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1、第 3 1 卷 第 2 期 2 0 0 9 年 4 月 山 东 冶 金 S h a n d o n g Me t a l l u r g y V0 1 3 1 No 2 Ap r i l 2 0 0 9 试验研究 ； Q3 4 5 E大 H型钢一 4 0 o C冲击韧性偏低原 因分析 董昌兴， 程梅， 时振明， 董丙成， 刘红燕 ( 莱芜钢铁集团有限公司， 山东 莱芜 2 7 1 l O 4 ) 摘要： Q 3 4 5 E 大规格 H型钢时效方式研究后发现， 时效对一 4 O冲击韧性影响较小， 并用能量法确定了该钢的低温脆 性曲线， 其脆性转变温度范围为一 3 O 4 o。冲击断口的金相组织分
2、析、 断口的宏观和微观形貌观察、 夹杂物微观形貌及 电子探针能谱分析表明， 低温冲击韧性偏低的主要原因是严重的带状组织和钢中的非金属夹杂物。 关键词： H型钢； 低温冲击韧性； 时效； 带状组织； 夹杂物 中图分 类号 ： T G1 1 3 ； T G1 1 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 - -4 6 2 0 ( 2 0 0 9 ) 0 2 0 0 4 0 - 0 3 1 前 言 能低的 原因， 为全面提高低温冲 击韧性确定方向。 莱钢型钢厂生产的 Q 3 4 5 E大规格 H型钢在初 始检测时发现_ 4 0冲击功A w 值偏低且波动较大 ， 但经2 周左右时效后检测，
3、A 值有明显的上升， 大多 数炉次能满足产品标准要求 。为了提高该钢种 的 低温冲击韧性和缩短 时效时间 ， 为产品的入库、 发 货、 集港创造条件 ， 对该钢种H型钢进行 了系列试验 和检验分析。通过不同的时效手段进行系统试验 ， 希望找 出最佳时效方式 ； 另一方面对冲击试样的宏 观断 口、 微观断 口、 组织形态与夹杂物分布及形貌 进行分析 ， 确定 Q 3 4 5 E大规格 H型钢一 4 0冲击性 2 时效试验 莱钢 Q 3 4 5 E大H型钢技术要求见表 1 、 表 2 。常 温时效试验结合沸水浴与油浴 ， 既采取 自然时效的 方式 ， 又进行不同温度与环境条件下时效。时效试 验共进
4、行 了3 8 ， 以炉号 H 0 8 3 -3 6 2 2 Q 3 4 5 E 作为第 1 轮试验对象 ， 试样的化学成分与气体含量见表 3 。 表 1性能要求 表 2化学成分控制 表3 试样化学成分与气体含量 油浴 后 的冲击试验 数据见 表 4 ( 油 浴时 间 3 0 m i n )； 水 浴 后 冲 击 试 验 数 据 见 表 5( 水 浴 温 度 1 0 0 o C ) ； 常温( 1 0 3 0) 时效冲击试验数据见表6 。 表 4油浴后 冲击试验数据 油浴温度， 一 4 0 C A , v J l 2 O 1 5 0 2 0 o 2 8 0 3 40 4 2， 8 4， 4 2
5、1 0， 1 8， 8 l 0 6， 5 0， 1 0 2 0， 1 2 8， 4 2 2 2， 2 0， 5 8 从大量试验数据看 ， 常温时效常温冲击功基本 不受影响， 时效 1 5 d 后 ， 一 3 0与_ 4 0冲击功略有 提高， 低于一 3 0冲击功整体不高且波动较大， 这主 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 2 2 3 作者简介： 董昌兴， 男， 1 9 7 2 年生， 1 9 9 4 年毕业于河北承德石油高等 技术专科学校工业分析专业。现为莱钢品质保证部质量监督科工 程师， 从事钢材产品质量检验工作。 表5 水浴后冲击试验数据 J 表6 常温时效冲击功数据 J 要是由残余应力
6、的释放引起的； 油浴或水浴快速时 效的方式对冲击功并未产生显著有益的影响， 与常 温时效下的冲击功 的契合点亦不明显 ， 试验只对冲 击试样进行水浴或油浴 ， 与整支钢常温时效的状态 董昌兴等 Q 3 4 5 E 大 H 型钢 4 o 冲击韧性偏低原因分析 2 0 0 9 年第2 期 不同， 油浴或水浴快速时效的方式并不可取。 3 低温脆性转变温度范围的测定 3 1 低温脆性曲线 通过对 Q 3 4 5 E钢进行成分调整 ， 主要是采取 降 c ， 提 N b ， 控 P 、 S 、 O含量等措施 ， 可 以生产 出一 4 0 冲击功符合 国家标准要求 的产品 ， 但操作难度 大 ， 容易产生
