武凤娟 杨 浩 邵 伟 曲锦波

(江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏 张家港 215625)

随着我国公路、铁路建设的蓬勃发展，对桥梁用钢的需求量也越来越大，质量要求也越来越高，不仅要求具有高强韧性和优良的可焊接性，还要求具有良好的抗震性能和耐大气腐蚀性能[1-2]。屈强比表示屈服强度与抗拉强度的接近程度，是材料的一项重要的性能指标。屈强比高的零件屈服后很快就会断裂，而屈强比低的零件屈服后会出现较大的应变强化，达到更高的抗拉强度才会断裂，因此低屈强比的桥梁钢适用于大跨度桥梁的主体结构[3-4]，以提高桥梁的安全性[5]。

随着高铁重载铁路的发展，420和500 MPa级等高强度桥梁钢逐渐得到推广应用[6]。但随着强度级别的提高，其屈强比更难以控制。235～355 MPa级钢的组织以铁素体+珠光体为主，通过控制晶粒度来达到合适的屈强比和韧性，屈强比一般较低，易于控制；420～550 MPa级钢通过控制轧制和冷却工艺获得低碳贝氏体组织，尽管强度、塑性、韧性均能满足要求，但屈强比较高。尤其是薄钢板(如厚度20 mm以下)，由于轧制过程中的变形量大、降温快、轧后冷却快等原因，其屈强比往往偏高，难以控制。

当钢的组织由两种或两种以上的相组成时，在发生塑性变形的过程中，强度较低的软相首先发生屈服，强度较高的硬相则能在后续变形过程中提高抗拉强度，硬相强度提高或体积分数增大对屈服强度的影响较小，但可显著提高抗拉强度，故提高钢中硬相的强度并降低软相强度可有效降低屈强比。

本文研究了热轧后的冷却方式对高强度Q500qE桥梁钢板屈强比的影响[7-8]，表明钢板获得贝氏体+少量铁素体双相组织、使硬相与软相的比例合理，可在兼顾强度的同时降低钢板的屈强比。

1 试验材料与方法

试验用Q500qE桥梁钢的化学成分如表1所示。首先采用Gleeble-3800热模拟试验机模拟热轧及轧后以不同速度冷却的工艺，检测钢板以不同速度冷却后的组织，确定以不同速度冷却时的相变温度。试样以10 ℃/s加热至1 200 ℃保温5 min，然后以10 ℃/s的速度冷却至980 ℃压缩变形，变形量为40%；随后以5 ℃/s的速度冷却至850 ℃压缩变形，变形量为40%；再分别以1、3、5、8、10、15、25和35 ℃/s的速率冷却至室温，如图1所示。

表1 试验用Q500qE钢的化学成分(质量分数)

图1 Q500qE钢板的热轧及轧后以不同速度冷却的热模拟试验工艺

热轧试验在配备5 000 mm轧机和MULPIC加速冷却系统的工业生产线上进行。粗轧始轧温度为1 030 ℃，总压下率为84%；精轧始轧温度为840～860 ℃，终轧温度为780～830 ℃，总压下率为68%；成品钢板厚度为16 mm。轧后钢板以不同方式冷却，如表2所示。

表2 钢板热轧后的冷却方式

工艺1为常规连续冷却，即终轧后立即进入MULPIC冷却系统连续冷却，冷却速率为8～15 ℃/s，终冷温度分别为620(钢板1-1)和500 ℃(钢板1-2)，然后空冷。

工艺2为延迟冷却，即钢板终轧后等待一定时间再冷却[9]，使钢板形成一定量的先共析铁素体，以降低屈强比[10]。钢板2-1和2-2终轧后分别降温至700和650 ℃，然后进入MULPIC冷却，冷却速率控制在15～25 ℃/s，终冷温度≤350 ℃，然后空冷。

工艺3为分段冷却，即终轧后首先快速冷却到某一温度，避免晶粒长大，然后缓慢冷却，以获得部分铁素体，最后再快速冷却，使奥氏体转变为贝氏体，如图2所示。钢板3-1和3-2终轧后分别立即水冷至730和680 ℃，再以1～3 ℃/s的速率分别空冷至680和620 ℃，以得到一定量的铁素体；随后以15～25 ℃/s的速率水冷发生贝氏体相变，终冷温度<350 ℃，然后空冷。

