2 000倍步长0.1 μm/s条件下进行扫描，分析不同回火温度下试样大、小角度晶界变化对其力学性能的影响.根据GB/T 2975—2018取样位置要求，沿垂直于轧制方向切取?8 mm, 原始标距40 mm的拉伸试样，沿轧制方向取55 mm×10 mm×10 mm标准冲击试样，使用10 t万能拉伸试验机和450 J落锤冲击试验机对试验钢不同状态下力学性能进行检测.
2 实验结果与分析2.1 试验钢组织分析试验钢在线淬火至室温下组织如图 2所示，可以看出试验钢主要为板条贝氏体组织.从金相组织中可以看出，试验钢在奥氏体未再结晶区轧制时，奥氏体晶粒被压扁，沿轧制方向被拉长，不同板条束之间交错排列，取向差较大，板条束内部板条贝氏体结构几乎平行分布，板条束之间分布少量的块状贝氏体组织.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 试验钢在线淬火显微组织Fig.2 Microstructure of the tested steel after on-line quenching (a)—金相组织；(b)—SEM组织. |
试验钢不同回火温度下光学和扫描电镜显微组织如图 3所示.试验钢组织为回火索氏体结构，可以看出随着回火温度的升高，组织明显发生回复，板条边界变得模糊，带状结构消失，部分板条发生合并，尺寸变宽，同时碳元素与合金元素通过扩散作用以碳化物形式析出.从扫描电镜下可以明显看出在晶粒和组织边界处有较多的碳化物颗粒分布，随着回火温度升高，碳化物颗粒尺寸变大，分布变得弥散，650 ℃回火时，在铁素体组织内部也有少量的碳化物颗粒析出.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 试验钢不同回火温度下显微组织Fig.3 Microstructure of the tested steels after tempered at different temperatures (a)—540 ℃金相组织；(b)—540 ℃ SEM组织；(c)—580 ℃金相组织；(d)—580 ℃ SEM组织；(e)—620 ℃金相组织；(f)—620 ℃ SEM组织；(g)—650 ℃金相组织；(h)—650 ℃ SEM组织. |
2.2 不同回火温度下大、小角度晶界变化在线淬火态，540和620 ℃回火温度下试验钢大、小角度晶界分布如图 4所示，图中红色线条代表大角度晶界，绿色线条代表小角度晶界，可以看出热轧淬火试验钢中大角度晶界数量所占比例最低，通过软件统计分析约为50%，540 ℃回火后大角度晶界数量增加，所占比例约为58%，620 ℃回火时，试验钢中大角度晶界数量明显增多，在61%左右，可以看出随着回火温度的提高试验钢中大角度晶界数量增加.对于在线淬火所得板条贝氏体结构，原奥氏体晶界和板条贝氏体束均为大角度晶界，板条贝氏体为小角度晶界，通过不同回火温度下试验钢中大、小角度晶界变化可以表明，在回火过程中板条贝氏体组织发生回复，取向差增大，这与图 2、图 3光学和扫描电镜下组织相符合，在回火热处理过程中通过元素扩散作用，板条边界移动合并变宽，部分板条贝氏体结构发生改变，由板条结构转变为块状，导致大角度晶界数量增多.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同工艺下试验钢取向差角分布Fig.4 Distribution of misorientation angles of the tested steels under different processes (a)—在线淬火；(b)—540 ℃回火；(c)—620 ℃回火. |
2.3 试验钢力学性能分析试验钢的强塑性如表 2所示，由于试验钢在拉伸过程中应力-应变曲线上没有明显的应力应变平台产生，以应变量0.2%所对应的强度(Rp0.2)为试验钢屈服强度值.可以看出在线淬火态试验钢屈服强度和抗拉强度分别为782, 1 131 MPa，断后延伸率仅为15%，塑性相比回火温度下较差，主要是由于试验钢热轧后迅速淬火至室温，含有较高的内应力，在加载的过程中容易产生应力集中，形成微裂纹，导致试验钢的塑性较差.
表 2(Table 2)
表 2 试验钢力学性能Table 2 Mechanical properties of the tested steels
| 表 2 试验钢力学性能 Table 2 Mechanical properties of the tested steels |
在540~650 ℃回火热处理条件下，可以看出随着回火温度的升高，试验钢的强度先升高后降低，540 ℃下试验钢屈服强度和抗拉强度分别为924，997 MPa；580 ℃下试验钢的屈服强度和抗拉强度达到最大值，分别为946，1 012 MPa；650 ℃时试验钢的强度值最低，屈服强度和抗拉强度分别为834，893 MPa，屈服强度比在线淬火态提高52 MPa.试验钢的塑性随着回火温度的升高呈下降趋势，540 ℃下试验钢断后延伸率为16%，650 ℃下其断后延伸率达21%.不同回火温度下试验钢的屈强比基本不变，为0.93左右.620 ℃回火时试验钢的强塑积达到最大值，为19.1 GPa·%.
