张 颖1,孙小巍2,宁安刚3,罗志勇3

(1.山西职业技术学院建筑工程系,太原 030006;2.沈阳建筑大学材料科学与工程学院,沈阳 110168; 3.太原理工大学材料科学与工程学院,太原 030002)

摘 要:对均匀化处理后的建筑用 Q460GJD 钢铸锭进行多向锻造和热处理,研究了多向锻造 后的加热温度(950~1250 ℃)和保温时间(0.5~8h)对奥氏体晶粒长大行为的影响,基于 Sellars 模型,对试验数据拟合后建立了奥氏体晶粒长大模型。结果表明:铸态 Q460GJD 钢中的奥氏体晶 粒尺寸差异较大,出现混晶现象,多向锻造后晶粒明显细化,混晶现象消除;随着热处理加热温度的 升高或保温时间的延长,奥氏体平均晶粒尺寸增大,且加热温度对晶粒尺寸的影响大于保温时间; 采用建立的奥氏体晶粒长大模型计算得到的平均晶粒尺寸与试验值相吻合,相对误差小于5%,表 明该模型具有一定的可靠性。 关键词:Q460GJD钢;多向锻造;加热温度;保温时间;晶粒长大 中图分类号:TG142.1;TU511.3 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)10-0044-05

0 引 言

Q460GJD钢作为一种高性能建筑结构用钢,在 现代化高层建筑和大跨度建筑中具有良好的应用前 景,这主要与其强度高、屈强比低、冲击韧性良好以 及焊接性能优异等有关[1]。但是,Q460GJD 钢在实 际生产过程中需要经过反复加热和变形,会产生各 种缺陷(组织不均匀、混晶等)[2],这不仅会影响材料 的 性能,而且还可能在制造过程中由于热塑性较差 而在机械应力和热应力综合作用下出现铸坯开裂等 问 题[3-5]。奥氏体晶粒尺寸是影响钢热塑性的重要因素,这主要是因为裂纹通常会沿着奥氏体晶界萌 生和扩展,尤其是当奥氏体晶粒较粗大且晶界上存 在第二相时,裂纹扩展会愈发明显[6]。因此,有必要 对 Q460GJD钢铸件进行多次热处理或多向锻造以 改善其组织均匀性[7-8],但是热变形或者热处理对 Q460GJD钢晶粒长大的影响规律仍不清楚。为此, 作者对均匀化处理后的 Q460GJD 钢铸锭进行多向 锻造和热处理,研究了多向锻造后的加热温度和保 温时间对奥氏体晶粒长大行为的影响,以期为生产 和开发具有良好成形性能和最终力学性能的建筑用 Q460GJD钢提供试验参考。

1 试样制备与试验方法

试验 材 料 为 中 国 一 重 公 司 冶 炼 的 建 筑 用 Q460GJD钢铸锭,其主要化学成分(质量分数/%) 为0.17C,0.34Si,1.48Mn,0.009P,0.003S,0.03Nb, 0.08V,6.8×10 -5N,余 Fe。在铸锭上截取尺寸为 30 mm×30 mm×30 mm 的 块 状 试 样,先 进 行 820 ℃×12h的均匀化处理,随炉冷却至室温;将均 匀化态钢锭加热至760 ℃后进行多向锻造处理,先 锻造第一个面并旋转锻坯至90°进行第二个面的锻 造,再将锻坯旋转90°进行第三个面的锻造,完成1 个道次的锻造处理后重复上述锻造处理至3个道 次,总锻造比为9.90 [9],锻造后水冷至室温,然后进 行840 ℃×1h的退火处理,随炉冷却至室温。对 退火态试样进行1250℃×3h水冷的淬火处理,分 析多 向 锻 造 对 Q460GJD 钢 奥 氏 体 晶 粒 尺 寸 的 影 响。将退火态试样进行930 ℃×3h水冷的均匀化 处理,并将此时 Q460GJD 钢的奥氏体晶粒尺寸作 为初始晶 粒 尺 寸;再 将 均 匀 化 处 理 的 试 样 加 热 至 950~1250 ℃并保温0.5~8h后水冷至室温,分析 热处理加热温度和保温时间对锻造态试验钢晶粒长 大行为的影响。 在锻造态试样上以及经不同加热温度和不同保 温时间热处理后的锻造态试样上截取金相试样,经 冷镶后 采 用 60 # ~1500 # 碳 化 硅 砂 纸 逐 级 打 磨, W1.5金刚石研磨膏抛光后,在沸腾的饱和苦味酸溶 液中腐蚀,分别用清水和酒精清洗后,在 BX51M 型 光学显 微 镜 上 观 察 晶 粒 形 貌,按 照 GB/T6394— 2017,采用Image-ProPlus6.0软件对20个视场下 的晶粒尺寸进行统计[10]。

2 试验结果与讨论

2.1 多向锻造对晶粒形貌与尺寸的影响

由图1可 知:铸 态 试 验 钢 中 存 在 尺 寸 不 等 的 奥氏体晶粒,且晶粒尺寸差异较大,最大尺寸可达 200μm,说明组织中出现混晶现象;多向锻造处理 后,试验钢不同部位的奥氏体晶粒均得到明显细化,且不同部位的晶粒尺寸差异性较小。可以看出,多 向锻造可以消除铸态试验钢中的混晶现象。

