460MPa级高强度低屈强比钢的研制.docx

460MPa级高强度低屈强比钢的研制*摘要：结合钢板力学性能指标，利用Nb、V、Ti等元素微合金化,配合合理的控轧控冷工艺，开发了高强度、低屈强比Q460GJC钢。对其工业性试制钢板开展了拉伸、冲击、组织结构检验及焊接性能试验。结果表明：研制的钢种强度高、屈强比低、冲击性能优异，具有优良的综合性能，满足高层建筑用钢技术要求。关键词：高强度；低屈强比；Q460GJC;性能2005年，我国GB/T198792005建筑结构用钢板标准颁布，将建筑钢结构用钢种扩大为Q235GJ、Q345GJ、Q390GJ.Q420GJ及Q460GJ系列，但目前国内主要使用的仍然是Q345GJ、Q390GJ级钢种，仅少数使用到Q420GJ、Q460GJ钢。结构设计及材料生产技术的不断提高，为我国钢结构建筑向高层化、大跨距化方向发展提供了强有力的支撑，极大地推动了我国建筑钢结构材料的研制开发和升级换代，同时也对材料的强度、屈强比（抗震性能）及焊接性能提出了更高的要求。研究表明：与低强度级别钢材相比，使用高强度钢材可以减小板厚，减轻结构整体质量，降低建设成本1。而使用韧性好、屈强比低、焊接性能优良的钢种可以提升结构安全性，减少地震等因素对结构造成的冲击、破坏等。为此，为适应国内建筑钢结构行业的发展形势，进行了Q460GJC钢板的开发工作。1试验材料及过程针对GB/T198792005建筑结构用钢板标准中Q460GJC钢板技术条件要求（表1）,采用以下原理进行成分、工艺设计:1）结合不同厚度规格范围钢板力学性能指标要求，通过对Nb、V、Ti等微合金化元素进行化学成分设计，在获得足够强度的基础上减轻板厚效应，控制钢板的碳当量，提高钢材的焊接性能，同时进一步降低钢板整体的合金成本。表1Q460GJC钢板技术条件板厚/_mm拉伸试验（横向）0纵向冲击功Akv/JReMPaRm/MPaA/%屈强比616460>16-35460600550720170.8534>3550450590板厚mm拉伸试验（横向）ReHMPaRmMPaA%屈强比0°C纵向冲击功AkVJ6162460>1635460600550720237<0.85234>3550450-590注：ReH为上屈服强度；Rm为抗拉强度；A为延伸率。2）使用洁净化冶炼技术，适度降低P、S元素以及夹杂物含量，提高钢质的纯净度，以便钢板具有优良的使用性能。3）增加Mn等提升抗拉强度幅度相对较大的元素含量，采用合理的控制轧制以及轧后快速冷却的工艺，通过形变诱导Nb、V、Ti的碳氮化物沉淀，提高基体的强度，同时获得钢中软、硬相组织合理的析出比例，保证钢板ReH/Rm<0.85o根据上述设计原理，Q460GJC钢的化学成分设计如表2所示。表2Q460GJC钢化学成分%CSiMnPSA1SNb+V+Ti0.120.180.300.551.451.6O0.0200.0050.0150.0500.22CSiMnPSA1SNb+V+TiO.12O.180.30-0.551.451600.0200.0050.015-0.0500.22钢种冶炼采用深脱硫处理，保持真空RH处理时间在15min以上，充分降低夹杂物含量，改善夹杂物分布，避免其对轧制后钢板的延伸率造成不良影响。铸坯分切后，堆垛缓冷24h后送成材厂进行加热、轧制。铸坯进入加热炉前清理表面，去除火焰切割焊瘤等异物，并将其在加热炉内均热段温度控制在1220C左右，保证加热速度不小于9min/cmo加热后，采用高温大压下制度，根据成品厚度分档控制钢板终轧温度，轧制后浇水快速冷却，控制钢板返红温度。钢板轧制厚度为20,48mio2试验结果及分析2.1 拉伸性能按GB/T228.12010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法对20,48mm厚度钢板进行横向拉伸性能检验，结果见表3所示。表3Q460GJC钢板拉伸性能检验结果厚度mmRe"MPaRm/MPaReJRmA/%205176210.8328.5484956040.8226.0厚度mmReHMPaRmMPaReHR%205176210.8328.5484956040.8226.0试验结果表明：轧制后各规格钢板均具有较高的强度富裕量，屈强比低于0.85,延伸率明显高于技术条件要求的17%。2.2 系列温度冲击性能按GB/T29752010钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备规定对20,48mm钢板取纵向试样进行系列温度冲击试验，并采用BoItZn1ann函数对各温度下冲击功均值进行拟合，其曲线变化如图1、图2所示。试验温度/试验点；拟合线。图12OnIm钢板冲击功变化I,IfII'IiI-80-60-40-20020试验温度/C试验点；一拟合线。图248mm钢板冲击功变化由结果可见：轧制后20mm厚度钢板-80°C温度下、48Inm厚度钢板-40温度下的冲击功均约为100J,远高于GB/T198792005建筑结构用钢板标准要求的0不小于34Jo而且根据图1、图2拟合结果，20mm钢板曲线中上平台冲击能约为177J,下平台冲击能约为101J；48mm钢板上平台冲击能约为120J,下平台冲击能约为36Jo由此可知，20,40mm钢板50%冲击功上平台冲击能（139J、78J）对应的韧脆转变温度均低于-50,表明钢种冲击韧性优良。