含P耐候鋼沖擊性能不合格原因探討

田 楊,黃 晶,孫潔暉

(航天海鷹(鎮(zhèn)江)特種材料有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為磷在鋼中屬于有害元素,不僅會降低鋼的沖擊韌性,提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度,而且還會惡化鋼的焊接性能。磷對塑性、韌性及脆化溫度的有害作用,其實是磷的偏聚帶來的影響。單就磷元素來講,不僅能使塑性、韌性有所增加,降低脆化溫度,還有明顯的耐候性能。含磷耐候鋼可以延長結(jié)構(gòu)鋼的使用壽命,同時具有良好的耐候性、較好的力學(xué)性能和焊接性等,在節(jié)約資源、保護環(huán)境等方面具有特殊意義。含磷耐候鋼的使用受到各國的普遍重視,應(yīng)用范圍也日趨廣泛[1-3]。隨著我國公路、鐵路和航運運輸?shù)牟粩喟l(fā)展,集裝箱和鐵道車輛使用數(shù)量急劇增加,對材料的耐候性要求也越來越高,因此含磷耐候鋼具有良好的市場應(yīng)用前景[4-5]。但在實際生產(chǎn)中很難完全避免磷元素的偏析,本文分析了某公司生產(chǎn)的含磷耐候鋼Q345NQ低溫沖擊不合格的原因,并探討了其基本原理。

1 試驗材料與方法

試驗材料為某公司生產(chǎn)的12 mm厚的鐵道車輛用耐候鋼Q345NQ,生產(chǎn)工藝流程為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉→連鑄→軋制→精整→成品板材。某批次板材在出廠檢驗過程中發(fā)現(xiàn)-40 ℃低溫沖擊性能不合格,其化學(xué)成分見表1,沖擊性能見表2。

表1 Q345NQ鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 Q345NQ鋼的低溫沖擊值

采用掃描電子顯微鏡對試樣斷口形貌進行觀察。試樣經(jīng)磨制、拋光后,使用光學(xué)顯微鏡對試樣中的非金屬夾雜物進行評級,經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察試樣的顯微組織,同時采用電子探針設(shè)備對試樣的夾雜密集區(qū)域進行了成分線掃描,分析元素偏析情況。

2 試驗結(jié)果

2.1 斷口形貌

圖1為試樣斷口宏觀形貌。斷口較為平整,為典型的脆斷,斷裂源在試樣下方中心偏左的位置,如圖1(a)所示。對斷裂源處放大觀察,呈現(xiàn)放射狀河流花樣,為解理斷裂,如圖1(b)所示。對斷裂源處進行高倍觀察,發(fā)現(xiàn)一部分解理面特別細(xì)小,而另一部分卻又特別粗大,應(yīng)該與實際晶粒尺寸大小不一有關(guān),如圖1(c)所示。

(a)斷口宏觀形貌;(b)斷裂源低倍形貌;(c)斷裂源高倍形貌圖1 試樣斷口形貌(a)macroscopic morphology of fracture;(b)macro morphology of fracture source;(c)high power morphology of fracture sourceFig.1 Fracture morphology of sample

2.2 夾雜與顯微組織

試樣縱向經(jīng)磨制、拋光后,采用金相顯微鏡觀察試樣的非金屬夾雜物,如圖2所示。由圖2可知,存在較多長條的灰色夾雜和黃色顆粒狀的夾雜帶,從形貌上判斷分別為MnS和Ti(C,N)或Nb(C,N)夾雜,而且夾雜分布的位置與斷裂源位置對應(yīng)。為確認(rèn)夾雜物成分,采用能譜儀進行分析,結(jié)果如圖3和圖4所示。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561要求對試樣的非金屬夾雜物進行評級,結(jié)果見表3。

圖2 試樣非金屬夾雜Fig.2 Non-metallic inclusion of sample

圖3 MnS夾雜能譜圖Fig.3 Energy spectrum of MnS inclusion

圖4 Nb(C,N)和Ti(C,N)夾雜能譜圖Fig.4 Energy spectra of Nb (C, N) and Ti (C, N) inclusion

表3 非金屬夾雜物評級結(jié)果

使用4%硝酸酒精腐蝕后,采用金相顯微鏡進行組織觀察。夾雜密集處有明顯的鐵素體帶,而且有一定量的貝氏體,晶粒大小不一,最中心的鐵素體帶晶粒稍大,而周邊的鐵素體和珠光體晶粒非常細(xì)小,如圖5(a)所示。正常組織為均勻的鐵素體+珠光體,如圖5(b)所示。

(a)夾雜處組織;(b)正常組織圖5 試樣的顯微組織(a)structure at inclusion; (b) normal structureFig.5 Microstructure of sample

