摘 要:某批次 Q345E鋼在進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)其低溫沖擊性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。采用 掃描電鏡分析、夾雜物評(píng)定、金相檢驗(yàn)、晶粒度評(píng)定等方法,分析了其沖擊性能不合格的原因。結(jié)果 表明:鋼材中的硫化物在心部偏聚,夾雜物的存在導(dǎo)致基體連續(xù)性被破壞,當(dāng)受到?jīng)_擊作用力時(shí),鋼 材的有效受力面積和沖擊吸收面積變小,裂紋在該處萌生并快速擴(kuò)展;鋼材的晶粒尺寸較大,使金 屬間的結(jié)合力變小,最終導(dǎo)致該鋼材的低溫沖擊性能不合格。

關(guān)鍵詞:Q345E鋼;低溫沖擊性能;夾雜物;偏析;晶粒度

中圖分類號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)05-0034-03

鋼材在制造過程中,為了達(dá)到產(chǎn)品的使用要求, 需要考慮其綜合力學(xué)性能,如在低溫條件下,要求鋼 材具有良好的抗沖擊載荷能力。某批次 Q345E鋼 材在進(jìn)行低溫(-40℃)沖擊試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)有試樣的 低溫沖擊性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,筆者對(duì)其進(jìn)行一系 列理化檢驗(yàn),查明了其低溫沖擊性能不合格的原因, 并提出了改進(jìn)建議,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 沖擊性能測(cè)試

按照GB/T229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖 擊試驗(yàn)方法》,取 A,B兩組試樣進(jìn)行低溫沖擊性能 測(cè)試,每組3個(gè)平行試樣,試樣厚度為25mm,結(jié)果 如表1所示,可見 A組試樣的低溫沖擊性能滿足標(biāo) 準(zhǔn)要求,B組試樣的低溫沖擊性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 掃描電鏡(SEM)分析

對(duì)試樣 A1和B1的沖擊斷口進(jìn)行掃描電鏡分 析,結(jié)果如圖1,2所示。由圖1,2可知:試樣 A1斷 口為典型的混合型斷口,剪切區(qū)域面積較大,整體呈韌窩+解理形貌;試樣B1斷口為典型脆性斷口,整 個(gè)斷裂面幾乎完全垂直于試樣長度方向,剪切區(qū)域 面積較小,主要表現(xiàn)為解理形貌。試樣 A1和B1沖 擊斷口的斷面上未見沿晶形貌或晶界析出相,說明 試樣 A1和B1均發(fā)生了低溫脆性斷裂,斷裂與析出 相造成的晶界脆化無關(guān)。由試樣 A1和B1斷口不 同形貌區(qū)域的比例可知,試樣的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度低于 -40℃。

1.3 夾雜物評(píng)定

對(duì) A組和B組試樣進(jìn)行夾雜物評(píng)定,結(jié)果如表 2所示。由表2可知:A 組和B組試樣均存在不同 程度的 A類硫化物夾雜;B組試樣的硫化物等級(jí)為 2.5~3.0級(jí),由此說明B組試樣的硫元素含量較高。

1.4 金相檢驗(yàn)

將試樣 A1和B1沿橫向切割,經(jīng)磨拋、腐蝕后 用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3 可知:試樣 A1和 B1內(nèi)部均存在不同程度的偏析 帶,偏析帶位于試樣心部;試樣 A1心部偏析處的組織主要為鐵素體+珠光體,其中珠光體含量較高;試 樣B1的偏析程度比試樣 A1的偏析程度更大,偏析 處的組織主要為貝氏體+鐵素體+珠光體,局部還 存在少量馬氏體[1-3],并伴有硫化物夾雜的偏聚,同 時(shí)可見脆相組織。'

