H型鋼斷面組織對其機械性能的影響

馬勁紅，王伶艷，2，李 慧，任喜強

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009;2.華電曹妃甸重工裝備有限公司，河北唐山063210)

0 引言

H型鋼是由工字型鋼優(yōu)化發(fā)展而成的一種斷面力學(xué)性能更為優(yōu)良的經(jīng)濟型斷面鋼材，和普通工字鋼相比，H型鋼具有更好的力學(xué)性能，相同單重時截面模數(shù)大，比普通工字鋼抗彎能力大。以熱軋H型鋼為主的鋼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，塑性和柔韌性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，承受振動和沖擊載荷能力強，特別適用于一些多地震發(fā)生帶的建筑結(jié)構(gòu)。H型鋼還具有施工簡單、節(jié)約成本和結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點，優(yōu)良的斷面性能，使H型鋼具有良好的使用性能，H型鋼是一種多用途高效經(jīng)濟性鋼材，在工程中的使用價值很高［1］。

為了直觀的反映機械性能和組織的關(guān)系，本文分別進行了機械性能檢測實驗和金相觀察顯微組織實驗。并以軋制后組織均勻為目的，對軋制規(guī)程進行了優(yōu)化。

1 拉伸試樣的制備

本文選擇津西鋼鐵公司H200σ=Deε200產(chǎn)品為模型，到生產(chǎn)現(xiàn)場實際取樣，現(xiàn)場使用紅外線溫度檢測設(shè)備檢測H型鋼實際生產(chǎn)過程中各個階段的溫度。截取A、B、C、D、E，5組不同時間段內(nèi)生產(chǎn)的長400 mmH型鋼試樣。使用線切割設(shè)備，分別在A、B、C、D、E五組H型鋼上下翼緣、腹板按H型鋼翼緣寬度四分之一處(4/B)沿著軋制方向切取20σ= Deε250mm拉伸試樣。記翼緣上為I1，翼緣下為I2，腹板為F如圖1所示。實驗所用原材料的化學(xué)成分如表1所示。

圖1 H型鋼截取試樣標準

表1 實驗樣品的化學(xué)成分

2 拉伸實驗

實驗采用河北聯(lián)合大學(xué)60 kN拉伸實驗機，將試件豎直放入拉伸試驗機夾頭，打開微機中拉伸實驗用軟件，輸入拉伸試樣數(shù)據(jù)。拉伸前將軟件中的拉力和位移數(shù)據(jù)清零。在打開拉伸試驗機均勻加載。拉伸結(jié)束后記錄拉伸數(shù)據(jù)并放入新的拉伸試樣，每次拉伸加載前均需對軟件中的位移和拉力值進行清零，以免造成人為誤差。拉伸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 拉伸數(shù)據(jù)

3 實驗結(jié)果分析

從表2中可以看出:腹板屈服強度大于翼緣強度6.4%，上下翼緣屈服強度略有差異，上翼緣略大于下翼緣。H型鋼腹板抗拉強度最大，上翼緣次之，下翼緣最小。翼緣延伸率和斷面收縮率高于腹板延伸率，上翼緣延伸率高于下翼緣，上下翼緣斷面收縮率相差不大。

在H型鋼塑性變形時，腹板變形量遠遠大于翼緣變形量，變形后腹板有大量的回復(fù)和再結(jié)晶能量，在軋制變形后腹板再結(jié)晶數(shù)量大于翼緣再結(jié)晶數(shù)量，由于軋制時冷卻水常存在于腹板上槽內(nèi)，而且腹板厚度常常小于翼緣厚度，導(dǎo)致生成了單位長度內(nèi)腹板內(nèi)存儲熱量少且對外熱交換快的現(xiàn)象，腹板部位在變形后回復(fù)和再結(jié)晶時間短，較翼緣晶粒長大不充分，因此變形后腹板較翼緣有更為細小的再結(jié)晶晶粒組織，腹板較翼緣有更高的強度。