从实验数据可以看出，540~650 ℃回火态试验钢屈服强度均高于在线淬火态，主要是由于在线淬火时，试验钢终轧后立即经层流冷却系统冷却至室温，形变奥氏体内部含有较高的碳元素与合金元素，在冷却的过程中，温度迅速降低，元素来不及扩散，贝氏体相变后组织过饱和，在回火的过程中，部分元素扩散析出与位错等缺陷相互作用导致试验钢位错开动驱动力增大，屈服强度升高.580 ℃回火温度下试验钢的析出强化效应与其他回火温度下相比较佳，屈服强度值最高.
试验钢在线淬火态和回火态-40 ℃下冲击吸收功如表 3所示，可以看出在线淬火态试验钢的冲击吸收功最低，为53 J.随着回火温度的升高，试验钢冲击性能呈上升趋势，540 ℃为92 J，620 ℃和650 ℃下试验钢冲击吸收功分别为143，197 J，冲击性能明显提高.由图 2，图 3试验钢显微组织可知，在线淬火条件下，冷速较快，在板条贝氏体内部生成大量位错，残余应力较高，导致试验钢冲击韧性较差.回火后，组织内部元素通过扩散作用以碳化物形式析出，板条贝氏体组织过饱和度降低，内应力消除，部分板条结构发生回复再结晶，形成块状铁素体，同时由图 4试验钢中大角度晶界数量变化可知，在回火热处理后，试验钢中大角度晶界数量明显增多，在冲击过程中裂纹形核，在扩展过程中遇到大角度晶界时穿过晶界所需阻力增大，裂纹发生偏转，传播过程中消耗能量较高，冲击吸收功较高，冲击韧性明显改善[12-15].
表 3(Table 3)
表 3 试验钢-40 ℃下冲击吸收功Table 3 Impact absorption energy of tested steel at -40 ℃ ?
| 表 3 试验钢-40 ℃下冲击吸收功 Table 3 Impact absorption energy of tested steel at -40 ℃ ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
在线淬火态试验钢冲击断后形貌如图 5所示，试验钢宏观断口有很深的撕裂，断面被分割成块状，微观形貌中含有较多的解理面，试验钢为准解理断裂，撕裂棱处分布着较多的小韧窝，试验钢冲击韧性较差.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 在线淬火态试验钢冲击断口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of the on-line quenched tested steel (a)—宏观断口；(b)—微观断口. |
不同回火温度下试验钢冲击断口形貌如图 6所示.540 ℃下试验钢宏观断口为暗灰色，放射区表面呈河流状花样，断裂机制为微孔聚合型断裂，表面含有数量较多的韧窝，韧窝较浅，部分韧窝被拉长，呈椭球状，在韧窝底部有氧化物杂质析出，表明试验钢在受到瞬时载荷时，微孔首先在杂质和析出物附近形核并扩展；620 ℃下冲击断口微观形貌中韧窝数量明显增多，韧窝分布均匀，撕裂棱处分布着密集的细小韧窝，试验钢冲击性能提高；650 ℃下试验钢宏观断口中存在明显的撕裂带，纤维区面积增大，微观形貌中韧窝尺寸变大，大韧窝附近分布较多的细小韧窝，韧窝深处有析出物分布，试验钢冲击韧性较好.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 回火态试验钢冲击断口形貌Fig.6 Impact fracture morphology of the tested steels after tempered at different temperatures (a)—540 ℃；(b)—620 ℃；(c)—650 ℃. |
3 结论1) 在线淬火试验钢屈服强度和抗拉强度分别为782，1 131 MPa，随着回火温度的升高，试验钢强度先上升后下降，580 ℃下强度值最高，屈服强度和抗拉强度分别为946，1 012 MPa，650 ℃时试验钢的强度值最低，屈服强度和抗拉强度分别为834，893 MPa.试验钢塑性随着回火温度的升高呈上升趋势，不同回火温度下试验钢屈强比基本不变，约为0.93.
2) 在线淬火态试验钢-40 ℃冲击韧性较差，冲击吸收功仅为53 J，在回火热处理下，随着回火温度的升高，试验钢中大角度晶界数量明显增多，试验钢冲击韧性提高，650 ℃冲击吸收功达到最大值，为197 J.
3) 620 ℃回火温度下试验钢综合力学性能最佳，屈服强度和抗拉强度分别为878，951 MPa，断后延伸率为20%，-40 ℃冲击吸收功为143 J.
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