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460 M Pa級高強度低屈強比鋼的研制*

2016-05-03 10:38:58 安裝信息網(wǎng)

張開廣童明偉范巍

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，武漢430080）

摘要：結(jié)合鋼板力學(xué)性能指標(biāo)，利用N b、V、Ti等元素微合金化，配合合理的控軋控冷工藝，開發(fā)了高強度、低屈強比Q460CJC鋼。對其工業(yè)性試制鋼板開展了拉伸、沖擊、組織結(jié)構(gòu)檢驗及焊接性能試驗。結(jié)果表明：研制的鋼種強度高、屈強比低、沖擊性能優(yōu)異，具有優(yōu)良的綜合性能，滿足高層建筑用鋼技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：高強度；低屈強比；Q460CJC；性能 D01:10.13206/j. gjg201603008

2005年，我國GB/T 19879-2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)頒布，將建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼種擴大為Q235 GJ、Q345 GJ、Q390CJ、Q420GJ及Q460GJ系列，但目前國內(nèi)主要使用的仍然是Q345 GJ、Q390GJ級鋼種，僅少數(shù)使用到Q420GJ、Q460GJ鋼。結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，為我國鋼結(jié)構(gòu)建筑向高層化、大跨距化方向發(fā)展提供了強有力的支撐，極大地推動了我國建筑鋼結(jié)構(gòu)材料的研制開發(fā)和升級換代，同時也對材料的強度、屈強比（抗震性能及焊接性能提出了更高的要求。研究表明：與低強度級別鋼材相比，使用高強度鋼材可以減小板厚，減輕結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，降低建設(shè)成本。而使用韌性好、屈強比低、焊接性能優(yōu)良的鋼種可以提升結(jié)構(gòu)安全性，減少地震等因素對結(jié)構(gòu)造成的沖擊、破壞等。為此，為適應(yīng)國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展形勢，進(jìn)行了Q460GJC鋼板的開發(fā)工作。

1 試驗材料及過程

針對GB/T 19879-2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中Q460GJC鋼板技術(shù)條件要求（表1），采用以下原理進(jìn)行成分、工藝設(shè)計：

1)結(jié)合不同厚度規(guī)格范圍鋼板力學(xué)性能指標(biāo)要求，通過對N b、V、Ti等微合金化元素進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計，在獲得足夠強度的基礎(chǔ)上減輕板厚效應(yīng)，控制鋼板的碳當(dāng)量，提高鋼材的焊接性能，同時進(jìn)一步降低鋼板整體的合金成本。

2)使用潔凈化冶煉技術(shù)，適度降低P、S元素以及夾雜物含量，提高鋼質(zhì)的純凈度，以便鋼板具有優(yōu)良的使用性能。

3)增加M n等提升抗拉強度幅度相對較大的元素含量，采用合理的控制軋制以及軋后快速冷卻的工藝，通過形變誘導(dǎo)N b、V、Ti的碳氮化物沉淀，提高基體的強度，同時獲得鋼中軟、硬相組織合理的析出比例，保證鋼板R e H/R m≤0.85。

根據(jù)上述設(shè)計原理，Q460GJC鋼的化學(xué)成分設(shè)計如表2所示。

鋼種冶煉采用深脫硫處理，保持真空RH處理時間在15 min以上，充分降低夾雜物含量，改善夾雜物分布，避免其對軋制后鋼板的延伸率造成不良影響。鑄坯分切后，堆垛緩冷24 h后送成材廠進(jìn)行加熱、軋制。鑄坯進(jìn)入加熱爐前清理表面，去除火焰切割焊瘤等異物，并將其在加熱爐內(nèi)均熱段溫度控制在1 220℃左右，保證加熱速度不小于9 min/cm。加熱后，采用高溫大壓下制度，根據(jù)成品厚度分檔控制鋼板終軋溫度，軋制后澆水快速冷卻，控制鋼板返紅溫度。鋼板軋制厚度為20，48 mm。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1拉伸性能

按GB/T 228. 1～2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》對20，48 mm厚度鋼板進(jìn)行橫向拉伸性能檢驗，結(jié)果見表3所示。

試驗結(jié)果表明：軋制后各規(guī)格鋼板均具有較高的強度富裕量，屈強比低于0. 85，延伸率明顯高于技術(shù)條件要求的17% 。

2.2 系列溫度沖擊性能

按GB/T 2975-2010《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》規(guī)定對20，48 mm鋼板取縱向試樣進(jìn)行系列溫度沖擊試驗，并采用Boltzmann函數(shù)對各溫度下沖擊功均值進(jìn)行擬合，其曲線變化如圖1、圖2所示。

