固溶温度对新型建筑耐候钢性能的影响

张书娜,何 宇,焦丽君,卢志文,刘 骏

(1. 邢台职业技术学院，邢台 054035； 2. 邢台钢铁有限责任公司，邢台 054035；3. 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

建筑耐候钢相较于普通建筑用钢具有更好的耐大气腐蚀的能力，但在潮湿大气中S、Cl等化合物会溶于水中形成腐蚀性介质[1]，使建筑用钢受到不同形式的腐蚀破坏(点蚀、剥落腐蚀和应力腐蚀等[2])，导致材料强度降低，整体结构承载力下降，甚至建筑倒塌等[3]。为了增强建筑用钢的耐大气腐蚀性能，提升建筑物的安全性，开发出低成本、高耐候性的新型建筑耐候钢变得尤为重要。虽然我国在建筑耐候钢的开发与应用方面进行了大量的工作，但是由于起步较晚，在体系建设方面与国外还有一定的差距，国产耐候钢的综合性能也不如国外先进耐候钢的，如屈服强度高于500 MPa级的耐候钢还存在耐蚀性较差等问题[4-5]。热处理是一种广泛应用的提升金属材料性能的方法。但目前关于耐候钢热处理的研究不多，且这些研究主要集中在时效处理方面，而关于固溶温度对耐候钢显微组织、力学性能和耐蚀性能影响方面的报道较少[6-7]。本工作选取耐候钢组织与性能较为敏感的固溶温度(1 025～1 200 ℃)，分析了固溶温度对新型耐候钢显微组织和性能的影响，并分析了固溶温度对改善耐候钢显微组织和性能的作用机理，以期为新型建筑耐候钢的开发与应用提供必要参考。

1 试验

1.1 试验材料

选取热轧态新型建筑耐候钢板(厚度16 mm)为试验材料，采用电感耦合等离子发射光谱法测得其化学成分(质量分数)为：0.035% C、0.35% Si、0.66% Mn、0.007% P、0.004% S、22.57% Cr、7.40% Ni、4.41% Mo、0.28% N，余量为Fe。在箱式电阻炉中对热轧耐候钢板进行固溶处理，即将钢板加热到设定温度后装炉并保温60 min后出炉水冷。固溶温度分别为1 025、1 075、1 125、1 175、1 200 ℃。

1.2 测试与表征

采用冷镶法制备金相试样，试样经打磨、抛光后分别进行电解腐蚀(15% NaOH溶液，电解30 s)和晶粒度腐蚀(2.5 g KMnO4+8 mL H2SO4+92 mL H2O,48 ℃水浴20 min)，再置于GX51型金相显微镜上观察组织特征，采用专业图像分析软件Image-Pro Plus 6.0分析试样中铁素体和奥氏体含量；采用S-4800型扫描电镜(SEM)观察微观组织和断口形貌；在MTS-810型拉伸机、JB30B摆锤式冲击试验机和TH320型洛氏硬度计上分别进行室温拉伸、室温冲击和洛氏硬度测试；在P4000A型电化学工作站中进行标准三电极体系的室温极化曲线和电化学阻抗测试，腐蚀溶液都为3.5%(质量分数)NaCl，测试电位均相对于参比电极(饱和甘汞电极，SCE)。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图1为热轧态和固溶态耐候钢的OM形貌。无论是热轧态还是固溶态，耐候钢的组织都由黑灰色条状铁素体(α)和亮白色带状奥氏体(γ)组成。热轧态和较低固溶温度下(1 025和1 075 ℃)，耐候钢中的α和γ相有明显的变形特征，且分布不均匀；在较高的固溶温度下(1 125～1 200 ℃)，耐候钢中α和γ相的变形特征消失，随着固溶温度升高,α晶粒有长大的趋势，α和γ相的分布变得均匀。

(a) 热轧态 (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃图1 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢的OM形貌Fig. 1 OM morphology of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures (b-f)

图2为热轧态和和固溶态耐候钢的SEM形貌。对比分析可见，热轧态和较低固溶温度下(1 025 ℃和1 075 ℃)，耐候钢界面处存在块状析出相，能谱分析表明这些析出相主要含有Fe、Cr、Mo和O等元素；在较高的固溶温度下(1 125～1 200 ℃)，耐候钢中的块状析出相基本都回熔至基体，耐候钢中未见明显析出相存在。

(a) 热轧态 (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃图2 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢的SEM形貌Fig. 2 SEM morphology of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures (b-f)

图3为固溶温度对耐候钢中奥氏体和铁素体含量的影响。在1 125～1 200 ℃固溶温度，块状析出相回熔至基体。从图3可知，在较高的固溶温度下，随着固溶温度升高，耐候钢中的奥氏体含量逐渐降低，铁素体含量升高；当固溶温度为1 175 ℃时，耐候钢中铁素体体积分数为49.3%、奥氏体体积分数为50.7%，二者的体积比约为1∶1。这与文献[8]的结果基本一致。

图3 固溶温度对耐候钢中奥氏体和铁素体含量的影响Fig. 3 Effect of solution treatment temperature on austenite content and ferrite content in weathering steel

图4为热轧态和和固溶态耐候钢的晶粒度照片。固溶态耐候钢的晶粒相较于热轧态有所长大，但是在固溶温度为1 175 ℃时，耐候钢中α和γ晶粒较为细小，且二者晶粒尺寸较为接近，组织均匀性较高，这主要是因为此时耐候钢中奥氏体和铁素体体积分数分别为50.7%和49.3%，两相体积比较为接近时可以互相抑制对方晶粒长大，从而获得更小的晶粒尺寸[9]。如果固溶温度过高(1 200 ℃)，铁素体和奥氏体体积比在发生变化的同时，晶粒长大驱动力增加，因此固溶温度为1 200 ℃时,耐候钢的晶粒比1 175 ℃时的更大。

