基板組織對(duì)Q345D正火組織性能的影響研究

李靜宇　管劉輝　裴鳳娟　孔德南

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

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基板組織對(duì)Q345D正火組織性能的影響研究

李靜宇管劉輝裴鳳娟孔德南

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

通過以不同的正火預(yù)處理模擬相應(yīng)的熱軋、控軋基板組織，并對(duì)正火預(yù)處理后的Q345D鋼板進(jìn)行最終正火熱處理，重點(diǎn)研究了基板組織對(duì)Q345D正火鋼板組織性能結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，盡管熱軋和控軋正火基板組織對(duì)正火Q345D組織中鐵素體晶粒尺寸有影響，但影響程度較小，且性能差別也較小。可以采用熱軋代替控軋的方式生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度正火基板，達(dá)到降耗、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的效果。

Q345D正火組織基板

0　引言

低合金高強(qiáng)度鋼是目前應(yīng)用最為廣泛的鋼種，為了降低正火低合金高強(qiáng)度鋼板的生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，本研究通過正火預(yù)處理模擬相應(yīng)的熱軋、控軋基板組織，隨后對(duì)正火預(yù)處理后的Q345D鋼板進(jìn)行最終正火熱處理，重點(diǎn)研究了基板組織對(duì)Q345D正火鋼板組織性能結(jié)構(gòu)的影響，為低成本高效生產(chǎn)正火低合金鋼板提供了技術(shù)方向與理論支撐。

1　試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取以150 mm厚鑄坯、經(jīng)爐卷軋機(jī)軋制而成的25 mm厚Q345D低合金高強(qiáng)度鋼板為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分見表1。

表1　試驗(yàn)材料Q345D的化學(xué)成分

試驗(yàn)材料通過馬弗爐加熱保溫，淬火介質(zhì)采用水。試樣編號(hào)及其工藝參數(shù)見表2，具體試驗(yàn)方案如下：

(1)一般而言，控軋和熱軋得到的鋼板組織晶粒是有差異的，且控軋鋼板的晶粒比熱軋的更細(xì)小。因此，首先利用加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)正火組織晶粒的影響，分別對(duì)試驗(yàn)材料Q345D鋼板進(jìn)行1000 ℃正火和900 ℃正火預(yù)處理(1#試樣和2#試樣)，各保溫1 h和40 min，以獲得不同晶粒尺寸的顯微組織，用以模擬代表熱軋和控軋Q345D正火基板的組織。

(2)對(duì)步驟(1)正火預(yù)處理后的Q345D鋼板(1#試樣和2#試樣)同時(shí)進(jìn)行890 ℃淬火，分別得到11#試樣和21#試樣，研究基板顯微組織對(duì)正火相變前奧氏體晶粒大小的影響。

(3)對(duì)步驟(1)正火預(yù)處理后的Q345D鋼板(1#試樣和2#試樣)同時(shí)進(jìn)行890 ℃正火，分別得到12#試樣和22#試樣，保溫40 min，以此獲得最終正火熱處理后Q345D鋼板的性能與組織，即模擬熱軋+正火和控軋+正火兩種工藝。

金相試樣從熱處理后鋼板上切取，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光制成，用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，放在金相顯微鏡上觀察鋼板的組織，并測(cè)量晶粒尺寸。

表2　試樣編號(hào)及其工藝參數(shù)

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1各階段Q345D的顯微組織

根據(jù)試驗(yàn)方案，各試樣的顯微組織及其平均晶粒尺寸如圖1所示。

(a) 1#試樣-25 μm

(b) 2#試樣-15 μm

(c) 11#試樣-20 μm

(d) 21#試樣-15 μm

(e) 12#試樣-16 μm

(f) 22#試樣-12 μm

從圖1可以看出：

(1)正火預(yù)處理后，Q345D的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成。同一塊鋼板，1000 ℃正火預(yù)處理后1#試樣鐵素體晶粒度為7.5級(jí)，晶粒平均尺寸約為25 μm；900 ℃正火預(yù)處理后2#試樣鐵素體晶粒度為9級(jí)，晶粒平均尺寸約為15 μm。 2#試樣晶粒相對(duì)較為細(xì)小，與其加熱溫度較低和保溫時(shí)間較短有關(guān)。鑒于其晶粒尺寸的差別，用1#試樣模擬代表熱軋時(shí)Q345D正火基板組織狀態(tài)，而用2#試樣模擬代表控軋時(shí)Q345D正火基板組織狀態(tài)。

