0 引言

耐候钢又称为耐大气腐蚀钢，是在普通低碳钢基础上添加一定量Cu、Cr、P、Ni等元素的低合金钢，具有良好的耐大气腐蚀性能，被广泛应用于建筑、桥梁、铁路车辆、集装箱等行业^[1-2]。高强耐候钢通过添加Nb、Ti等微合金元素，结合控轧控冷工艺，充分发挥微合金元素的细晶强化和析出强化作用，以达到强度和塑性的良好匹配。

对热连轧板带生产线来说，卷取温度的控制对产品的显微组织和力学性能有着非常重要影响^[3]。尤其是微合金钢，卷取温度直接影响产品的晶粒尺寸、二相析出粒子的大小和分布。目前已有许多学者研究了卷取温度对微合金钢的作用。霍向东等研究了CSP工艺流程卷取温度对0.055C-1.055Mn-0.112Ti微合金化高强钢力学性能的影响，卷取温度由625 ℃降到579 ℃，纳米尺寸碳化物的数量显著减少，降低了沉淀强化效果，屈服强度降低205 MPa^[4]。商建辉等研究了640、680、720 ℃卷取温度对Ti-IF钢第二相粒子及晶粒尺寸的影响，发现卷取温度主要影响TiC粒子的析出和长大，卷取温度为640 ℃有利于获得细小的TiC粒子，尺寸为10~30 nm^[5]。庞启航等研究了300~500 ℃卷取对0.09C-1.8Mn-0.04Nb-0.15Ti-0.002B热轧高强钢显微组织和力学性能的影响，发现随着卷取温度的升高，抗拉强度不断减小，屈服强度先增加后减小。当卷取温度为350 ℃时，试验钢具有良好的综合力学性能，即抗拉强度为1 253 MPa，屈服强度为1 099 MPa，断后伸长率为13%^[6]。黄瑞等研究了卷取温度分别为600、650、700 ℃对0.07C-1.88Mn-0.03Nb-0.08Ti-0.2Mo复合微合金化钢析出相的影响，发现卷取温度对纳米析出相颗粒的尺寸具有非常重要的影响，卷取温度为650 ℃时，有利于获得细小紧密且均匀分布的纳米析出相颗粒，从而获得更优异的力学性能^[7]。因此，研究卷取温度对微合金钢显微组织和力学性能的影响具有十分重要的意义。

本文设计了一种Ti微合金化高强耐候钢，研究了卷取温度对试验钢板显微组织和力学性能的影响，分析了各种强化方式对强度的贡献，为工业生产制定合适的轧制工艺参数提供参考。

1 试验材料与方法

试验材料的化学成分如表 1所列，采用150 kg真空感应炉冶炼，然后锻造成60 mm×150 mm×200 mm的钢坯。利用Jmatpro软件模拟计算试验钢的连续冷却转变曲线以及各个析出相的平衡相图，以便确定各个相的转变点以及临界冷却速率，为实验室控轧控冷方案制定提供参考。

控轧控冷试验在实验室二辊可逆轧机上进行，具体轧制工艺和冷却制度如图 1所示。采用箱式电阻炉对钢坯加热至1 250 ℃保温2 h，然后经9道次轧制成5 mm厚的钢板，压下制度为：60 mm→42 mm→ 30 mm→22 mm→ 16 mm→12 mm→ 9 mm→7 mm→6 mm→5 mm。前4道次模拟粗轧过程，压下率为73.3%；后5道次模拟精轧过程，压下率为68.8%。粗轧在奥氏体再结晶区进行，为了保证奥氏体再结晶过程充分进行，粗轧温度≥1 050 ℃。精轧开轧温度≤1 030 ℃，在奥氏体未再结晶区完成轧制，终轧温度为880 ℃。层流冷却控制试验钢板冷却速率在20~30 ℃/s范围内，终冷温度分别控制在500 ℃和540 ℃。将试验钢板放入箱式电阻炉保温0.5 h随炉冷却至室温，模拟热轧卷卷取过程。