2.2 力学性能

表1为热轧态和固溶态耐候钢的室温力学性能。分析可知，与热轧态耐候钢相比，固溶态耐候钢的强度和硬度相对偏低，但是断后伸长率、断面收缩率和冲击吸收能相对较高；在固溶温度为1 175 ℃时，耐候钢具有较高的强度和硬度，且韧塑性和冲击吸收能都获得最大值。固溶态耐候钢的强度和硬度低于热轧态耐候钢的是因为：固溶处理后耐候钢的回复和再结晶更加充分，晶粒会发生一定程度长大，且铁素体含量减少[10]。固溶温度为1 175 ℃时，耐候钢具有最佳的综合力学性能，这主要与耐候钢中硬脆析出相消失，以及奥氏体和铁素体含量接近使其具有更好的组织协调性有关[11]。

图5为热轧态和固溶态耐候钢的室温拉伸断口形貌。由图5可见，热轧态和固溶态耐候钢的拉伸断口都呈现出韧性断裂特征的韧窝形态，没有河流花样的解理，也没有冰糖状的沿晶断裂，但是固溶态耐候钢断口的韧窝相对更深、尺寸也更大，故耐候钢的塑性相对更好，且固溶温度为1 175 ℃时塑性最好，与表1中断后伸长率的测试结果保持一致。

(a) 热轧态 (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃图4 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢的晶粒度照片Fig. 4 Photographs of grain size of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures (b-f)

表1 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢的室温力学性能Tab. 1 Room temperature mechanical properties of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures

2.3 耐腐蚀性能

图6为热轧态和固溶态耐候钢的阳极极化曲线。对比分析可知，热轧态和5种固溶态耐候钢的极化曲线变化趋势基本相同，且钝化区间较宽。这主要是因为电化学腐蚀过程中耐候钢表面生成了稳定的钝化膜[12]。采用Powersuite软件对极化曲线进行拟合，得到热轧态和固溶态耐候钢的自腐蚀电位、腐蚀电流密度和点蚀电位等电化学参数，结果如表2所示。其中，点蚀电位Eb100是指电流密度为100 μA/cm2对应的电位值。从表2可知，热轧态和固溶态耐候钢的点蚀电位都在1 V以上，这说明热轧态和固溶态耐候钢都具有较好的耐点蚀性能[13]。此外，固溶温度为1 075、1 125、1 175 ℃时，耐侯钢的自腐蚀电位都比热轧态耐候钢的更正，且固溶温度在1 175 ℃时，腐蚀电流密度取得最小值，根据自腐蚀电位和腐蚀电流密度与材料耐腐蚀性能之间的对应关系可知[14]，耐候钢最佳的固溶温度为1 175 ℃，此时耐候钢具有最好的耐腐蚀性能。

图7为热轧态和固溶态耐候钢在3.5% NaCl溶液中的电化学阻抗谱和及等效电路图。由图7(a)可见，热轧态和5种固溶态耐候钢的电化学阻抗谱都近似为半圆形容抗弧。容抗弧半径越大，对电荷传递的阻碍作用就越大，耐点蚀性能就更强[15-16]。因此可以判断固溶态耐候钢的耐点蚀性能优于热轧态耐候钢的，且固溶温度为1 175 ℃时耐候钢具有最佳的耐点蚀性能。采用Zsimpwin软件对该腐蚀体系的电化学阻抗谱进行拟合，得到溶液电阻Rsol、钝化膜电阻R1和弥散系数n等电化学参数，结果如表3所示。从钝化膜电阻和弥撒系数拟合结果可知，固溶温度为1 175 ℃时，耐候钢的钝化膜电阻最大、弥散系数接近于1，具有最强的阻碍电荷转移的作用，耐腐蚀性能最好。这与极化曲线测试结果保持一致。

(a) 热轧态 (b) 1 025 ℃ (c) 1 075 ℃

(d) 1 125 ℃ (e) 1 175 ℃ (f) 1 200 ℃图5 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢室温拉伸后的断口形貌Fig. 5 Fracture morphology of hot-rolled weathering steel (a) and weathering steel solution-treated at different temperatures after tensile test at room temperature (b-f)

图6 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢的阳极极化曲线Fig. 6 Anode polarization curves of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures

表2 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢极化曲线的电化学参数Tab. 2 Electrochemical parameters of polarization curves of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures

(a) 电化学阻抗谱

(b) 等效电路图图7 热轧态和不同温度固溶处理耐候钢在3.5% NaCl溶液中的电化学阻抗谱和等效电路图Fig. 7 EIS (a) and equivalent circuit diagram (b) of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures in 3.5% NaCl solution

3 结论

(1) 热轧态和固溶态耐候钢的显微组织为铁素体(α)和奥氏体(γ)，固溶温度为1 175 ℃时，耐候钢中铁素体体积分数为49.3%、奥氏体体积分数为50.7%，二者的比例约为1∶1。

表3 热轧态和固溶态耐候钢在3.5% NaCl溶液中电化学阻抗谱的拟合电化学参数Tab. 3 Fitted electrochemical parameters of EIS of hot-rolled weathering steel and weathering steel solution-treated at different temperatures in 3.5% NaCl solution

(2) 固溶态耐候钢的强度和洛氏硬度会低于热轧态耐候钢的，但是断后伸长率、断面收缩率和室温冲击吸收能都高于热轧态耐候钢的。在固溶温度为1 175 ℃时，耐候钢具有较高的强度和硬度，且韧塑性和室温冲击吸收能都获得最大值。

(3) 极化曲线和电化学阻抗谱测试结果显示，固溶温度为1 175 ℃时,耐候钢具有最好的耐腐蚀性能。