7、波动 。为了评 定当前生产条件 下 Q 3 4 5 E 钢的低温冲击性能 ， 在实验室测定 了莱钢 Q 3 4 5 E H 型钢低温脆性转变温度变化 曲线 ( 见 图 1 ) 。从 图 1 看出， 冲击吸收功随温度变化曲线出现2 个平台 ， 上 平台为高冲击吸收功部分 ， 当温度降至约一 3 0时， 随温度 的降低 ， 急剧下降 ， 当温度降至- 4 0以 下时 ， A 变化较小， 进入低冲击吸收功的下平台。 试验温度， 图 1 莱钢 Q3 4 5 E H型钢 A、 广t 曲线 3 2 宏观 断 口分 析 系列温度 冲击典型宏 观断 口形貌见图 2 ， 从 室 温降至一 7 0的过程 中， 冲
8、击试样 由韧性断裂向脆 性断裂过渡 ， 纤维区和剪切唇面积逐渐缩小直至消 失 ， 晶状 区面积逐渐 扩大直至整个断面。_ 4 0 以 下脆断倾 向严重。 一 一 一 一 室 温0 - 3 0 - 4 o 图2 莱钢Q3 4 5 E H型钢典型温度冲击宏观断口形貌 3 3 微观断口分析 区域出现韧窝， 其余区域皆呈河流条纹的脆断特 室温冲击微观断 口在整个断面上均呈韧窝状 ， 征。微观断 口形貌显示 ， 随着试验温度 的降低 ， 断 显示 出钢材具有较高 的韧性 ； 一 1 0 c I = 时断 口心部 已 裂机制逐渐 由韧窝断裂转变为解理断裂。 出现结晶状 ， 呈现河流花样 ； 温度降至一 3
9、 0时， 结 典型试验温度冲击试样 的微观断 1：3 形貌如图3 晶状 区域已扩大到底部 ； 一 4 0时仅在缺 口附近小 所示。 室温近缺 口区 一 l O近缺 口区 一 3 0近缺 口区 一 -4o近缺口区 一 室温心部 一 1 0乜 邵 一 3 0心部 4 J D心邵 图3 莱钢Q3 4 5 E H型钢典型温度冲击微观断口形貌 能量法确定的Q 3 4 5 E H型钢低温脆性转变温 很大。因此， 要进一步降低其脆性转变温度， 从根本 度范围在一 3 0 4 O之间。一 3 O时冲击功较好 上提高钢材的质量， 需考虑其他技术手段。 塞 二 3 一 竺 妻 4低 温 冲 击 功 较 低 和 波
10、 动 原 因 分 析 整 体 表 现 不 佳 ，脆 断倾 向严重 。可见 ， 通过成分调 。 一 一 整， 一 3 0 q C 冲击功尚能保证 ， 而低于一 3 0 c 钢材已进入4 1 金相组织分析 韧脆转变区， 要想保证一 4 O 冲击功稳定合格难度 部分试样的金相组织观察发现， 铁素体 珠光体 4】 2 0 0 9 年4 月 山东冶金 第3 l 卷 带状组织较严重 。带状组织对钢的性能也有较大 的影响 ， 由于带状组织相邻带 的显微组织不同 ， 它 们的性能也不相 同， 在外力作用下性能低的带易暴 露 出来 ， 而且强弱带之间会 产生应力集 中 ， 故而造 成总体力学性能降低 ， 并具有
11、 明显的各 向异性 ， 通 过热处理方式对消除带状组织的试样对 比冲击试 验结果 ( 见表 7 ) 也验证了这一点。韧性不合 Q 3 4 5 E 大规格 H型钢金相组织见图4 ， 正常组织见图5 。 表7 带状组织对冲击功的影响 J 图 4 Q3 4 5 E H型钢韧性不合显微组织 2 4 0 图6夹杂物分布 图7夹杂物微观形貌一 钢 中非金属夹杂物对钢 的韧性危害较大， 破坏 了钢基体的均匀连续性 ， 造成应力集 中， 促进 了裂 纹产生 ， 并在一定条件下加速 了裂纹 的扩展 ， 从而 加速材料的破坏过程 ， 造成低温冲击功急剧降低 。 5 结论 图5 Q3 4 5 E H型钢 韧性合格
12、显微 组织 2 4 0 x 带状组织是造成莱钢 Q 3 4 5 E H型钢低温冲击 功整体较低的原因之一。带状组织的形成主要是 凝 固时溶质元素在树枝晶间区域富集偏聚 ， 热轧时 表面等轴晶区和内部柱状 晶区都被拉长成带状 ， 当 轧后冷速不够快时 ， 各 区域溶质元素浓度不同 ， 使 得相应区域相变温度不同造成的。 4 2 夹杂物分析 在抛光平面上 ， 利用金相显微镜和电子探针可 观察到沿轧向分布的夹杂物 ， 图 6 为电子探针 1 0 0 倍下的形貌， 微观形貌见图7 、 图8 。对微区进行能 谱分析 ， 测定夹杂物主要为硫化锰和铝硅酸盐。在 个别冲击断 口上可观察到锰硅酸盐和氧化物、 硅