4 金相觀測實驗

分別在五組腹板、翼緣4/B處和R角部位取一金相試樣，使用丙酮清洗后在金相鑲嵌機進行鑲嵌。鑲嵌后分別使用280號～2000號砂紙進行粗磨取，磨取時要用力均勻，磨取的試樣表面要平整。把磨好的試樣使用酒精輕輕擦拭后，進行拋光處理。當金屬表面在光照下沒有劃痕如鏡面時，在3.5%的硝酸酒精下進行腐蝕。腐蝕后用酒精擦拭，使用河北聯(lián)合大學(xué)金相顯微鏡進行金相觀察。A組試樣照片如下。

圖2 不同部位的顯微組織

上圖2為B組試樣500倍下腹板、翼緣和R角部位金相顯微鏡照片。在圖中明顯看H型鋼組織主要由白色的鐵素體和黑色的珠光體組成，在鐵素體和珠光體中間夾雜部分魏氏組織。圖2中腹板晶粒尺寸最小，R角部位晶粒尺寸最大，翼緣晶粒尺寸居中，翼緣和腹板鐵素體大小均勻且形狀為均勻的多邊形，在鐵素體周圍均勻分布著珠光體組織。R角部位由于在軋制變形時受到的軋制力最小、變形量最小，在冷卻時冷卻時間最長，使得R角部位晶粒粗大且其晶粒位向混亂。又由于其變形困難所以在軋制變形時其晶粒破碎量也不相同，導(dǎo)致在R角部位常能發(fā)現(xiàn)異常粗大的晶粒。

普通碳素鋼中的塑性夾雜大多為MnS，硫化物的溶解溫度受鋼中錳和碳的影響［2］。在低錳(0.1%)鋼中，溶解度為1290℃，與碳含量無關(guān)。當鋼中含0.2%～0.4%Mn，碳含量高時(0.8%)，溶解度為1320℃。當碳含量降至0.1%時，溶解度上升到1400℃。但是硫化物的沉淀溫度，不因碳、錳含量而變，總是1180℃～1200℃。

在軋制時MnS存在長大和粗化的現(xiàn)象［3］。大多數(shù)均在腹板和R角部位處，但是由于軋制時腹板壓下大對其長大消除作用，而R角部位對其這種長大消除作用較差。

R角處于腹板與翼緣連接部位，腹板與翼緣晶粒尺寸均小于R角晶粒尺寸，又由于H型鋼R角部位圓角半徑尺寸很小，所以在腹板向翼緣過度時在很小的部位產(chǎn)生了晶粒尺寸經(jīng)歷了由小變大再變小的過程。所以在R角部位的晶粒尺寸變化復(fù)雜多變。

表3 平均晶粒度

五組試樣晶粒級別可以看出津西生產(chǎn)的H型鋼晶粒級別在9級左右，腹板晶粒級別較翼緣和R角高。

腹板較翼緣平均截距尺寸小6.5%，腹板細小的晶粒使得腹板比翼緣有更多的晶界，在H型鋼工程使用中，大量的晶界阻礙位錯的繼續(xù)移動，因此越為細小的晶粒對機械性能影響越位明顯。較小的晶粒尺寸可以提高產(chǎn)品的屈服強度和抗拉強度。

在H型鋼軋制變形中R角變形最為復(fù)雜，且在R角部位所存儲的熱量最大，其散熱效果較腹板翼緣差，導(dǎo)致了R角晶粒不均勻，在金相試驗中可以觀察到其晶粒尺寸存在差異。在軋制時R角的變形仍是一個較難解決的問題。

5 軋制規(guī)程優(yōu)化

產(chǎn)品的機械性能受到產(chǎn)品組織形態(tài)的影響，不同的組織形態(tài)可以獲得不同的機械性能。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，軋件受到軋制速度、壓下量、溫度等參數(shù)的影響。增大軋制速度和壓下量都可以細化晶粒，增強產(chǎn)品的機械性能。但是軋制速度和壓下量增加過多又會造成翼緣和腹板晶粒尺寸分布不均，所以為了達到合理的要求，必須綜合考慮軋制的變形規(guī)律、待溫時間、連軋的道次等合理分配變形量和軋制速度。

結(jié)合H型鋼現(xiàn)場實際的生產(chǎn)情況，分析認為因為在開坯階段采用普通的二輥孔型軋制，這一階段的軋制目的主要是為后面的萬能軋制提供合適的坯料，但是在這個階段變形不均勻并且難以調(diào)整，所以除了控制軋制溫度外對變形量無法進行有效的控制。