2.2 锻造后的热处理对晶粒形貌与尺寸的影响

由图2可知:在950 ℃保温1h热处理后,试验 钢中较多的细小晶粒在原奥氏体晶界处生成;当加热 温度升高至1000 ℃时,晶界处生成的细小晶粒增 多,且呈现出向晶粒内部生长的趋势;当加热温度为 1100℃时,细小晶粒长大,且出现了由尺寸不等晶粒 形成的混晶现象;随着加热温度的继续升高,晶粒明 显长大,且加热温度为1250℃时的平均晶粒尺寸达 118μm。 由 图3可 以 看 出 :在 加 热 温 度 为1200 ℃ 条 件 下,当保温时间为0.5h时,试验钢中晶粒尺寸较细 小、均匀;当保温时间延长至1h和5h时,晶粒尺寸增加较明显,部分晶粒尺寸可达100μm 以上;继续 延长保温时间至8h,晶粒尺寸变化不大,表明这个 阶段的晶粒长大趋势趋于稳定。 由图4可以看出,在相同保温时间下,随着加 热温度的升高,试验钢的平均晶粒尺寸增大,尤其 是当加热温度高于1100 ℃时,平均晶粒尺寸增长 速率较快。在较低的加 热 温 度 下,Q460GJD 钢 中 的铌 和 钒 元 素 会 形 成 碳 氮 化 物 而 起 到 钉 扎 作 用[11-12],因此晶粒尺寸变化较小;随着加热温度的 升高,第二 相 发 生 粗 化 和 长 大,钉 扎 作 用 减 弱,导 致晶粒长大 并 在 局 部 形 成 混 晶;继 续 升 高 加 热 温 度,第二相逐渐回溶至基体,晶粒长大的驱动力增 加,当驱动力与第二相钉扎作用平衡时,晶粒长大 速率变缓[13-14]。当保温时间从0.5h延长至3h, 不同加热温度下试验钢的平均晶粒尺寸增加较明 显,而当保温时间超过3h时,平均晶粒尺寸变化 幅度不大。对比发现,加热温度对 Q460GJD 钢平 均晶粒尺寸 的 影 响 明 显 大 于 保 温 时 间,因 此 在 后 续 实 际 操 作 中 可 通 过 调 节 加 热 温 度 来 调 控 Q460GJD钢的晶粒尺寸。

2.3 分析与讨论

Q460GJD钢 的 奥 氏 体 晶 粒 长 大 行 为 可 采 用 Sellars模型 [15-17]表示,具体表达式为 D n t -D n 0 =Atexp - Q RT (1) 式中:D0,Dt 分别为初始晶粒尺寸和时间为t时的 晶粒尺寸;A 为与 Q460GJD 钢有关的常数;Q 为激 活能;R 为气体常数,8.314×10 -3J·kg -1·mol -1· K -1;T 为加热温度;n 为晶粒长大指数。 由于 Q460GJD 钢 的 初 始 平 均 晶 粒 尺 寸 较 小 (12.67μm),因 此 在 计 算 过 程 中 可 忽 略 D0 的 影 响[18-19]。对式(1)两边取对数,可得: lnDt = lnA n + lnt n - Q nRT (2) 根据式(2),基于试验数据得到 Q460GJD 钢的 lnDt-1/T 和lnDt-lnt关系曲线,如图5所示。由 图5可知,不同保温时间下的lnDt 和1/T 基本呈 线性关系,不同加热温度下的lnDt 和lnt也基本 呈线性关系。拟合可得 A=1.19×10 10,n=2.657, Q=2.41×10 5J·mol -1,代 入 式 (1)得 到 Q460GJD 钢的奥氏体晶粒长大模型为 D 2.657 t -D 2.657 0 =1.19×10 10exp - 241000 RT t(3)

根据式(3)计算得到1150 ℃加热温度和不同 保温时间下试验钢的平均晶粒尺寸,并与试验值进 行对比以验证模型的准确性。由表1可以看出,在 相同加热温度下,试验钢的平均晶粒尺寸试验值和 计算值都随着保温时间延长而增大,且相对误差小 于5%,验证了该模型的准确性,该模型可为实际工 业生产提供一定的指导。

3 结 论

(1)铸态 Q460GJD 钢中存在尺寸不等的奥氏 体晶粒,且晶粒尺寸差异较大,出现混晶现象;经过 多向锻造后,晶粒明显细化,不同部位的晶粒尺寸差 异性较小,混晶现象消除。(2)在相同保温时间下,随着加热温度的升高, Q460GJD钢的平均晶粒尺寸增大,且在相同加热温 度下,保温时间越长,平均晶粒尺寸越大;加热温度 对晶粒尺寸的影响明显大于保温时间。 (3)Q460GJD 钢 的 奥 氏 体 晶 粒 长 大 模 型 为 D 2.657 t -D 2.657 0 =1.19×10 10exp - 241000 RT t,平均晶 粒尺寸计算值与试验值之间的相对误差小于5%, 验证了该模型的准确性。

来源：材料与测试网