《Materials Science and Engineering: A》：Strengthening and Toughening of Ultra-Heavy Steel Plate by Gradient Temperature Rolling and Heat Treatment
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梯度温度轧制联合淬火回火等温退火工艺显著提升Q690超厚钢板强度与韧性均匀性，降低脆性转变温度20.1°C，核心机制为热轧晶粒细化及回火后高角度晶界密度增加。
高照海|张宇|徐少普|葛俊海|夏子伟|程雷|余伟
北京科技大学工程技术研究院，北京，102200，中国
摘要
在轧制高强度超厚钢板的过程中，厚度方向上的温度和变形量差异不可避免地会导致不同厚度位置的微观结构演变发生变化。这些变化随后会影响后续热处理过程中的微观结构发展和性能分布。本研究比较了均匀温度轧制（UTR）和梯度温度轧制（GTR），以探讨GTR工艺对淬火、层状回火（QLT）热处理后的高强度低合金（HSLA）超厚钢板微观结构和性能的影响。与采用UTR工艺生产的钢板相比，采用GTR工艺生产的钢板其韧脆转变温度降低了20.1°C。此外，沿厚度方向的屈服强度和抗拉强度分别提高了48.3 MPa和34.1 MPa，同时塑性增强，强度分布更加均匀。分析表明，在超厚钢板上进行GTR工艺结合QLT热处理后，其微观结构的核平均错位（KAM）值降低，高角度晶界（HAGBs）的密度增加，有效晶粒尺寸（EGS）变小，细小稳定的残余奥氏体（RA）的比例提高。这些因素有助于在超厚钢板中实现强度和韧性的更好平衡，并减少厚度方向的微观结构和性能梯度。关键在于，GTR工艺处理后的QLT处理能够细化热轧过程中的原始奥氏体晶粒以及随后形成的贝氏体片层的长度和宽度。
引言
为了确保钢材在使用中的安全性能，超厚钢板需要具备高强度水平、低屈服比、优异的低温韧性、低冷裂纹焊接敏感性系数以及沿厚度方向微观结构和性能的均匀性。由于超厚钢板表面和中心的冷却速率不一致，导致截面上的微观结构和机械性能不均匀，Z方向上的抗拉性能较差；吴等人[1]研究了超厚钢板表面和中心性能差异的机制，结果表明由于中心区域的冷却速率显著较低，表面的HAGBs密度高于中心区域。高密度的HAGBs有助于防止裂纹扩展、细化有效晶粒尺寸并增强基体，从而导致钢板表面和中心之间的强度和韧性差异。余等人[2]、[3]提出了一种采用GTR技术的新型轧制工艺来生产Q345 B超厚钢板。GTR工艺在轧制过程中快速冷却钢板，形成中心区域温度高、表面区域温度低的温度场分布。这种温度梯度使得钢板中心和表面的变形阻力不同：中心区域的变形阻力小，变形量大；而表面区域的变形阻力大，变形量小。因此，轧制力可以渗透到中心区域，充分细化中心区域的晶粒尺寸，并形成促进收缩孔洞、裂纹等愈合的应力状态，从而显著提高钢板中心的强度和韧性。[4]、[5]谢等人[6]利用GTR工艺开发了沿厚度方向强度均匀性优异的超厚高强度钢板。结果表明，与UTR工艺相比，GTR工艺可以有效细化钢板中心和1/4厚度位置的原始奥氏体晶粒，增加淬火过程中亚临界铁素体（IF）和大角度晶界的比例，实现沿厚度方向的均匀强度和低温冲击韧性。
金等人[7]和Syn等人[8]研究了QLT工艺对5.5Ni钢机械性能和微观结构的影响，他们在淬火和回火处理的基础上增加了层状化处理。结果表明，QLT工艺可以细化马氏体结构并改善机械性能。卢等人[9]发现QLT工艺中HAGBs的比例显著高于淬火-回火（QT）工艺，有效晶粒尺寸（EGS）显著低于QT工艺，表明亚临界淬火可以实现有效的晶粒细化。余Y-s等人[10]表明，高密度的HAGBs（尤其是取向差异大于45°的晶界）能有效防止裂纹扩展并提高韧性。随着HAGBs比例的增加和EGS的减小，裂纹扩展阻力增强，从而提高冲击韧性。康等人[11]发现经过QLT处理的钢板获得了铁素体相和回火马氏体的复合微观结构，冲击韧性的提高主要归因于残余奥氏体和带状铁素体的交错排列以及大角度取向差的铁素体/马氏体界面，这些结构对裂纹扩展具有有效的阻隔作用。姬和Ddk等人[12]、[13]的研究表明，QLT热处理形成的细小稳定残余奥氏体（RA）可以阻碍裂纹扩展并吸附大量碳元素，对基体中的碳和杂质元素具有吸附作用。如果RA形成在贝氏体/马氏体（M/B）片层之间，可以有效阻碍M/B片层的生长，并与M/B片层协同变形，从而有效提高材料的低温韧性和塑性[13]、[14]。
基于QLT工艺和GTR工艺的优势，本文旨在开发一种高强度超厚钢板的生产方法，以解决超厚钢板中心性能与表面性能之间较大的差异问题。
材料
材料
实验选用了来自某钢厂厚度为350毫米的连续铸造坯料，用于生产厚度为100毫米的超厚钢板。其化学成分见表1。
轧制工艺
钢坯的加热温度为1200°C，保温时间为2小时，开始轧制的温度为1050-1100°C，最终轧制温度约为870°C。轧制完成后，使用加速控制冷却系统将钢板冷却至650°C。
UTR和GTR处理后的微观结构
两种冷却方式对轧前（或道次间）温度分布的影响如图3所示。UTR处理的钢板整体温度均匀，表面与中心的温差较小；而GTR处理的钢板则表现出明显的表面-中心温度梯度。
图4展示了GTR和UTR处理后的超厚钢板不同厚度位置的微观结构。两种轧制工艺下的钢板微观结构组成如下：
结论
通过比较UTR和GTR工艺结合QLT热处理的效果，本研究分析了GTR工艺对Q690强度等级的超厚HSLA钢板微观结构和机械性能的影响。同时探讨了GTR工艺对HSLA Q690超厚钢板强化和韧化机制。
- (1)
经过QLT热处理后，UTR和GTR工艺生产的Q690超厚钢板的微观结构总体相似
作者贡献声明
高照海：撰写——初稿。张宇?：撰写——审阅与编辑，数据管理。徐少普：数据管理。葛俊海：研究，数据管理。夏子伟：研究。程雷：指导。余伟：撰写——审阅与编辑，指导，概念构思
利益冲突声明
在准备本论文的过程中，作者使用了ChatGPT工具来优化论文描述。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
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