從提高產(chǎn)品性能和軋制效率的角度，希望開軋溫度可以低一點，但是由于開坯機受到最大軋制壓力的限制，同時軋件在開坯軋制時存在較嚴重的不均勻變形，溫度對變形規(guī)律和軋制壓力的影響相對較大。為保證開坯順利軋制和供給萬能軋制的坯料準確，故只將開坯溫度的下限設(shè)為1200～1150℃，不做大的調(diào)整。

由于H型鋼的冷卻受到翼緣厚、腹板薄自身形狀特點的影響，加之在軋制時腹板中常存有軋輥冷卻水，使得腹板表面的溫度要低于翼緣的溫度。實際測的翼緣平均溫度要比腹板高出50～80℃，控制軋件進入萬能粗軋的溫度其實就是控制其進入萬能粗軋翼緣的溫度。但同時要考慮到腹板溫度要比翼緣溫度低50～80℃，這樣就使得翼緣的軋制溫度無法定得太低。若軋制時腹板溫度過低，為保證萬能軋制變形的順利，腹板壓下率與翼緣的壓下率要近似相等(實際腹板的壓下率略低)，腹板的壓下量無法減少，這使軋制壓力過大而無法軋制，同時可能影響腹板的力學(xué)性能。

分配變形量是主要考慮:

1)由于是九架萬能軋機連軋作業(yè)，必須保證各道次秒流量相等;

2)保證翼緣和腹板的變形量基本相當;

3)由于溫度會越來越低，每道次的壓下量要逐步減少。

根據(jù)上述因素，制定生產(chǎn)H型鋼的軋制工藝參數(shù):加熱溫度1200～1250℃;開軋溫度1150～1200℃;進入萬能軋機最后5道次時翼緣溫度不大于950℃，終軋溫度850～870℃，軋后空冷。針對產(chǎn)品200×200× 12×8 mm的規(guī)格，運用DEFORM-3D軟件制定出一新的軋制規(guī)程表。

表4 軋制規(guī)程表

使用上述軋制規(guī)程對H型鋼的連軋過程進行數(shù)值模擬，獲得產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)圖和平均晶粒尺寸。取H型鋼斷面上的不同位置的三個點，P1是腹板上一點，P2是翼緣上一點，P3為翼緣與腹板交接處一點，圖3至圖5分別為H型鋼斷面上不同的三個點的晶粒結(jié)構(gòu)圖和平均晶粒尺寸圖。

圖4 P2點的晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸

圖5 P3點的晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸

從圖3中可以看出P1點的平均晶粒尺寸為18.9μm，圖4中顯示P2點的晶粒尺寸是20.2μm，圖5中顯示P3點的平均晶粒尺寸為20.7μm。從三幅圖的對比中可以看出，P1點的晶界還是較P2點、P3點多，而且晶粒也較細，但是它們之間已經(jīng)較為接近，差距不是很大。這就減少了H型鋼的斷面上力學(xué)性能的差距，達到了一定的效果。

6 結(jié)論

6.1 H型鋼在軋制時由于腹板變形量大，軋后冷卻快，所以其軋后晶粒尺寸比翼緣和R角細小，其機械性能最好。

6.2 由于在坯料中R角部位雜質(zhì)較多，其軋制變形時變形最不均勻，軋后冷卻能力差，R角部位所存儲的熱量最多因此在R角部位晶粒不均勻。

6.3 為了提高產(chǎn)品的機械性能，制定新的工藝的規(guī)程時，在增大壓下量和軋制速度的情況下，可以使晶粒細化，提高綜合機械性能，并減小腹板翼緣及R角處的晶粒尺寸差值，減小H型鋼的斷面力學(xué)的差值。

［1］ 何志華.淺議國產(chǎn)H型鋼在工程中的應(yīng)用［J］.安徽建筑，2000，(1):98-101.

［2］ W P SUN.Diffusion-Controlled Growth and Coarsening of MnS during Hot Deformaition，METALLURGICAL TRANSCTIONS A，Vol.23A，Nov 1992.

［3］ 李代鍾.鋼中的非金屬夾雜物［M］.北京:科學(xué)出版社，1983:170.