在轧后试验钢板的中心部位切取金相试样和拉伸试样。垂直轧向方向将试样研磨抛光，经硝酸+无水乙醇（4﹕96，V/V）溶液腐蚀后置于Axio Imagrer M2m金相显微镜下观察显微组织。按GB/T 228.1—2010标准沿轧向切取矩形横截面比例试样，平行段宽度b₀=25 mm，比例系数k=5.65，拉伸实验在Z600电子拉伸试验机上进行。

2 试验结果 2.1 试验钢的连续冷却转变曲线和析出平衡相图

图 2为Jmatpro软件模拟计算的试验钢连续冷却转变曲线。可以看出，试验钢奥氏体化后冷却过程中，分别发生了铁素体（F）、珠光体（P）、贝氏体（B）及马氏体（M）转变，珠光体转变主要发生在冷却速率≤10 ℃/s时。在平衡状态下，铁素体、珠光体、贝氏体相变的开始温度分别为879.8、724.4、625.9 ℃。随着冷却速率的增加，各个相的开始转变温度下降，铁素体和珠光体的含量逐渐减小，贝氏体的含量逐渐增多。

图 3为Jmatpro软件模拟计算的试验钢在500~1 500 ℃范围内的各个析出相的平衡相图。可以看出，主要的析出相有Ti₄C₂S₂、M（C，N）、渗碳体、M₇C₃、Cu。其中Ti₄C₂S₂、M（C，N）为Ti微合金钢中常见的析出物，在控制轧制的过程中开始析出，随着温度的不断降低，析出含量不断增加。而渗碳体、M₇C₃属于碳化物，一般在轧制后水冷过程中析出和长大^[8]。Cu是一种能产生强烈沉淀强化作用的析出物^[9]，一般在沉淀硬化钢中应用较多。

从图 3可以看出，在600 ℃以下卷取过程中主要析出相为M（C，N）、M₇C₃和Cu。

2.2 不同卷取温度下显微组织

图 4为试验钢板在不同卷取温度下的金相组织。可以看出，在500 ℃卷取时，其组织主要由铁素体和粒状贝氏体组成，其中，粒状贝氏体体积分数约为3.4%，铁素体平均晶粒尺寸约为6.2 μm。当卷取温度升高至540 ℃时，组织中除了铁素体和粒状贝氏体外，还出现了少量沿晶界分布的珠光体组织，约为1.2%，贝氏体体积分数相比于500 ℃有所减少，约为2.1%。在540 ℃卷取时，铁素体晶粒尺寸明显增大，约为8.6 μm。

2.3 不同卷取温度下力学性能

表 2为不同卷取温度下试验钢板的力学性能。由表 2可见，试验钢在500 ℃和540 ℃卷取时力学性能有显著差异。当卷取温度为500 ℃时，试验钢的屈服强度（R_el）为541.5 MPa，抗拉强度（R_m）为625.5 MPa，断后伸长率（A）为20.1%。当卷取温度提升至540 ℃，其屈服强度（R_el）和抗拉强度（R_m）均下降，分别为505 MPa和602.5 MPa，比500 ℃卷取时分别降低了36.5 MPa和23.0 MPa，而断后伸长率（A）提高至23.2%。随着卷取温度的降低，晶粒细化，材料的屈强比（R_el/R_m）提高。

2.4 不同卷取温度下强化机理计算

对于铁素体钢而言，屈服强度（σ_y）可以根据扩展Hall-Petch公式计算^[10-11]：

(1)

式（1）中：σ₀为晶格摩擦力，即基体的点阵阻力，低碳钢取值53 MPa；σ_s为由固溶强化引起的屈服强度增量，MPa；σ_g为由细晶强化引起的强度增量，MPa；σ_d为位错强化引起的强度增量，MPa；σ_p为不可变形析出颗粒强化引起的屈服强度增量，MPa。