2.3组织结构对20,48nun钢板取1/4厚度部位金相样，按GB/T132981991金属显微组织检验方法、GB/T63942002金属平均晶粒度测定法进行金相组织结构、晶粒度检验，结果如图3、图4所示。图320mm钢板金相组织（铁素体+珠光体，晶粒度9级）图448mm钢板金相组织（铁素体+珠光体，晶粒度12级）钢中的组织结构、晶粒大小、各相的体积分数、形态及位错密度等因素2决定了钢的屈服行为。要使钢板获得较高的强度以及较低的屈强比,需要合理调整钢中组织结构的类型和比例。对于以“铁素体+珠光体”组织为基体的钢种，晶粒尺寸的大小一定程度上影响着钢板最终的屈服强度和屈强比。细化晶粒尺寸可以同时提升屈服和抗拉强度，但也可导致屈强比随之升高2。如果在轧制过程中，将各阶段温度以及轧后冷却开始、终止的温度和时间控制在一定的范围，控制铁素体组织的析出比例及细化程度，使其含量占到全部组织的一半以上，从而使材料获得理想的低屈强比等使用性能3。a表层；b1/4厚度；c1/2厚度。图648mm厚度Q460GJC钢析出物电镜扫描图图3、图4的金相检验结果显示：Q460GJC钢板组织以铁素体+珠光体为主，而且铁素体均占到总量的50%以上，正是这种软质相、硬质相合理的比例和分布，使得轧制后的Q460GJC钢在获得较高的强度、韧性的同时具备了较低的屈强比。对Q460GJC钢板使用JEM2100F型透射电镜进行析出物观察，结果如图5、图6、图7所不。强度计数率1mOTi器*keva析出物电镜扫描图；b能谱图。图52OnIm厚度Q460GJC钢1/4板厚部位析出物形貌及能谱图Nb、V、Ti与钢中的碳、氮有极强的亲和力，可与之形成相应的极为稳定的化合物。尤其是Nb元素，其在钢中起着十分显著的作用一一Nb可以形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的长大。在轧制过程中,可以提高再结晶温度，抑制奥氏体的再结晶，保持形变效果从而细化铁素体晶粒，提高了钢的强度和韧性。Nb在铁素体中沉淀析出，提高强度的同时又可以在焊接过程中阻止热影响区晶粒的粗化等。V可以通过细晶强化、沉淀强化和固溶强化来提高钢材的强度。V与Nb复合添加时，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性。Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，形成的TiN、Ti(CN)等粒子非常稳定，能有效地钉扎晶界，阻止Y晶粒长大，因而起到细化晶粒的作用，显著提高钢的室温强度、高温强度和钢的韧性。ffif1keV能EtkeV能f1keVabca表层；b1/4厚度;c1/2厚度。图748mm厚度Q460GJC钢析出物能谱图对Q460GJC钢析出物观察发现：20mm厚度钢板析出相分布较均匀,总体形态不规则,尺寸主要为30140nm,成分主要为Nb+少量Ti048mm厚度钢板表层组织为铁素体+珠光体；析出相分布较均匀，其主要尺寸为15-80nm,极少量为80200nm,成分主要为Nb+Ti+微量V；1/4厚度部位组织为铁素体+珠光体，析出相数量与表层试样相当、分布较均匀、主要尺寸为2080nm,极少量为80200nm,成分主要为Ti+Nb+微量V；1/2厚度部位组织为铁素体+珠光体；析出相数量比1/4厚度部位略多，分布较均匀，主要尺寸及成分与1/4厚度部位相同。钢中弥散分布的Nb、Ti等碳氮化物的析出，阻止奥氏体晶界的迁移以及位错运动，细化了铁素体晶粒，提高钢的变形抗力和强度，从而保证Q460GJC钢板具有优良的强度和韧性。2.4焊接性能对48mm厚度的钢板开展了埋弧、手工两种方式的焊接试验。焊前对钢板进行预热，使用的焊接材料及工艺参数见表4o焊接后，接头拉伸、弯曲、冲击性能见表5所示。表4钢板焊接工艺焊接类型烁材牌号*VJ'UAIt1ffiZV煌透(crn5min1>线傕f(kj5cm')埋孤端CHWS9(4)CHF1O1乎.焊CHG557(4)520-53011013028-3016-2038.3-41.681821.0-24.95.87I95焊接类型焊材牌号焊剂电流/A电压/V焊速/(cm5minT)线能量/(kJ5cmT)埋弧焊CHW-S9(4)CHFIOI520530283038.341.621.024.9手工焊CHG557(4)110130162081858719.5注：环境温度22,环境湿度72%。表5接头力学性能燥接方式K,JMPa断裂位置ff1*ft-3.180a-Ot冲击功/J饵缝乂热彩病区埋弧焊571母材合格987489739498手工焊575母材合格92828488S371焊接方式Rm/MPa断裂位置侧弯d=3a,180oOC冲击功/J焊缝区热影响区埋弧焊571母材合格987489739498手工焊575母材合格928284888371注：d为弯心半径；a为试样厚度；0C冲击功下对应的3个值分别为3个试样的试验冲击值。由试验结果可见：采用埋弧、手工两种方式焊接后，钢板抗拉强度、接头各区冲击性能均满足技术条件，符合与母材等强匹配的要求。3结束语D采用微合金元素进行化学成分设计，通过控制钢板轧制、冷却工艺,开发了高强度、低屈强比Q460GJC钢。2)性能检验结果显示，钢板强度高，屈强比低，冲击性能优异，焊接性能优良，各项指标均满足技术条件要求。组织结构主要为“铁素体+珠光体”，析出物以Nb、Ti的碳氮化物为主。参考文献1孙邦明,杨才富,高层建筑用钢的发展J.宽厚板,2001,7(3):1-6.2于庆波,孙莹.钢中的碳含量和显微组织对屈强比的影响J塑性工程学报，2