Q345E板材心部貝氏體組織轉(zhuǎn)變研究

駱春民，劉 瑩，劉海英，張 龍

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,天津 300301）

1 引言

Q345E 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板因具有較高的強(qiáng)度和塑性、良好的低溫韌性，被廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等領(lǐng)域。目前，天鋼生產(chǎn)的Q345E≥30 mm 厚規(guī)格板材沖擊性能不穩(wěn)定，通過組織觀察，沖擊功低的板材心部有少量貝氏體異常組織，而Q345E 的正常組織應(yīng)該為鐵素體和珠光體，從相關(guān)研究所知，板材心部出現(xiàn)的貝氏體組織與連鑄坯的中心成分偏析有關(guān)。為了研究Q345E板材心部貝氏體組織形成機(jī)理及其影響因素，應(yīng)用熱模擬機(jī)分別做Q345E 連鑄坯心部與1/4 處的臨界轉(zhuǎn)變溫度測定以及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線[1]（CCT 曲線）的對比試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合心部與1/4 表面化學(xué)成分分析、OPA 金屬原位成分偏析分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡等方法對比分析，研究Q345E 鋼的相變規(guī)律，分析因Q345E 連鑄坯心部與1/4 表面偏析差異對貝氏體組織轉(zhuǎn)變的影響。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

從天鋼Q345E 連鑄坯做低倍硫印后的坯料上取試驗(yàn)鋼，分別在鑄坯的心部和1/4 表面處取原位分析樣和熱模擬試驗(yàn)樣。原位樣加工成100 mm×170 mm×20 mm，熱模擬樣加工成Φ6 mm×85 mm。

2.2 試驗(yàn)方法

化學(xué)成分分析，對比心部與1/4 表面化學(xué)成分差異。OPA 金屬原位分析，得到連鑄坯中心處與1/4處的碳、硅、錳、磷、硫的偏析情況。熱模擬試驗(yàn)，測定Q345E 鋼的臨界點(diǎn)，分別做鑄坯中心處與1/4 處的10 個(gè)冷速的靜態(tài)CCT 連續(xù)冷卻曲線，模擬Q345E 軋制變形工藝，模擬連鑄坯1/4 處軋制變形后動態(tài)CCT 連續(xù)冷卻曲線，比較得出經(jīng)軋制變形的動態(tài)CCT 與靜態(tài)CCT 的差異。金相及掃描電鏡分析，對熱模擬測定心部與1/4 處CCT 曲線試驗(yàn)后鑲制成金相及掃描電鏡觀察用樣，試樣拋光、腐蝕后用顯微鏡及掃描電鏡觀察不同冷速條件下鑄坯中心處與1/4 處組織差異，觀察貝氏體形貌特征。

2.2.1 Q345E 臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)測定

應(yīng)用膨脹法測定鋼的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)原理，利用熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)分別測定Q345E 連鑄坯心部與1/4 處的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)。熱模擬實(shí)驗(yàn)先以加熱速率5℃/s 將試樣加熱到500℃，后以0.055℃/s 加熱到980℃，保溫15 min，再以0.055℃/s 冷卻試樣至室溫。根據(jù)熱膨脹曲線上所顯示出的拐點(diǎn)來確定Q345E 鋼的AC1、AC3、Ar3、Ar1臨界點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測得試樣臨界轉(zhuǎn)變溫度如表1 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為心部的AC1、AC3、Ar3、Ar1臨界點(diǎn)均低于1/4 處。

表1 心部與1/4樣臨界轉(zhuǎn)變溫度 /℃

2.2.2 Q345E CCT 曲線測定

應(yīng)用熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，采用熱膨脹法并輔助以金相法分別測定Q345E 鑄坯心部與1/4 處的靜態(tài)CCT 曲線以及1/4 處的動態(tài)CCT 曲線。

靜態(tài)CCT 曲線測定實(shí)驗(yàn)具體為：根據(jù)測定的Ac3溫度，選定完全奧氏體化溫度，亞共析鋼一般在Ac3以上30～50℃。將Φ6×85 mm 的圓棒試樣在真空條件下以1℃/s 加熱到930℃完全奧氏體化，保溫20 min 均熱試樣，然后分別以不同冷速進(jìn)行恒速冷卻至室溫。實(shí)驗(yàn)后根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制出膨脹量隨溫度的變化曲線，利用切線法在熱膨脹曲線上測定各相變轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度。實(shí)驗(yàn)選擇10 種不同的冷卻速度，分別為：0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。實(shí)驗(yàn)后做各冷速的金相組織觀察，重點(diǎn)觀察貝氏體組織。

