摘 要:某批次 Q345E钢在进行低温冲击试验时,发现其低温冲击性能不满足标准要求。采用 扫描电镜分析、夹杂物评定、金相检验、晶粒度评定等方法,分析了其冲击性能不合格的原因。结果 表明:钢材中的硫化物在心部偏聚,夹杂物的存在导致基体连续性被破坏,当受到冲击作用力时,钢 材的有效受力面积和冲击吸收面积变小,裂纹在该处萌生并快速扩展;钢材的晶粒尺寸较大,使金 属间的结合力变小,最终导致该钢材的低温冲击性能不合格。

关键词:Q345E钢;低温冲击性能;夹杂物;偏析;晶粒度

中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)05-0034-03

钢材在制造过程中,为了达到产品的使用要求, 需要考虑其综合力学性能,如在低温条件下,要求钢 材具有良好的抗冲击载荷能力。某批次 Q345E钢 材在进行低温(-40℃)冲击试验时,发现有试样的 低温冲击性能不满足标准要求,笔者对其进行一系 列理化检验,查明了其低温冲击性能不合格的原因, 并提出了改进建议,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 冲击性能测试

按照GB/T229—2020《金属材料 夏比摆锤冲 击试验方法》,取 A,B两组试样进行低温冲击性能 测试,每组3个平行试样,试样厚度为25mm,结果 如表1所示,可见 A组试样的低温冲击性能满足标 准要求,B组试样的低温冲击性能不满足标准要求。

1.2 扫描电镜(SEM)分析

对试样 A1和B1的冲击断口进行扫描电镜分 析,结果如图1,2所示。由图1,2可知:试样 A1断 口为典型的混合型断口,剪切区域面积较大,整体呈韧窝+解理形貌;试样B1断口为典型脆性断口,整 个断裂面几乎完全垂直于试样长度方向,剪切区域 面积较小,主要表现为解理形貌。试样 A1和B1冲 击断口的断面上未见沿晶形貌或晶界析出相,说明 试样 A1和B1均发生了低温脆性断裂,断裂与析出 相造成的晶界脆化无关。由试样 A1和B1断口不 同形貌区域的比例可知,试样的韧-脆转变温度低于 -40℃。

1.3 夹杂物评定

对 A组和B组试样进行夹杂物评定,结果如表 2所示。由表2可知:A 组和B组试样均存在不同 程度的 A类硫化物夹杂;B组试样的硫化物等级为 2.5~3.0级,由此说明B组试样的硫元素含量较高。

1.4 金相检验

将试样 A1和B1沿横向切割,经磨抛、腐蚀后 用光学显微镜进行观察,结果如图3所示。由图3 可知:试样 A1和 B1内部均存在不同程度的偏析 带,偏析带位于试样心部;试样 A1心部偏析处的组织主要为铁素体+珠光体,其中珠光体含量较高;试 样B1的偏析程度比试样 A1的偏析程度更大,偏析 处的组织主要为贝氏体+铁素体+珠光体,局部还 存在少量马氏体[1-3],并伴有硫化物夹杂的偏聚,同 时可见脆相组织。\'

1.5 晶粒度评定

A,B两组试样的平均晶粒度分别为8.5级和 8.0级,Q345E钢的晶粒度应不低于9级,发现该批 钢材的晶粒度等级不满足产品的技术要求。

2 综合分析

由上述理化检验结果可知:低温冲击性能合格 试样的断口呈韧性+脆性混合形貌,不合格试样的 断口呈脆性断裂形貌;钢材中的硫化物在心部偏聚, 夹杂物的存在导致基体连续性被破坏,当受到冲击 作用力时,钢材的有效受力面积和冲击吸收面积会 变小;不合格试样的心部偏析程度较严重,偏析组织 主要为脆性较大的贝氏体+少量马氏体,同时有大 量硫化物在该处偏聚,因此裂纹易在该处萌生并快 速扩展。控轧、控冷工艺过程中,终轧温度对钢材组织的影响十分明显。当终轧温度避开奥氏体再结晶 区,控制在未再结晶区时,材料可以获得力学性能良 好的热轧态组织。该批钢材的晶粒尺寸较大,影响 钢材晶粒尺寸的因素为轧制过程的终轧温度、轧制 变形量、冷却速率等[4-5]。当晶粒尺寸较小时,晶界 处的晶体排列不规则程度较大,晶面犬牙交错性较 强,晶间咬合力变大,金属间的结合力变大,因此钢 材的晶粒度是影响其低温冲击性能的重要因素。 Q345E钢的晶粒尺寸越小,钢材的低温冲击性能越 好,当晶粒度不低于9级时,可以防止钢材在低温状 态下因受到冲击力的作用而发生脆断。

3 结论与建议

(1)钢材的心部偏析程度较严重,晶粒度尺寸 较大以及硫化夹杂物的存在导致试样的低温冲击性 能不合格。

(2)建议对 Q345E钢中磷、硫元素的含量(质 量分数,下同)进行严格控制,硫元素的含量低于 0.005%,磷元素的含量低于0.010%,使 A 类夹杂 物等级不超过1.0级。

(3)随着碳元素含量增加,钢材的强度提高,塑 性和 韧 性 下 降,建 议 碳 元 素 的 含 量 应 控 制 在 0.12%~0.15%,以同时满足材料的强度、韧性和塑 性要求。

(4)锰元素具有细化晶粒和降低相变温度的作用,当锰元素含量不低于1.2%时,钢材的强化效果 明显,当锰元素含量不低于1.5%时,钢材的韧性下 降,因此为了同时满足钢材的韧性和强度要求,建议 将锰元素含量控制在1.2%~1.5%。

(5)建议将 Q345E钢的终轧温度控制在850~ 900℃,以避免在轧制过程中产生严重偏析带;建议 采用风冷或者水雾冷却,加速冷却至500℃后进行 缓冷,避免因冷却速率过快而使材料局部出现脆性 较大的贝氏体或马氏体。

(6)建议对该批钢材进行不同温度下的冲击性 能测试,找出其韧-脆转变温度,以进一步制定改进 措施。

参考文献:

[1] 张国滨,宁玫,周欣欣.钢中非金属夹杂物分析[J].理 化检验(物理分册),2021,57(12):1-7.

[2] 杜民献,王孟君.显微组织对贝氏体高强度钢冲击性 能的影响[J].金属热处理,2015,40(4):40-44.

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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 5期 (pp:34-36)>