图2 钢板3-1、3-2的分段冷却示意图

2 试验结果与分析

2.1 CCT图

图3为测定的试验用Q500qE钢的CCT图。在试验的冷速范围内，钢板相变开始温度为700 ℃左右，相变结束温度为500 ℃左右。随着冷却速度的提高，相变结束温度降低至400 ℃左右。冷速为1 ℃/s时，相变开始温度为751 ℃、结束温度为511 ℃；冷速为15 ℃/s时，相变开始温度为696 ℃、结束温度为450 ℃；冷速为25 ℃/s时，相变开始温度为677 ℃、结束温度为401 ℃。随着冷却速度的提高，相变的开始和结束温度均降低。当冷速大于3 ℃/s时，相变组织主要为铁素体(F)+贝氏体(B)，显微硬度随着冷却速度的提高而逐渐升高。

图3 试验用Q500qE钢的CCT图

图4为压缩变形后以不同速度冷却的Q500qE钢板的显微组织，由钢板硬度及显微组织可知，Q500qE钢板热轧冷却后为硬度较高的贝氏体组织。以1 ℃/s冷却的钢板的组织主要为铁素体+少量珠光体，硬度最低(193 HV10)；以3～35 ℃/s冷却的钢板的组织虽均为铁素体+贝氏体，但随着冷速的增大铁素体与贝氏体的比例发生明显变化。以8 ℃/s冷却的钢板粒状贝氏体明显增多，铁素体明显减少，硬度明显提高(222 HV10)；当冷速提高到15 ℃/s时，钢板几乎完全为粒状贝氏体；当冷速增加到25 ℃/s时，如图4(g)所示，显微组织主要为粒状贝氏体+板条贝氏体，硬度为236 HV10；当冷速增加到35 ℃/s时，板条贝氏体进一步增多，钢板硬度最高(239 HV10)。

对于具有铁素体+贝氏体双相组织的桥梁钢，铁素体含量过多易造成产品强度过低；而贝氏体含量过多，虽然产品强度较高，但屈强比值易超标，因此铁素体与贝氏体的比例应合理。由连续冷却后钢板的硬度和显微组织可知，常规的连续冷却冷速应控制在8～15 ℃/s；延迟冷却时，入水温度宜控制在700 ℃左右，水冷速度宜大于15 ℃/s；分段冷却时，第1次水冷终止温度(即第2段开冷温度)应控制在(700±30)℃，第2阶段的冷速应控制在1～3 ℃/s，以获得一定量的铁素体软相，第3阶段冷速应大于15 ℃/s并冷却至350 ℃以下，使剩余奥氏体完全转变为贝氏体。

2.2 热轧后冷却方式对钢板力学性能的影响

表3为Q500qE钢板热轧后以不同方式冷却后的力学性能。钢板1-1、1-2为连续冷却，可见终冷温度为620 ℃时，虽然钢板的屈强比较低，但屈服强度也偏低(<500 MPa)，且冲击韧性较差；当终冷温度降低到540 ℃时，冲击韧性明显提高，屈服强度和抗拉强度均升高，但屈服强度提高幅度较大，屈强比由0.75提高到0.84，接近技术要求的上限值。

钢板2-1、2-2为延迟冷却，由表3可见，入水温度为700 ℃时，钢板强度和韧性均满足要求，并且屈强比较低，性能良好；当入水温度降低至650 ℃时，屈服、抗拉强度均降低，并且屈服强度<500 MPa，不符合要求。

钢板3-1、3-2为分段冷却，第1阶段分别水冷至730和680 ℃。由表3可见，第1段水冷至730 ℃的钢板的屈强比为0.81～0.82，而水冷至680 ℃的钢板的屈服强度降低，抗拉强度升高，屈强比降至0.72～0.74，性能优异。

表3 Q500qE钢板热轧后以不同方式冷却后的力学性能

2.3 热轧后冷却方式对钢板显微组织的影响

图5为Q500qE钢板热轧后以不同方式冷却后的显微组织。图5(a、b)为连续冷却钢板的显微组织。连续冷却至620 ℃空冷的钢板组织较粗大，以铁素体为主，贝氏体含量极少(图5(a))，因此冲击韧性和屈服强度偏低；连续冷却至500 ℃空冷的钢板(图5(b))，冲击韧性明显提高，但其组织几乎全部为贝氏体，铁素体很少，因此屈强比偏高。