動態(tài)CCT 曲線測定實(shí)驗(yàn)具體為：將Φ6×85 mm的圓棒試樣在真空條件下以10℃/s 的加熱速率加熱到1 200℃，保溫10 min，以5℃/s 降到1 000℃，保溫1 min，模擬粗軋?jiān)俳Y(jié)晶軋制，變形量25%，應(yīng)變速率2 s-1，然后以2℃/s 降到900℃，保溫1 min，使靜態(tài)再結(jié)晶充分完成，之后模擬精軋未再結(jié)晶軋制，變形量25%，應(yīng)變速率4 s-1，軋制完成后以不同的冷卻速度冷卻至室溫。冷卻計(jì)時(shí)溫度為900℃。實(shí)驗(yàn)后在繪制出的熱膨脹曲線上應(yīng)用切線法測定各相變轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度。實(shí)驗(yàn)同樣選擇10 種不同的冷卻速度，分別為：0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。實(shí)驗(yàn)后做各冷速的金相組織觀察，重點(diǎn)觀察貝氏體組織。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 理化檢測成分分析

分別在鑄坯心部與1/4 處取樣，做理化檢測成分，結(jié)果如表2 所示。

表2 Q345E試驗(yàn)鋼化學(xué)成分/%

理化檢測結(jié)果顯示，心部與1/4 處C、Mn、P、S明顯正偏析，Si 值相等無偏析。

3.2 OPA 金屬原位偏析分析

金屬原位偏析分析見圖1。鑄坯中心坐標(biāo)為Y=112，1/4 處坐標(biāo)Y=49.5，C、Si、Mn、P 偏析集中于厚度的中心線上，呈明顯的線狀分布，心部明顯比1/4 處偏析嚴(yán)重，而S 偏析中心與1/4 處都較為明顯，其中C 中心最大偏析度為1.13，Si 中心最大偏析度為1.04，Mn 中心最大偏析度為1.14，P 中心最大偏析度為1.15，S 中心最大偏析度為1.78。

3.3 熱模擬結(jié)果分析

3.3.1 1/4 處與心部CCT 曲線

實(shí)驗(yàn)后根據(jù)熱模擬數(shù)據(jù)繪制出1/4 處靜、動態(tài)CCT 曲線和心部靜態(tài)CCT 曲線，見圖2 所示。連續(xù)冷卻曲線的冷速分別為0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。在CCT 曲線上，相變區(qū)分別為鐵素體區(qū)、珠光體區(qū)，貝氏體區(qū)，馬氏體區(qū)。1/4 處靜動態(tài)CCT 曲線中，在冷速大于3℃/s 時(shí)有貝氏體相轉(zhuǎn)變，在較快的冷卻速度下，如冷速大于17℃/s 有馬氏體相轉(zhuǎn)變。心部靜態(tài)CCT 曲線中，在冷速大于等于1℃/s 時(shí)已經(jīng)有貝氏體相轉(zhuǎn)變，在冷速大于3℃/s 有就已經(jīng)有馬氏體相變。

圖1 原位偏析圖

圖2 靜、動態(tài)CCT曲線圖

從1/4 處與心部靜態(tài)CCT 曲線圖中得出，過冷奧氏體的冷卻速度不同，發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變也不相同。冷速小時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)變的開始溫度和結(jié)束溫度都較高，隨著冷速的增大，轉(zhuǎn)變溫度也開始降低，轉(zhuǎn)變所經(jīng)歷的溫度區(qū)間也隨著冷速的增大而增加。而相同冷速條件下，心部圖中鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度和結(jié)束溫度均低于1/4 處的，貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度同樣也較低，可見偏析的影響推遲了珠光體轉(zhuǎn)變，使CCT 曲線向下方移動。這是由于[2]心部C、Mn 元素的偏析，使S 點(diǎn)左移，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，降低了鋼的轉(zhuǎn)變溫度Ar3與Ar1，先共析鐵素體析出溫度及鋼的共析轉(zhuǎn)變溫度都降低，推遲了奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變。