13、酸 盐复合夹杂( 见图9 ) 。 图8 夹杂物微观形貌二 图9 夹杂物能谱分析 明显的脆性转变。 5 3 莱钢 Q 3 4 5 E大规格 H型钢- 4 0冲击韧性低 的主要原因是钢 中带状组织与钢 中非金属夹杂物 含量级别较高。 5 4严 格 冶 炼 工 艺 条 件 下 ， 控 制 P 、 S含 量 在 0 0 1 0 以下 ， 充分脱氧和脱氮 ， 减少 P 对钢材性能 5 1 时效 方式 可 以适 当提 高 Q 3 4 5 E大规格 H型 的冷脆影响 ， 减少非金属夹杂物对组织状态和性能 钢 4 0冲击韧性 ， 但是不能保证冲击性能合格 ， 冲 的影响 ； 采取加入 V、 N b 等元素细化
14、组织 晶粒 ； 也可 击值普遍低且波动大。 以采取晶界强化方式提高低温冲击性能， 引人相关 5 2 Q 3 4 5 E大规格 H型钢在一 3 0 4 0之间存在 元素。 An a l y s i s o n Re a s o n s o f Lo w I m p a c t T o u g h n e s s a t 一 4 0 o f Qa 4 5 E B i g S i z e H- b e a m DONG Ch a n g x i ng ， CHENG Me i ， S HI Zh e n- mi ng ， DONG Bi n g - c h e n g ， L I U Ho n g
15、- y a n ( L w u I r o n a n d S t e e l G r o u p C o r p o r a t i o n ， L a i w u 2 7 1 1 0 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a g e i n g t e s t s o f Q 3 4 5 E b i g s i z e H - b e a m w e r e s t u d i e d and t h e r e s u lt s s h o we d t h a t the i n fl u e n c e o f age i n g o n t
16、h e l o w t e mp e r a t u r e i mp a c t t o u g h h e s s a t - 4 0 Wa S l e s s Th e c h ang e c u r v e o f a b s o r b e d - i n - f r a c t u re e n e r g y wi t h the t e mper a t ur e wa s c o n fir me d b y e n e r gy me tho d a n d i t s b r i t t l e t r a n s i ti o n t e mpe r a t u re
17、r a n g e i s f r o m -3 0 C t o- 4 O Wi t h mi c r o s c o pe and e l e c t r o n p r o b e e t e ，t h e me t a l l o g r a p h i c s tr u c t u r e ，ma e reg r a p h a n d mi c r o -mo r p ho l o gy o f t h e i mp a c t f r a c tur e and the mi c r o - mo r p h o l o gy a n d mi c r o a r e a c o
18、mp o s i t i o n o f i n c l u s i o n we r e a n a l y z e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e d tha t the ma i n r e a s o n s o f l o w i mp a c t t o u g h ne s s we T e the s e rio u s z o n e s t r u c t u r e a n d t h e n o n me t a l l i c i n c l u s i o n K e y w o r d s ： H - b e a m ； l o w t e m per a t u re i m p a c t t o u ghn e s s ； a g e i n g ； z o n e s t r u c t u r e ； i n c l u s i o n 4 2