(2)11#試樣和21#試樣分別用以研究基板組織1#(代表熱軋)和2#試樣(代表控軋)對(duì)Q345D正火相變前奧氏體晶粒尺寸的影響，其中21#試樣奧氏體晶粒比11#試樣要更細(xì)小，其平均奧氏體晶粒尺寸約15 μm，11#試樣則為20 μm。換言之，Q345D正火相變前控軋基板的奧氏體晶粒度比熱軋基板的相對(duì)要細(xì)，但差別不大。

(3)1#基板組織和2#基板組織經(jīng)890 ℃正火分別獲得12#試樣組織和22#試樣組織，12#試樣組織和22#試樣組織中鐵素體晶粒尺寸分別為16 μm和12 μm左右，晶粒尺寸差別并不大。

2.2最終正火Q345D的性能

根據(jù)試驗(yàn)方案，步驟(3)最終正火Q345D鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

由表3可知，同樣在890 ℃正火，22#試樣的屈服和抗拉強(qiáng)度比12#試樣約高20 MPa，-20 ℃平均沖擊功也高約14 J。與原始鋼板(熱軋態(tài))力學(xué)性能相比，正火態(tài)Q345D的屈服強(qiáng)度下降較多，抗拉強(qiáng)度變化不大，延伸率有所增加，-20 ℃平均沖擊功值有所增加。綜合來看，雖然12#試樣和22#試樣的力學(xué)性能指標(biāo)有差異，但差別不大，且均能滿足低合金高強(qiáng)度鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591-2008的要求。

3　討論與分析

表3　最終正火Q345D的力學(xué)性能

2#試樣和1#試樣相比，鐵素體晶粒細(xì)小，珠光體團(tuán)也較為細(xì)小并且更為分散。而奧氏體相變時(shí)，通常在鐵素體和滲碳體兩相界面上形核，此外，珠光體領(lǐng)域的邊界、鐵素體嵌鑲塊邊界都可以成為奧氏體的形核地點(diǎn)。珠光體分散表明奧氏體的形核核心多而分散。奧氏體的形成速度取決于形核率和長(zhǎng)大速度。奧氏體形成速度隨著加熱溫度升高而迅速增大，且隨著奧氏體形成溫度升高，形核率增長(zhǎng)速度高于長(zhǎng)大速度的增長(zhǎng)速率[1]。長(zhǎng)大速度一定的情況下，形核率高使得最后形成的奧氏體晶粒較為細(xì)小。鋼的原始組織愈細(xì)，奧氏體形成速度愈快。奧氏體化剛剛終了時(shí)，晶粒較細(xì)，(隨著加熱溫度進(jìn)一步升高，時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，奧氏體晶粒將長(zhǎng)大。這一點(diǎn)由21#試樣奧氏體晶粒比11#試樣更細(xì)小即可看出。奧氏體晶粒長(zhǎng)大是界面遷移的過程，實(shí)質(zhì)上是原子擴(kuò)散的過程。為了獲得較為細(xì)小的奧氏體晶粒，必須同時(shí)控制加熱溫度和保溫時(shí)間，以及優(yōu)化鋼的成分如加入碳化物、氮化物形成元素，釘扎奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大等。在原始奧氏體晶粒粗大情況下，若鋼以非平衡組織(如馬氏體和貝氏體)加熱奧氏體化，則在一定的加熱條件下，新形成的奧氏體晶粒會(huì)繼承和恢復(fù)原始粗大的奧氏體晶粒。對(duì)鐵素體-珠光體的低合金鋼，組織遺傳傾向較小，即一般不發(fā)生組織遺傳現(xiàn)象[1]。因此，從整個(gè)試驗(yàn)過程可以看出，Q345D鋼的正火基板組織影響奧氏體形成速度，進(jìn)而影響正火相變前奧氏體的晶粒大小，但同一熱處理工藝下晶粒尺寸差異較小。

