45號鋼熱軋鋼板延伸率的影響因素研究

李小同 馬立 馬曉曉

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-7405

作者簡介：

李小同（1985—），女，本科，工程師，研究方向為金屬材料。

馬立（1984—），男，碩士，高級工程師，研究方向為金屬材料。

馬曉曉（1982—），女，碩士，工程師，研究方向為金屬材料。

摘要：針對45號鋼熱軋中厚板生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的力學性能不合格，尤其是延伸率不合格的情況，進行的關(guān)于45號鋼熱軋鋼板延伸率的影響因素的研究。通過對45號鋼熱軋鋼板試樣進行宏觀性能拉伸試驗和微觀金相組織觀察，將伸長率合格試樣與不合格試樣在非金屬夾雜物、帶狀組織、珠光體百分含量、晶粒大小等方面進行了對比，得出了影響45號鋼熱軋鋼板延伸率不合格的因素。

關(guān)鍵詞：45號鋼 延伸率 力學性能 微觀金相

中圖分類號：TG142.1

延伸率主要指金屬發(fā)生變形的能力，延伸率是金屬試樣經(jīng)屈服變形、彈性變形、拉伸試驗，均勻塑性變形和局部塑性變形后的伸長長度與原始長度的比值。一般中碳F+P鋼試樣均有塑性變形及縮徑階段，且斷口為塑性斷口，中碳微合金化中厚板采用控軋控冷工藝生產(chǎn)，在提高強度和韌性的同時，延伸性能普遍降低[1]。

因此，所有影響金屬連續(xù)性和阻礙其變形的因素均可導致延伸率的下降，但由于目前金屬材料發(fā)展的趨勢是提高強度[2]，其中重要的措施是增加其變形的阻力，這就意味著延伸率的下降，因此達到合適的強塑性匹配，是冶金工藝設(shè)計的重點之一。

1 影響優(yōu)質(zhì)碳素鋼延伸率的因素

優(yōu)質(zhì)碳素鋼延伸率的影響因素主要有珠光體含量、晶粒大小及其均勻性、帶狀組織、鋼中夾雜物、鋼材表面狀態(tài)、析出的碳化物和揭示延伸率影響因素的經(jīng)驗公式等。

2實驗過程

本實驗采用的試件為生產(chǎn)過程中的熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼中厚板，對試件進行了宏觀性能拉伸試驗和微觀金相組織觀察。

試驗過程及結(jié)果如下。

2.1現(xiàn)場取樣物理檢測結(jié)果

熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼中厚板生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的力學性能不合格，用物理檢測分析方法對延伸率不合格問題進行分析。重點對伸長率不合格的試樣進行了金相顯微分析，并對伸長率合格與不合格試樣的珠光體百分含量、晶粒大小及其均勻性、帶狀組織、鋼中夾雜物等方面進行了對比，在對影響鋼板性能的因素加以綜合考慮分析的基礎(chǔ)上，提出了提高了鋼板的延伸性能的措施[3]。

2.2宏觀性能拉伸試驗

2.2.1取樣

試件取自正常生產(chǎn)中的試件，規(guī)格為610?mm×7.0?mm。試件標準采用《金屬材料?拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》（GB/T 228—2021）。

2.2.2力學性能實驗

進行屈服點、抗拉強度以及延伸率的試驗，試驗設(shè)備采用液壓式萬能試驗機（型號：WE—100，試驗級別：1 級）。試驗結(jié)果見表1。

以下的實驗結(jié)果與45號鋼宏觀性能的國家標準《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 699-2015）相比：屈服強度和抗拉強度符合標準[4]，延伸率<17%為不合格產(chǎn)品不符合國家標準要求。

2.3現(xiàn)場試樣的微觀金相組織

2.3.1金相實驗方案

（1）本次實驗共選取20個試件，其中每10個試件為1組，分為①組和②組。按所需的尺寸將試件進行切割，為了觀察截面需要避免破壞試件的軋制組織，使用鋼鋸在樣品上截取一定長度的試件。

（2）打磨拋光試樣截面。

（3）選用3%的硝酸酒精溶液對試樣截面進行腐蝕處理。

（4）在顯微鏡下觀察其金相組織[5]，同時計算鐵素體和珠光體的體積百分數(shù)，觀察鐵素體的晶粒度。

1得出試件的晶粒度等級的方法：通過在顯示晶粒度和等級放大500倍的顯微鏡下觀察試件截面，然后將標準的晶粒度等級的晶粒大小和視場中的鐵素體晶粒大小比較。

2通過測量鐵素體的平均晶粒弦長，進而可以得到晶粒尺寸的大小，平均晶粒弦長的計算公式為：

式（1）中：D為晶粒的平均弦長，單位為μm；D1為測試線的總長度，單位為μm；Q為晶界與測試線相交的次數(shù)；F為金相照片的放大倍數(shù)。

3測定相組成百分率的方法：首先測出金相照片的寬度E，其次測出與該寬度相交的珠光體的總長度M，那么可以得出珠光體的百分含量為長度Ｍ與寬度E的比值。為得獲得相對準確的測定結(jié)果，本次共測量并計算得出20組數(shù)據(jù)，通過計算平均值即為測定的珠光體的百分含量[6]。