2.3 線掃描成分分布

采用電子探針設(shè)備對試樣組織異常區(qū)域進行元素線掃描,如圖6所示。結(jié)果表明,試樣鐵素體條帶處有明顯的P正偏析,Si有輕微的正偏析,而C和Mn為負(fù)偏析。通過定量計算得出,P含量偏析高達(dá)0.19%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過試樣平均P含量0.09%的范圍。

(a)線成分分析位置;(b)C;(c)Si;(d)P;(e)Mn圖6 試樣組織異常處線成分分布(a) line composition analysis position; (b)C;(c)Si;(d)P;(e)MnFig.6 Distribution of line components at the abnormal structure of sample

3 結(jié)果分析

由以上試驗結(jié)果可知,試樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試樣斷口為典型的解理脆斷,但斷裂源處解理面大小不一,判斷為晶粒不均勻所致。通過組織觀察發(fā)現(xiàn)與斷裂源對應(yīng)位置存在鐵素體條帶,而且條帶附近晶粒大小不均,驗證了混晶的存在。夾雜物分析表明鐵素體條帶處為MnS和Ti(C,N)或Nb(C,N)夾雜密集分布。電子探針分析發(fā)現(xiàn)鐵素體條帶處P偏析較為嚴(yán)重,含量遠(yuǎn)高于正?；w。綜合以上分析,試樣沖擊脆斷是混晶、非金屬夾雜過多以及P含量超標(biāo)共同導(dǎo)致的結(jié)果。

研究表明混晶現(xiàn)象對不銹鋼材料的力學(xué)、工藝性能,尤其是低溫沖擊韌性的影響最大[6-7]。通常認(rèn)為混晶產(chǎn)生的原因有鑄坯的原始組織分布不均勻、包晶反應(yīng)、部分再結(jié)晶區(qū)經(jīng)過軋制或軋后層流冷卻不均勻、加熱溫度不均勻、存在過燒現(xiàn)象、終軋溫度過低或壓下量不夠等情況,而在本試驗中混晶的產(chǎn)生是多因素綜合作用的結(jié)果。

首先由于夾雜較多,在相變過程中鐵素體優(yōu)先以MnS夾雜作為質(zhì)點,形核長大,并不斷排碳等元素到周圍尚未相變的奧氏體中。先形成的鐵素體在高溫段有充足的時間合并長大,因此最中心的鐵素體帶晶粒比周邊的粗大。而周圍尚未相變的奧氏體由于合金元素富集,使得C曲線左移,因此再次轉(zhuǎn)變的鐵素體晶粒相對細(xì)小。同理,周邊富含合金元素的奧氏體具有更好的穩(wěn)定性,最終轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。此外P元素也會強烈促進鐵素體的形成,在低碳鋼中,P含量的改變也會對δ/γ相變(Ae4)和γ/α相變(Ae3)的轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生顯著的影響。隨著P含量的相應(yīng)增加,固相線和液相線的溫度會隨之降低,γ/α相變溫度會相應(yīng)提高,δ/γ的相變溫度會相應(yīng)降低。相對于面心立方結(jié)構(gòu)的γ相對雜質(zhì)元素的溶解度高,而體心立方結(jié)構(gòu)的α相和δ相對雜質(zhì)元素的溶解度低,因此,雜質(zhì)元素更容易富集在縮小的γ區(qū)中,進一步促進了非金屬夾雜物的形成。此外,P元素還可以顯著地提高Ar3溫度并且促進鐵素體形成,不銹鋼產(chǎn)品經(jīng)過終軋后,存在高磷偏析帶會隨著相變點的升高而處于兩相區(qū),而正常區(qū)域為奧氏體單相區(qū),鐵素體會優(yōu)先在偏析帶上形成,同時過剩的碳元素會被排斥到兩側(cè)奧氏體中,從而形成了純鐵素體帶結(jié)構(gòu)[8-9]。

連鑄時由于選分結(jié)晶的作用,在凝固末端有許多雜質(zhì),形成夾雜物富集[10]。由于含P耐候鋼Q345NQ試樣含有較多長條MnS夾雜,會導(dǎo)致基體連續(xù)性的破壞。當(dāng)試樣承受外力作用時,試樣中存在的夾雜物首先會與鋼基體分離,形成微裂紋結(jié)構(gòu)。隨著試樣承受作用力的增加,產(chǎn)生的微裂紋擴展也會合并,進而發(fā)生斷裂。另外P有強烈的冷脆傾向,過多的P也會嚴(yán)重降低試樣低溫沖擊韌性。

4 結(jié)論

導(dǎo)致含P耐候鋼Q345NQ低溫沖擊不合格的主要原因為:

1)試樣斷裂源處解理面大小不均,組織中存在嚴(yán)重的混晶;

2)與斷裂源對應(yīng)的試樣截面上MnS夾雜超標(biāo),弱化了基體強度;

3)試樣存在嚴(yán)重的P元素偏析,導(dǎo)致鐵素體條帶的形成,同時也引起了鋼的冷脆。