由結(jié)果可見：軋制后20 mm厚度鋼板- 80℃溫度下、48 mm厚度鋼板- 40℃溫度下的沖擊功均約為100 J，遠(yuǎn)高于GB/T 19879-2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求的0 0C不小于34 J。而且根據(jù)圖1、圖2擬合結(jié)果，20 mm鋼板曲線中上平臺沖擊能約為177 J，下平臺沖擊能約為101 J；48 mm鋼板上平臺沖擊能約為120 J，下平臺沖擊能約為36 J。由此可知，20，40 mm鋼板50%沖擊功上平臺沖擊能(139 J、78 J)對應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均低于- 50 0C，表明鋼種沖擊韌性優(yōu)良。

2.3 組織結(jié)構(gòu)

對20，48 mm鋼板取1/4厚度部位金相樣，按GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》進(jìn)行金相組織結(jié)構(gòu)、晶粒度檢驗，結(jié)果如圖3、圖4所示。

鋼中的組織結(jié)構(gòu)、晶粒大小、各相的體積分?jǐn)?shù)、形態(tài)及位錯密度等因素決定了鋼的屈服行為。要使鋼板獲得較高的強度以及較低的屈強比，需要合理調(diào)整鋼中組織結(jié)構(gòu)的類型和比例。對于以“鐵素體+珠光體”組織為基體的鋼種，晶粒尺寸的大小一定程度上影響著鋼板最終的屈服強度和屈強比。細(xì)化晶粒尺寸可以同時提升屈服和抗拉強度，但也可導(dǎo)致屈強比隨之升高。如果在軋制過程中，將各階段溫度以及軋后冷卻開始、終止的溫度和時間控制在一定的范圍，控制鐵素體組織的析出比例及細(xì)化程度，使其含量占到全部組織的一半以上，從而使材料獲得理想的低屈強比等使用性能。

圖3、圖4的金相檢驗結(jié)果顯示：Q460GJC鋼板組織以鐵素體+珠光體為主，而且鐵素體均占到總量的50%以上，正是這種軟質(zhì)相、硬質(zhì)相合理的比例和分布，使得軋制后的Q460GJC鋼在獲得較高的強度、韌性的同時具備了較低的屈強比。

對Q460GJC鋼板使用JEM2100F型透射電鏡進(jìn)行析出物觀察，結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

N b、V、Ti與鋼中的碳、氮有極強的親和力，可與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物。尤其是N b元素，其在鋼中起著十分顯著的作用-N b可以形成細(xì)小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長大。在軋制過程中，可以提高再結(jié)晶溫度，抑制奧氏體的再結(jié)晶，保持形變效果從而細(xì)化鐵素體晶粒，提高了鋼的強度和韌性。N b在鐵素體中沉淀析出，提高強度的同時又可以在焊接過程中阻止熱影響區(qū)晶粒的粗化等。V可以通過細(xì)晶強化、沉淀強化和固溶強化來提高鋼材的強度。V與N b復(fù)合添加時，既能提高鋼的強度又能改善鋼的韌性。Ti是一種強烈的碳化物和氮化物形成元素，形成的T iN、Ti( CN)等粒子非常穩(wěn)定，能有效地釘扎晶界，阻止y晶粒長大，因而起到細(xì)化晶粒的作用，顯著提高鋼的室溫強度、高溫強度和鋼的韌性。

對Q460GJC鋼析出物觀察發(fā)現(xiàn)：20 mm厚度鋼板析出相分布較均勻，總體形態(tài)不規(guī)則，尺寸主要為30～140 nm，成分主要為N b+少量Ti。48 mm厚度鋼板表層組織為鐵素體+珠光體；析出相分布較均勻，其主要尺寸為15~80 nm，極少量為80~200 nm，成分主要為N b +Ti+微量V；1/4厚度部位組織為鐵素體+珠光體，析出相數(shù)量與表層試樣相當(dāng)、分布較均勻、主要尺寸為20~80 nm，極少量為80~ 200 nm，成分主要為Ti +N b+微量V；1/2厚度部位組織為鐵素體+珠光體；析出相數(shù)量比1/4厚度部位略多，分布較均勻，主要尺寸及成分與1/4厚度部位相同。

鋼中彌散分布的N b、Ti等碳氮化物的析出，阻止奧氏體晶界的遷移以及位錯運動，細(xì)化了鐵素體晶粒，提高鋼的變形抗力和強度，從而保證Q460GJC鋼板具有優(yōu)良的強度和韌性。

2.4焊接性能

對48 mm厚度的鋼板開展了埋弧、手工兩種方式的焊接試驗。焊前對鋼板進(jìn)行預(yù)熱，使用的焊接材料及工藝參數(shù)見表4。焊接后，接頭拉伸、彎曲、沖擊性能見表5所示。