實(shí)驗(yàn)測得的1/4 處動態(tài)CCT 曲線如圖2 所示。模擬Q345E 軋制變形工藝，鑄坯1/4 處軋制變形后測定的動態(tài)CCT 連續(xù)冷卻曲線，明顯的比1/4 處靜態(tài)CCT 曲線向左上方移動，即經(jīng)軋制變形后的奧氏體向F、P、B 各相相變開始溫度明顯比靜態(tài)的轉(zhuǎn)變開始溫度高。這是由于對奧氏體進(jìn)行塑性變形會使點(diǎn)陣畸變加劇并使位錯(cuò)密度增高，有利于C 和Fe原子的擴(kuò)散和晶格改組，從而加速了奧氏體轉(zhuǎn)變。同時(shí)形變還有利于碳化物彌散質(zhì)點(diǎn)的析出，使奧氏體中碳和合金元素貧化，因而促進(jìn)奧氏體的轉(zhuǎn)變。

3.3.2 偏析對相變及組織的影響

將測定靜態(tài)CCT 曲線后的各冷速熱模擬試樣經(jīng)橫向切割后鑲制成金相及掃描電鏡觀察用樣，試樣拋光、腐蝕后，觀察金相組織。不同冷卻速度下心部與1/4 表面熱模擬樣的金相組織如圖3 所示。

圖3 1/4與心部組織對比

從金相組織圖中可以看出，1/4 表面樣各冷速組織較均勻，當(dāng)冷速大于3℃/s 時(shí)，開始出現(xiàn)少量貝氏體組織，當(dāng)冷速大于17℃/s 時(shí)有馬氏體組織出現(xiàn)；而心部樣各冷速組織都不均勻，出現(xiàn)貝氏體與馬氏體的團(tuán)塊區(qū)。當(dāng)冷速大于3℃/s 時(shí)，就已經(jīng)開始出現(xiàn)少量貝氏體與馬氏體的團(tuán)塊區(qū)，隨著冷速增大，貝氏體和馬氏體的量逐漸增多，當(dāng)冷速為17℃/s 時(shí)，冷卻到室溫的組織中大部分都為貝氏體和馬氏體組織，已無珠光體組織，鐵素體量也很少；通過對比可知，在冷卻速度等于3℃/s 時(shí)，心部樣與1/4 樣均出現(xiàn)了少量的貝氏體和馬氏體，在冷卻速度較大時(shí)，心部CCT 曲線得到貝氏體和馬氏體的臨界冷卻速度比1/4 表面曲線的要低。

利用掃描電鏡進(jìn)一步研究偏析對相變及組織形貌的影響，對部分冷速下的金相組織進(jìn)行觀察，如圖4 所示。

從圖4 可以看出，1/4 處當(dāng)冷速為5℃/s 時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)低碳貝氏體組織，當(dāng)冷速為17℃/s 時(shí)，出現(xiàn)少量馬氏體組織，而心部5℃/s 冷速就已經(jīng)出現(xiàn)貝氏體與馬氏體的團(tuán)塊區(qū)，隨冷速增加團(tuán)塊區(qū)變大，17℃/s 冷速團(tuán)塊區(qū)基本全是馬氏體，可見偏析對相變組織有很大的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中要求Q345E板材組織應(yīng)是均勻的鐵素體加珠光體，不應(yīng)出現(xiàn)貝氏體及馬氏體組織。根據(jù)測定的靜態(tài)CCT 曲線，結(jié)合金相組織的對比，結(jié)合熱模擬與實(shí)際軋鋼工藝制定的差異，最佳冷卻速度可控制在3℃/s 左右，根據(jù)不同厚度規(guī)格做相應(yīng)調(diào)整。

4 結(jié)論

Q345E 鑄坯中心成分偏析導(dǎo)致鋼板軋制后冷卻出現(xiàn)貝氏體組織轉(zhuǎn)變。Q345E 連鑄坯的中心成分偏析推遲了珠光體轉(zhuǎn)變，使CCT 曲線向下方移動。軋制變形提高了相變轉(zhuǎn)變溫度，動態(tài)CCT 曲線向左上方移動。減小偏析對軋后相變組織的影響，Q345E 板材軋后冷速控制在3℃/s 左右。

[1]王生朝，趙剛，鮑思前.Q345E鋼連續(xù)冷卻過程中的相變和顯微組織[J].熱加工工藝，2012，41（14）：37-39.

[2]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社：236-289.