摘 要:某批次 Q345E鋼在進行低溫沖擊試驗時,發現其低溫沖擊性能不滿足標準要求。采用 掃描電鏡分析、夾雜物評定、金相檢驗、晶粒度評定等方法,分析了其沖擊性能不合格的原因。結果 表明:鋼材中的硫化物在心部偏聚,夾雜物的存在導致基體連續性被破壞,當受到沖擊作用力時,鋼 材的有效受力面積和沖擊吸收面積變小,裂紋在該處萌生并快速擴展;鋼材的晶粒尺寸較大,使金 屬間的結合力變小,最終導致該鋼材的低溫沖擊性能不合格。
關鍵詞:Q345E鋼;低溫沖擊性能;夾雜物;偏析;晶粒度
中圖分類號:TB31 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)05-0034-03
鋼材在制造過程中,為了達到產品的使用要求, 需要考慮其綜合力學性能,如在低溫條件下,要求鋼 材具有良好的抗沖擊載荷能力。某批次 Q345E鋼 材在進行低溫(-40℃)沖擊試驗時,發現有試樣的 低溫沖擊性能不滿足標準要求,筆者對其進行一系 列理化檢驗,查明了其低溫沖擊性能不合格的原因, 并提出了改進建議,以避免該類問題再次發生。
1 理化檢驗
1.1 沖擊性能測試
按照GB/T229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖 擊試驗方法》,取 A,B兩組試樣進行低溫沖擊性能 測試,每組3個平行試樣,試樣厚度為25mm,結果 如表1所示,可見 A組試樣的低溫沖擊性能滿足標 準要求,B組試樣的低溫沖擊性能不滿足標準要求。
1.2 掃描電鏡(SEM)分析
對試樣 A1和B1的沖擊斷口進行掃描電鏡分 析,結果如圖1,2所示。由圖1,2可知:試樣 A1斷 口為典型的混合型斷口,剪切區域面積較大,整體呈韌窩+解理形貌;試樣B1斷口為典型脆性斷口,整 個斷裂面幾乎完全垂直于試樣長度方向,剪切區域 面積較小,主要表現為解理形貌。試樣 A1和B1沖 擊斷口的斷面上未見沿晶形貌或晶界析出相,說明 試樣 A1和B1均發生了低溫脆性斷裂,斷裂與析出 相造成的晶界脆化無關。由試樣 A1和B1斷口不 同形貌區域的比例可知,試樣的韌-脆轉變溫度低于 -40℃。
1.3 夾雜物評定
對 A組和B組試樣進行夾雜物評定,結果如表 2所示。由表2可知:A 組和B組試樣均存在不同 程度的 A類硫化物夾雜;B組試樣的硫化物等級為 2.5~3.0級,由此說明B組試樣的硫元素含量較高。
1.4 金相檢驗
將試樣 A1和B1沿橫向切割,經磨拋、腐蝕后 用光學顯微鏡進行觀察,結果如圖3所示。由圖3 可知:試樣 A1和 B1內部均存在不同程度的偏析 帶,偏析帶位于試樣心部;試樣 A1心部偏析處的組織主要為鐵素體+珠光體,其中珠光體含量較高;試 樣B1的偏析程度比試樣 A1的偏析程度更大,偏析 處的組織主要為貝氏體+鐵素體+珠光體,局部還 存在少量馬氏體[1-3],并伴有硫化物夾雜的偏聚,同 時可見脆相組織。'
1.5 晶粒度評定
A,B兩組試樣的平均晶粒度分別為8.5級和 8.0級,Q345E鋼的晶粒度應不低于9級,發現該批 鋼材的晶粒度等級不滿足產品的技術要求。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知:低溫沖擊性能合格 試樣的斷口呈韌性+脆性混合形貌,不合格試樣的 斷口呈脆性斷裂形貌;鋼材中的硫化物在心部偏聚, 夾雜物的存在導致基體連續性被破壞,當受到沖擊 作用力時,鋼材的有效受力面積和沖擊吸收面積會 變小;不合格試樣的心部偏析程度較嚴重,偏析組織 主要為脆性較大的貝氏體+少量馬氏體,同時有大 量硫化物在該處偏聚,因此裂紋易在該處萌生并快 速擴展。控軋、控冷工藝過程中,終軋溫度對鋼材組織的影響十分明顯。當終軋溫度避開奧氏體再結晶 區,控制在未再結晶區時,材料可以獲得力學性能良 好的熱軋態組織。該批鋼材的晶粒尺寸較大,影響 鋼材晶粒尺寸的因素為軋制過程的終軋溫度、軋制 變形量、冷卻速率等[4-5]。當晶粒尺寸較小時,晶界 處的晶體排列不規則程度較大,晶面犬牙交錯性較 強,晶間咬合力變大,金屬間的結合力變大,因此鋼 材的晶粒度是影響其低溫沖擊性能的重要因素。 Q345E鋼的晶粒尺寸越小,鋼材的低溫沖擊性能越 好,當晶粒度不低于9級時,可以防止鋼材在低溫狀 態下因受到沖擊力的作用而發生脆斷。
3 結論與建議
(1)鋼材的心部偏析程度較嚴重,晶粒度尺寸 較大以及硫化夾雜物的存在導致試樣的低溫沖擊性 能不合格。
(2)建議對 Q345E鋼中磷、硫元素的含量(質 量分數,下同)進行嚴格控制,硫元素的含量低于 0.005%,磷元素的含量低于0.010%,使 A 類夾雜 物等級不超過1.0級。
(3)隨著碳元素含量增加,鋼材的強度提高,塑 性和 韌 性 下 降,建 議 碳 元 素 的 含 量 應 控 制 在 0.12%~0.15%,以同時滿足材料的強度、韌性和塑 性要求。
(4)錳元素具有細化晶粒和降低相變溫度的作用,當錳元素含量不低于1.2%時,鋼材的強化效果 明顯,當錳元素含量不低于1.5%時,鋼材的韌性下 降,因此為了同時滿足鋼材的韌性和強度要求,建議 將錳元素含量控制在1.2%~1.5%。
(5)建議將 Q345E鋼的終軋溫度控制在850~ 900℃,以避免在軋制過程中產生嚴重偏析帶;建議 采用風冷或者水霧冷卻,加速冷卻至500℃后進行 緩冷,避免因冷卻速率過快而使材料局部出現脆性 較大的貝氏體或馬氏體。
(6)建議對該批鋼材進行不同溫度下的沖擊性 能測試,找出其韌-脆轉變溫度,以進一步制定改進 措施。
參考文獻:
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<文章來源> 材料與測試網>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>59卷>5期(pp:34-36)>