其中，固溶强化可以用式（2）表示^[12]：

(2)

式（2）中：w（C）、w（N）、w（Mn）、w（Si）、w（P）、w（Cu）、w（Ti）、w（Mo）、w（V）、w（Sn）、w（Cr）分别表示固溶在基体中的各合金元素的质量分数，%；铁素体中C的固溶量为0.01%（质量分数，下同），Cr、P、Si、Cu、Mn等元素均以固溶态存在^[13]，其固溶元素的含量可由表 1的获得。Ti主要与C、N、S等元素结合形成化合物，固溶的Ti含量很低，其固溶强化作用可忽略不计。根据式（2）计算固溶强化值约为107 MPa。

室温下实验用钢的细晶强化σ_g可用Hall-Petch公式表示^[14]：

(3)

式（3）中：k_y为比例常数，低碳钢中通常取17.4（MPa·mm^1/2）；d为铁素体平均晶粒尺寸，mm。

500 ℃和540 ℃卷取时铁素体平均晶粒尺寸分别为6.8 μm和8.4 μm，可以计算出2个卷取温度下细晶强化值分别为211 MPa和190 MPa，相差21 MPa。根据式（1）可以计算出卷取温度为500 ℃和540 ℃时沉淀强化和位错强化之和分别为170.5 MPa和155 MPa，差值为15.5 MPa。

3 分析与讨论

图 5为不同卷取温度下各种强化方式对试验钢屈服强度贡献的比较。可以看出，细晶强化值对屈服强度的贡献最大，卷取温度为500 ℃和540 ℃时细晶强化分别占总强度的39%和38%；其次是沉淀强化+位错强化，均占总强度的31%，固溶强化分别占总强度的20%和21%。

卷取温度为500 ℃和540 ℃时，细晶强化对屈服强度的贡献分别为211 MPa和190 MPa，差值为21 MPa。卷取温度为500 ℃时铁素体平均晶粒尺寸为6.8 μm，晶粒较细小，这是因为卷取温度较低，增加了过冷度，提高了铁素体相变形核率，因此，形成的晶粒更为细小^[15]。另外，在随后的保温过程中，由于卷取温度较低，铁素体晶粒也不易长大，使得晶粒较细小，细晶强化效果显著。而在卷取温度为540 ℃时，铁素体晶粒长大，细晶强化作用减弱。

卷取温度为500 ℃和540 ℃时，沉淀强化+位错强化对屈服强度的贡献分别为170.5 MPa和155 MPa。根据文献[16]，卷取温度从490 ℃增加到550 ℃时，Ti微合金化钢的析出物数量增多、尺寸变大，沉淀强化作用增加。但是，卷取温度为540 ℃时，由于温度较高，有更多的位错产生回复，使得位错密度降低，位错强化作用减弱。位错强化减弱的作用大于沉淀强化增加的作用，因此，使得卷取温度为540 ℃时位错强化+沉淀强化之和较500 ℃时低。

4 结论

1）卷取温度为500 ℃时显微组织为铁素体和粒状贝氏体，粒状贝氏体体积分数约为3.4%，铁素体平均晶粒尺寸约为6.2 μm。卷取温度为540 ℃时，显微组织为铁素体、粒状贝氏体和珠光体，珠光体和粒状贝氏体体积分数分别约占1.2%和2.1%，铁素体平均晶粒尺寸为8.6 μm。

2）卷取温度为500 ℃和540 ℃时试验钢的主要强化方式均为细晶强化，贡献值分别为211 MPa和190 MPa，分别占屈服强度的39%和38%，其次为沉淀强化+位错强化，均占屈服强度的31%；固溶强化分别占屈服强度的20%和21%。

3）试验钢在卷取温度为500 ℃时屈服强度比540 ℃高36.5 MPa，其中细晶强化高21 MPa，沉淀强化+位错强化之和高15.5 MPa，3种强化因素的综合作用是造成不同卷取温度下强度差异的主要原因。