1.5 晶粒度評(píng)定

A,B兩組試樣的平均晶粒度分別為8.5級(jí)和 8.0級(jí),Q345E鋼的晶粒度應(yīng)不低于9級(jí),發(fā)現(xiàn)該批 鋼材的晶粒度等級(jí)不滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:低溫沖擊性能合格 試樣的斷口呈韌性+脆性混合形貌,不合格試樣的 斷口呈脆性斷裂形貌;鋼材中的硫化物在心部偏聚, 夾雜物的存在導(dǎo)致基體連續(xù)性被破壞,當(dāng)受到?jīng)_擊 作用力時(shí),鋼材的有效受力面積和沖擊吸收面積會(huì) 變小;不合格試樣的心部偏析程度較嚴(yán)重,偏析組織 主要為脆性較大的貝氏體+少量馬氏體,同時(shí)有大 量硫化物在該處偏聚,因此裂紋易在該處萌生并快 速擴(kuò)展。控軋、控冷工藝過程中,終軋溫度對(duì)鋼材組織的影響十分明顯。當(dāng)終軋溫度避開奧氏體再結(jié)晶 區(qū),控制在未再結(jié)晶區(qū)時(shí),材料可以獲得力學(xué)性能良 好的熱軋態(tài)組織。該批鋼材的晶粒尺寸較大,影響 鋼材晶粒尺寸的因素為軋制過程的終軋溫度、軋制 變形量、冷卻速率等[4-5]。當(dāng)晶粒尺寸較小時(shí),晶界 處的晶體排列不規(guī)則程度較大,晶面犬牙交錯(cuò)性較 強(qiáng),晶間咬合力變大,金屬間的結(jié)合力變大,因此鋼 材的晶粒度是影響其低溫沖擊性能的重要因素。 Q345E鋼的晶粒尺寸越小,鋼材的低溫沖擊性能越 好,當(dāng)晶粒度不低于9級(jí)時(shí),可以防止鋼材在低溫狀 態(tài)下因受到?jīng)_擊力的作用而發(fā)生脆斷。

3 結(jié)論與建議

(1)鋼材的心部偏析程度較嚴(yán)重,晶粒度尺寸 較大以及硫化夾雜物的存在導(dǎo)致試樣的低溫沖擊性 能不合格。

(2)建議對(duì) Q345E鋼中磷、硫元素的含量(質(zhì) 量分?jǐn)?shù),下同)進(jìn)行嚴(yán)格控制,硫元素的含量低于 0.005%,磷元素的含量低于0.010%,使 A 類夾雜 物等級(jí)不超過1.0級(jí)。

(3)隨著碳元素含量增加,鋼材的強(qiáng)度提高,塑 性和 韌 性 下 降,建 議 碳 元 素 的 含 量 應(yīng) 控 制 在 0.12%~0.15%,以同時(shí)滿足材料的強(qiáng)度、韌性和塑 性要求。

(4)錳元素具有細(xì)化晶粒和降低相變溫度的作用,當(dāng)錳元素含量不低于1.2%時(shí),鋼材的強(qiáng)化效果 明顯,當(dāng)錳元素含量不低于1.5%時(shí),鋼材的韌性下 降,因此為了同時(shí)滿足鋼材的韌性和強(qiáng)度要求,建議 將錳元素含量控制在1.2%~1.5%。

(5)建議將 Q345E鋼的終軋溫度控制在850~ 900℃,以避免在軋制過程中產(chǎn)生嚴(yán)重偏析帶;建議 采用風(fēng)冷或者水霧冷卻,加速冷卻至500℃后進(jìn)行 緩冷,避免因冷卻速率過快而使材料局部出現(xiàn)脆性 較大的貝氏體或馬氏體。

(6)建議對(duì)該批鋼材進(jìn)行不同溫度下的沖擊性 能測(cè)試,找出其韌-脆轉(zhuǎn)變溫度,以進(jìn)一步制定改進(jìn) 措施。

參考文獻(xiàn):

[1] 張國濱,寧玫,周欣欣.鋼中非金屬夾雜物分析[J].理 化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2021,57(12):1-7.

[2] 杜民獻(xiàn),王孟君.顯微組織對(duì)貝氏體高強(qiáng)度鋼沖擊性 能的影響[J].金屬熱處理,2015,40(4):40-44.

[3] 劉璇,趙剛,李大航,等.熱處理工藝對(duì)510MPa級(jí)船 板用鋼組織及性能的影響[J].金屬熱處理,2021,46 (1):61-64.

[4] 姜鴻亮,王晶,孫雪嬌,等.鋼板沖擊試樣斷口分離現(xiàn) 象分析[J].物理測(cè)試,2017,35(3):39-44.

[5] 駱春民,劉瑩,劉海英,等.Q345E板材心部貝氏體組 織轉(zhuǎn)變研究[J].天津冶金,2013(4):54-57.

<文章來源> 材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>59卷>5期(pp:34-36)>