過冷奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變是通過形核與長(zhǎng)大進(jìn)行的。轉(zhuǎn)變速度取決于鐵素體的形核率和線長(zhǎng)大速度。奧氏體化狀態(tài)如晶粒度、成分不均勻性、晶界偏聚、剩余碳化物量等，對(duì)奧氏體的轉(zhuǎn)變均產(chǎn)生重要影響。奧氏體化溫度不同，奧氏體晶粒大小不等，則過冷奧氏體的穩(wěn)定性不一樣。細(xì)小的奧氏體晶粒，單位體積內(nèi)的界面積大，鐵素體形核位置多，將促進(jìn)鐵素體轉(zhuǎn)變。當(dāng)奧氏體晶粒尺寸在20 μm左右時(shí)，如果沒有加速冷卻，其與鐵素體晶粒尺寸的變化比基本為1，進(jìn)而使得相變后的鐵素體晶粒也較為細(xì)小[2]。也就是說，基板組織的晶粒大小和彌散度不同，影響到正火加熱時(shí)奧氏體晶粒大小，進(jìn)而影響最終正火后鐵素體晶粒尺寸大小。

不同晶粒尺寸的Q345D正火基板組織(分別模擬代表熱軋和控軋)，相變前奧氏體晶粒尺寸分別為20 μm和15 μm，同時(shí)經(jīng)890 ℃正火，鋼板組織中鐵素體晶粒尺寸分別為16 μm和12 μm左右，其晶粒尺寸差別較小，且力學(xué)性能指標(biāo)基本相當(dāng)。說明在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，盡管熱軋和控軋正火基板組織對(duì)正火Q345D組織中鐵素體晶粒尺寸有影響，但影響程度較小，且性能差別也較小，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，針對(duì)正火低合金高強(qiáng)度鋼板，前期軋制時(shí)無論采用熱軋或控軋，對(duì)其正火后鋼板的組織性能影響均不大，即可以通過采用熱軋代替控軋的方式生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度正火基板，從而進(jìn)一步節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。

4　結(jié)論

通過不同的正火預(yù)處理模擬相應(yīng)的熱軋、控軋基板組織，并對(duì)正火預(yù)處理后的Q345D鋼板進(jìn)行最終正火，重點(diǎn)研究了基板組織對(duì)Q345D正火鋼板組織性能的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1)Q345D鋼的正火基板組織影響奧氏體形成速度，進(jìn)而影響正火相變前奧氏體的晶粒大小，但同一熱處理工藝下晶粒尺寸差異較小。

(2)在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，盡管熱軋和控軋正火基板組織對(duì)正火Q345D組織中鐵素體晶粒尺寸有影響，但影響程度較小，且性能差別也較小，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)針對(duì)正火低合金高強(qiáng)度鋼板，可以通過采用熱軋代替控軋的方式生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度正火基板，從而進(jìn)一步節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。

[1]劉宗昌等. 材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)韀M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006:103,127.

[2]王有銘，李曼云，韋光. 鋼材的控制軋制和控制冷卻[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1995:99.

EFFECT OF MICROSTRUCTURE OF THE SUBSTRATE ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICALPROPERTIES OF THE Q345D STEEL NORMALIZED

Li JingyuGuan LiuhuiPei FengjuanKong Denan

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

The hot rolling and controlled rolling microstructure of the plate are simulated by different normalization pretreatment, and normalizing treatment of Q345D steel plate pretreated is finally carried out, the influence of substrate structures on the microstructure and mechanical properties of the Q345D steel plate normalized is studied. The results show that，in the range of the experiment, original microstructure affects the ferrite grain size of the Q345D microstructure normalized, but that is a lesser extent and the difference of the mechanical properties is smaller. It can be used hot-rolling in place of controlled rolling to produce the high-strength low-alloy steel plate normalized, in order to reduce energy and production costs and improve production efficiency.

high-strength low-alloy steelnormalizationmicrostructuresubstrate

聯(lián)系人：李靜宇，高級(jí)工程師，河南.安陽(yáng)(455004)，安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；2016—3—27