3實驗結(jié)果分析

伸長率合格與不合格試件分析表明：伸長率不合格試樣的帶狀組織級別的全部平均值大于合格試件的帶狀組織級別的全部平均值。通過金相顯微觀察發(fā)現(xiàn)，在不合格試件的截面上存在較為嚴重的帶狀組織。帶狀組織的存在不僅降低了鋼材的橫向的韌性和塑性，也同樣導致鋼材的力學性能產(chǎn)生方向性。同時發(fā)現(xiàn)大量的硫化物出現(xiàn)在鐵素體帶上，產(chǎn)生這種表現(xiàn)的原因是S的偏析，表明了S的偏析與帶狀組織的產(chǎn)生有關(guān)系。這是由于加熱到奧氏體狀態(tài)時，碳能優(yōu)先達到相對均勻，因為碳是間隙型原子，置換型原子的擴散系數(shù)比其小幾個數(shù)量級，而依然存在著其他合金元素和雜質(zhì)元素的偏析[7]。當溫度較低時硫化物大多數(shù)在枝晶間隙分散凝固，這種現(xiàn)象會造成軋制時硫化物呈條帶狀分布并且沿著壓延方向，而鐵素體在冷卻時會以此為核心成形并最終呈條帶狀分布，溫度持續(xù)降低，珠光體在剩下奧氏體區(qū)域中形成并同樣的成條狀分布，從而形成了帶狀組織。由此可以推斷，為了使鑄錠里的樹枝晶在軋制過程中更多的破碎掉應(yīng)該適當?shù)脑黾訅嚎s比，從而減少枝晶偏析的程度，以此達到降低帶狀組織級別的目的[8]。

4 夾雜物分析

大部分存在于鋼材中的夾雜物嚴重影響著鋼材的性能，制約著鋼材的使用，因此，必須采取有效措施，減少鋼中夾雜物[9]，提高鋼材的使用性能。

夾雜物的存在，有損鋼材的韌性和塑性，其危害程度主要取決于夾雜物的大小、數(shù)量、類型、形態(tài)和分布[10]夾雜物愈大，鋼的韌性愈低；夾雜物愈多，夾雜物間距愈小，鋼的韌性和塑性愈低。

按化學組成成分鋼材中的非金屬夾雜物可分為氮（碳）化物、硫化物、氧化物、磷化物等；按夾雜物的塑性可以分為脆性夾雜物、塑性夾雜物、點狀不變形夾雜物（球狀夾雜物）；按夾雜物來源的不同，可以分為顯微夾雜、內(nèi)生夾雜物、外來夾雜物、大型夾雜（宏觀夾雜）；從夾雜物內(nèi)部構(gòu)成來看，內(nèi)生夾雜物可以是多相構(gòu)成，也可以是單相構(gòu)成，可以是由復雜的夾雜物組成的，也可以是簡單的夾雜物組成的。在鑄坯凝固和后續(xù)降溫過程中[11]，夾雜物與鋼基體保持平衡的同時本身也不斷發(fā)生改變，比如析出新的化合物以趨于穩(wěn)定狀態(tài)。我們對鋼材實施熱處理或軋制過程時，通過加熱過程可以提供高溫環(huán)境，該高溫環(huán)境的作用是促進鋼基體和鋼中夾雜物之間趨向平衡，所以我們在常溫環(huán)境下所觀察到的都是經(jīng)過一系列復雜變化形成的夾雜物。

《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標準評級圖顯微檢驗法》（GB/T10561-2023）非金屬夾雜物含量測定[12]，將非金屬夾雜物分為A類（硫化物類型）、B類（氧化物類型）、C類（硅酸鹽類型）和D類（球狀氧化物類型）和DS類（單顆粒球狀類）等5種類型。其檢驗結(jié)果見表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，在所檢驗的試樣中沒有發(fā)現(xiàn)DS類夾雜物，B類也比較少。非金屬夾雜物主要是A類和C類夾雜物較多，伸長率合格試樣A類夾雜物分布范圍為1.5～3.0級，不合格試樣為2.5～4.5級。C類夾雜物級別分布范圍為：伸長率合格試樣為1.5～3.0級，不合試樣為2.0～3.5級。

不合格試樣的A類、C類夾雜物高于合格試樣，這是因為一般情況下鋼中的硅酸鹽和塑性夾雜物硫化物在軋制過程中沿軋制方向延伸并形成條帶狀，帶狀夾雜物（A類、C類）是造成拉伸時形成內(nèi)部頸縮的原因，形變集中在局部則是源于內(nèi)部頸縮的出現(xiàn)，使破壞過程加速引起延伸率降低，造成延伸率不合格。

5結(jié)論

（1）造成45號熱軋鋼板力學性能，尤其是延伸率不合格的主要原因之一是珠光體含量高，建議優(yōu)化并嚴格控制軋制生產(chǎn)工藝，使冷卻速度降低，使卷取溫度提高，并對終軋和卷取溫度控制精度進行提升，從而使珠光體含量可以達到80%以下。

（2）造成延伸率不合格的主要原因之一是帶狀組織級別較高和硫化物較多。建議加強脫S減少硫化物的生成，同時在軋制時可以適當增加壓縮比從而使內(nèi)部頸縮不易形成，達到提高鋼板延伸率的目的。

（3）通過對化學成分統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)煉鋼S、P化學成分偏于標準上限，在統(tǒng)計的17爐中，有12爐S、P含量0.030%，偏于標準上限，且占到統(tǒng)計數(shù)量的70%，建議提高冶金質(zhì)量，嚴控制S、P含量，把S、P含量降到最低。

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