高志国，陈丽军，高 军，陈 兴

（1.武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300；2.内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古 包头 014010）

近年来，为满足我国高层建筑建设的技术进步和发展需求，高层建筑用结构钢板性能逐渐提升[1-3]。屈服强度达到420 MPa（以下简称Q420GJC）的高层建筑结构钢板使用日渐规模化，涉及电力、桥梁、高层建筑等应用领域[4-6]。Q420GJC具有高强度、低屈强比、高韧塑性等特点，广泛用于高层建筑、超高层建筑、大跨度文体场馆、大型机场、会展中心以及钢结构框架房屋等工业与民用建筑的支撑件和承重梁制造[7]。目前，除了少数几家公司可以通过炉卷轧机和热连轧机组生产外，绝大多数产品是运用中厚板轧机生产的[8-9]。由于用户的屈强比等性能要求的差异，导致该钢种交货状态种类繁多，具体包括热轧态、正火轧制态、正火态、正火+回火态等，以中厚板、厚板、特厚板等规格交货较为常见[10-11]。

然而，制定该钢种众多的热加工工艺前提条件是确定Q420GJC钢板的Ac1、Ac3、Ms等相变点温度以及冷却转变情况，此类报道较少。众所周知，连续冷却转变（continuous cooling transition,CCT）曲线是确定各种钢热轧及热处理工艺的重要技术手段之一。该方法不但可以系统地验证热轧工艺参数合理性，而且还可以揭示轧后在线冷却速率对钢材组织的影响、衡量钢种成分合理性、选用与之匹配的工艺参数。基于上述原因，本文使用210 t转炉真空冶炼Q420GJC高层建筑结构钢坯，采用包钢4 100 mm宽厚板热轧机组进行热轧实验，采用Formastor-F全自动膨胀测试仪测定了Q420GJC实验钢的CCT曲线，系统分析了冷却速率对连续冷却转变曲线的影响规律。运用金相显微镜分析了不同冷却速率对应的试样金相组织。测定结果将为Q420GJC厚板的正火等热处理工艺、正火轧制工艺制定提供理论依据。

1 材料及实验方法

1.1 实验材料

以优质废钢、铁合金等为原料，使用210 t转炉真空冶炼Q420GJC钢坯，经粗加工后矩形钢坯断面尺寸为2 200 mm×250 mm。取铸坯样进行化学成分分析，详细冶炼化学成分见表1。从压下率、轧制变形温度和轧机负荷等方面综合考虑，Q420GJC实验钢热轧工艺窗口如图1所示。制定加热炉制度时设定加热温度(1 250±10)℃，均热时间1小时，加热时间总长度不少于3 h。轧制前去除氧化铁皮，热轧开轧温度1 230℃、终轧温度865℃左右、终轧厚度及道次压下量15%～30%，采用包钢4 100 mm宽厚板热轧机组进行热轧实验。

图1 轧制工艺Fig.1 Rolling process

1.2 实验方法

采用Formastor-F全自动热膨胀仪测定实验钢的临界点Ac1和Ac3，以200℃/h加热速度升温之后确定实验钢的奥氏体化温度理论值为Ac3以上30～50℃，保温时间依据试样大小选择保温10 min。静态CCT曲线试样制备方法是沿20 mm厚的实验钢板纵向切取条状原料，进一步加工成Φ3 mm×10 mm的圆柱形试样，然后从试样的任意一端开一个与圆柱试样外径同心的Φ2 mm×2 mm的小孔；为了测试结果更精确，试样侧面粗糙度Ra 1.6，两端面粗糙度Ra 0.8。静态CCT曲线测试时，试样加热到奥氏体化温度保温10 min，然后分别以0.1，1，2，5，10，14，20，30，50，100℃/s的冷却速率冷至室温。记录冷却过程的膨胀量-温度曲线，采集温度、膨胀量和时间数据，结合金相-硬度法确定转变开始点和转变终止点，绘制实验钢的静态CCT曲线。使用HV-10B硬度仪测试不同冷却速率条件下的试样硬度值，载荷10 kg，加载时间15 s。采用德国蔡司Axio observer A1M型金相显微镜观察分析不同冷却速率条件下的试样金相组织形貌。