图5 Q500qE钢板热轧后连续(a,b)、延迟(c,d)和分段(e,f)冷却后的显微组织

图5(c、d)为延迟冷却钢板的显微组织。入水温度为700 ℃的钢板(图5(c))显微组织为多边形铁素体+贝氏体，延迟冷却过程中有部分奥氏体转变为铁素体，剩余奥氏体随后水冷时转变为粒状贝氏体和板条贝氏体；入水温度为650 ℃的钢板(图5(d))组织几乎全部为铁素体，贝氏体含量很少，因此钢板强度较低。

图5(e、f)为分段冷却钢板的显微组织。第1阶段冷却至730 ℃的钢板(图5(e))在空冷至680 ℃的过程中形成的铁素体较少，随后水冷时剩余奥氏体转变为贝氏体；第1阶段水冷至680 ℃的钢板(图5(f))在空冷至620 ℃的过程中部分奥氏体转变为铁素体，随后水冷时剩余奥氏体转变为贝氏体，显微组织为准多边形铁素体+贝氏体。

上述钢板的力学性能和显微组织表明，常规连续冷却的冷速控制在8～15 ℃/s、冷却至480～540 ℃较为适宜；延迟冷却的入水温度控制在(700±20)℃左右、入水后冷速大于15 ℃/s较为适宜；关于分段冷却方式，第1次水冷终止温度(即第2段开冷温度)控制在670～740 ℃，第2阶段冷速控制在1～3 ℃/s以获得一定量的铁素体，第3阶段以大于15 ℃/s的速率冷却至350 ℃以下较为适宜。

2.4 分析与讨论

以上分析说明，Q500qE钢板热轧后连续冷却易得到单一的贝氏体组织，屈服强度较高，屈强比较大；延迟冷却和分段冷却的钢板均能获得铁素体+贝氏体双相组织，在塑性变形过程中，强度较低的软相铁素体首先屈服，强度较高的硬相贝氏体在随后的变形过程中可提高抗拉强度，软相越多屈服强度越低，硬相强度越高或体积分数增大，能显著提高抗拉强度，但对屈服强度的影响较小，从而可有效降低屈强比。

图6为Q500qE钢板的扫描电镜组织。图6(a)为延迟冷却钢板的组织，为多边形铁素体+贝氏体，等轴铁素体晶粒较粗大，强度较低；贝氏体较细小，为粒状贝氏体和板条贝氏体，贝氏体中的M-A岛组织能提高钢板的抗拉强度。图6(b)为分段冷却钢板的组织，为准多边形铁素体+贝氏体，第一段水冷，奥氏体的过冷度较大，随后空冷时部分奥氏体转变为形状不规则的铁素体，分布较均匀，强度较低。随后水冷时剩余奥氏体转变为贝氏体，可提高钢板的强度。均匀分布的铁素体+贝氏体双相组织可在保证强韧性的同时显著降低钢板的屈强比。

图6 热轧后延迟(a)和分段(b)冷却的Q500qE钢板2-1(a)和3-2(b)的显微组织

虽然延迟和分段冷却的钢板均能获得性能优异的铁素体+贝氏体双相组织，但延迟冷却时，钢板在高温区滞留的过程中晶粒易回复长大，且入水温度需控制在(700±20)℃左右，生产中难以掌握。分段冷却是在钢板终轧后快速冷却到相变温度，避免晶粒回复长大，同时还可提高轧制效率，且易于控制。

上述研究结果表明，热轧后分段冷却的Q500qE钢板具有双相组织、性能优异。分段冷却的操作过程为：终轧后立即水冷至670～740 ℃，避免晶粒长大；随后以1～3 ℃/s空冷至600～680 ℃，获得部分铁素体；再以大于15 ℃/s的速度水冷至350 ℃以下，使剩余奥氏体完全转变为贝氏体。

3 结论

(1)热轧后连续冷却的桥梁用Q500qE钢板组织为单一的贝氏体，屈服强度较高，屈强比偏高。

(2)热轧后延迟冷却和分段冷却均可使Q500qE钢板获得屈强比较低的铁素体+贝氏体双相组织。采用延迟冷却方式时，钢板的入水温度应控制在(700±20)℃左右，水冷速度宜大于15 ℃/s。采用分段冷却方式时，应终轧后先水冷至670～740 ℃，以避免晶粒长大，然后以1～3 ℃/s空冷至600～680 ℃，以获得部分铁素体；最后以大于15 ℃/s的速度水冷至350 ℃以下，使剩余奥氏体转变为贝氏体。分段冷却还可提高轧制效率，易于控制。