2 结果与分析

2.1 CCT曲线结果分析

图2为测定的Q420GJC实验钢静态CCT曲线。图中曲线从右至左冷却速率依次为：0.1，1，2，5，10，14，20，30，50，100℃/s。由图2可知，Q420GJC在连续冷却过程中，发生了铁素体的析出(A→F)、珠光体转变(A→P)、贝氏体转变（A→B）和马氏体转变（A→M）。冷却速率小于14℃/s时，Q420GJC钢板的金相组织以珠光体和铁素体为主。在冷却速率达到14℃/s时，开始出现贝氏体组织，室温组织为珠光体+铁素体+贝氏体混合组织。随着冷却速率的进一步加快，冷速在14～100℃/s范围内，得到贝氏体+铁素体组织。冷却速率达到100℃/s时，室温组织为贝氏体+马氏体+铁素体。由CCT曲线测试结果判定该钢种不易获得完全马氏体组织，主要原因在于微合金化元素Nb、V的添加提高了过冷奥氏体的稳定性，抑制马氏体转变发生，致使贝氏体+铁素体含量增加[12-13]。依据图2分析结果，将不同冷速下对应的转变温度和转变产物进行统计，详细结果见表2。因表中的相变点对应膨胀曲线上拐点，冷却速率的快慢决定了膨胀曲线上拐点的数量，故部分CCT曲线没有相变温度3温度值。

图2 Q420GJC钢的连续冷却转变曲线Fig.2 Continuous cooling transformation curve of Q420GJC

表2 不同冷速对应的Q420GJC钢板相变点温度和室温组织产物Tab.2 Thephasetransition temperatureand roomtemperature structureproductsof Q420GJCsteel platewith differentcoolingrates

2.2 金相组织观察

图3 在不同冷速下Q420GJC钢板金相组织：(1)5℃/s,(2)10℃/s,(3)14℃/s,(4)20℃/s,(5)50℃/s,(6)100℃/sFig.3 Microstracture of Q420GJCsteel plate at different colling rates：(1)5℃/s,(2)10℃/s,(3)14℃/s,(4)20℃/s,(5)50℃/s,(6)100℃/s

为了进一步验证上述金相组织判断的准确性，选取CCT曲线图中的6条曲线对应试样进行了不同冷却速率条件下的金相组织观察，结果如图3所示。由图可知，随着冷却速率的提高，试样金相组织中珠光体含量减少，贝氏体含量增加；即珠光体+铁素体组织逐渐弱化，贝氏体+铁素体组织逐渐强化，直到马氏体的出现。图3(1)、(2)为珠光体+铁素体组织，(3)为珠光体+铁素体+贝氏体组织，(4)、(5)为贝氏体+铁素体组织，(6)为低碳马氏体+少量铁素体+贝氏体组织金相显微镜观察得到了组织与图2中CCT曲线的测定相变区域判断完全吻合。CCT曲线与金相组织观察结果一致证实了Q420GJC实验钢在较宽的冷速范围内金相组织以贝氏体+铁素体为主，不易获得完全马氏体组织。

3 结论

(1)运用Formastor-F全自动热膨胀仪测定Q420GJC高层建筑结构实验钢板试样的CCT曲线、相变点和临界冷却速率，研究不同冷却速率对金相组织的影响，通过金相显微镜观察微观组织与CCT曲线中对转变产物判断结论一致。

(2)冷却速率小于14℃/s时，Q420GJC实验钢的金相组织以珠光体和铁素体为主；冷速在14～100℃/s范围内，得到贝氏体+铁素体组织；冷却速率达到100℃/s时，开始出现马氏体组织，该钢种的临界冷却速率为100℃/s。

(3)Q420GJC实验钢的Ac1为684℃，Ac3为830℃，Ms为493℃。在较宽的冷速范围内金相组织以贝氏体+铁素体为主。CCT曲线测试结果为Q420GJC钢板热处理工艺的制定提供了详实的理论基础。