Q345E板材心部貝氏體組織轉變研究

駱春民，劉 瑩，劉海英，張 龍

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心,天津 300301）

1 引言

Q345E 高強度結構鋼板因具有較高的強度和塑性、良好的低溫韌性，被廣泛應用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等領域。目前，天鋼生產的Q345E≥30 mm 厚規格板材沖擊性能不穩定，通過組織觀察，沖擊功低的板材心部有少量貝氏體異常組織，而Q345E 的正常組織應該為鐵素體和珠光體，從相關研究所知，板材心部出現的貝氏體組織與連鑄坯的中心成分偏析有關。為了研究Q345E板材心部貝氏體組織形成機理及其影響因素，應用熱模擬機分別做Q345E 連鑄坯心部與1/4 處的臨界轉變溫度測定以及連續冷卻轉變曲線[1]（CCT 曲線）的對比試驗，同時結合心部與1/4 表面化學成分分析、OPA 金屬原位成分偏析分析、金相檢驗、掃描電鏡等方法對比分析，研究Q345E 鋼的相變規律，分析因Q345E 連鑄坯心部與1/4 表面偏析差異對貝氏體組織轉變的影響。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

從天鋼Q345E 連鑄坯做低倍硫印后的坯料上取試驗鋼，分別在鑄坯的心部和1/4 表面處取原位分析樣和熱模擬試驗樣。原位樣加工成100 mm×170 mm×20 mm，熱模擬樣加工成Φ6 mm×85 mm。

2.2 試驗方法

化學成分分析，對比心部與1/4 表面化學成分差異。OPA 金屬原位分析，得到連鑄坯中心處與1/4處的碳、硅、錳、磷、硫的偏析情況。熱模擬試驗，測定Q345E 鋼的臨界點，分別做鑄坯中心處與1/4 處的10 個冷速的靜態CCT 連續冷卻曲線，模擬Q345E 軋制變形工藝，模擬連鑄坯1/4 處軋制變形后動態CCT 連續冷卻曲線，比較得出經軋制變形的動態CCT 與靜態CCT 的差異。金相及掃描電鏡分析，對熱模擬測定心部與1/4 處CCT 曲線試驗后鑲制成金相及掃描電鏡觀察用樣，試樣拋光、腐蝕后用顯微鏡及掃描電鏡觀察不同冷速條件下鑄坯中心處與1/4 處組織差異，觀察貝氏體形貌特征。

2.2.1 Q345E 臨界轉變點測定

應用膨脹法測定鋼的臨界轉變點原理，利用熱模擬實驗機分別測定Q345E 連鑄坯心部與1/4 處的臨界轉變點。熱模擬實驗先以加熱速率5℃/s 將試樣加熱到500℃，后以0.055℃/s 加熱到980℃，保溫15 min，再以0.055℃/s 冷卻試樣至室溫。根據熱膨脹曲線上所顯示出的拐點來確定Q345E 鋼的AC1、AC3、Ar3、Ar1臨界點。實驗測得試樣臨界轉變溫度如表1 所示。實驗結果為心部的AC1、AC3、Ar3、Ar1臨界點均低于1/4 處。

表1 心部與1/4樣臨界轉變溫度 /℃

2.2.2 Q345E CCT 曲線測定

應用熱模擬實驗機，采用熱膨脹法并輔助以金相法分別測定Q345E 鑄坯心部與1/4 處的靜態CCT 曲線以及1/4 處的動態CCT 曲線。

靜態CCT 曲線測定實驗具體為：根據測定的Ac3溫度，選定完全奧氏體化溫度，亞共析鋼一般在Ac3以上30～50℃。將Φ6×85 mm 的圓棒試樣在真空條件下以1℃/s 加熱到930℃完全奧氏體化，保溫20 min 均熱試樣，然后分別以不同冷速進行恒速冷卻至室溫。實驗后根據測量數據繪制出膨脹量隨溫度的變化曲線，利用切線法在熱膨脹曲線上測定各相變轉變點溫度。實驗選擇10 種不同的冷卻速度，分別為：0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。實驗后做各冷速的金相組織觀察，重點觀察貝氏體組織。

動態CCT 曲線測定實驗具體為：將Φ6×85 mm的圓棒試樣在真空條件下以10℃/s 的加熱速率加熱到1 200℃，保溫10 min，以5℃/s 降到1 000℃，保溫1 min，模擬粗軋再結晶軋制，變形量25%，應變速率2 s-1，然后以2℃/s 降到900℃，保溫1 min，使靜態再結晶充分完成，之后模擬精軋未再結晶軋制，變形量25%，應變速率4 s-1，軋制完成后以不同的冷卻速度冷卻至室溫。冷卻計時溫度為900℃。實驗后在繪制出的熱膨脹曲線上應用切線法測定各相變轉變點溫度。實驗同樣選擇10 種不同的冷卻速度，分別為：0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。實驗后做各冷速的金相組織觀察，重點觀察貝氏體組織。

3 實驗結果及分析

3.1 理化檢測成分分析

分別在鑄坯心部與1/4 處取樣，做理化檢測成分，結果如表2 所示。

表2 Q345E試驗鋼化學成分/%

理化檢測結果顯示，心部與1/4 處C、Mn、P、S明顯正偏析，Si 值相等無偏析。

3.2 OPA 金屬原位偏析分析

金屬原位偏析分析見圖1。鑄坯中心坐標為Y=112，1/4 處坐標Y=49.5，C、Si、Mn、P 偏析集中于厚度的中心線上，呈明顯的線狀分布，心部明顯比1/4 處偏析嚴重，而S 偏析中心與1/4 處都較為明顯，其中C 中心最大偏析度為1.13，Si 中心最大偏析度為1.04，Mn 中心最大偏析度為1.14，P 中心最大偏析度為1.15，S 中心最大偏析度為1.78。

3.3 熱模擬結果分析

3.3.1 1/4 處與心部CCT 曲線

實驗后根據熱模擬數據繪制出1/4 處靜、動態CCT 曲線和心部靜態CCT 曲線，見圖2 所示。連續冷卻曲線的冷速分別為0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。在CCT 曲線上，相變區分別為鐵素體區、珠光體區，貝氏體區，馬氏體區。1/4 處靜動態CCT 曲線中，在冷速大于3℃/s 時有貝氏體相轉變，在較快的冷卻速度下，如冷速大于17℃/s 有馬氏體相轉變。心部靜態CCT 曲線中，在冷速大于等于1℃/s 時已經有貝氏體相轉變，在冷速大于3℃/s 有就已經有馬氏體相變。

圖1 原位偏析圖

圖2 靜、動態CCT曲線圖

從1/4 處與心部靜態CCT 曲線圖中得出，過冷奧氏體的冷卻速度不同，發生的組織轉變也不相同。冷速小時，發生轉變的開始溫度和結束溫度都較高，隨著冷速的增大，轉變溫度也開始降低，轉變所經歷的溫度區間也隨著冷速的增大而增加。而相同冷速條件下，心部圖中鐵素體、珠光體轉變開始溫度和結束溫度均低于1/4 處的，貝氏體和馬氏體轉變溫度同樣也較低，可見偏析的影響推遲了珠光體轉變，使CCT 曲線向下方移動。這是由于[2]心部C、Mn 元素的偏析，使S 點左移，擴大奧氏體相區，降低了鋼的轉變溫度Ar3與Ar1，先共析鐵素體析出溫度及鋼的共析轉變溫度都降低，推遲了奧氏體向珠光體的轉變。

實驗測得的1/4 處動態CCT 曲線如圖2 所示。模擬Q345E 軋制變形工藝，鑄坯1/4 處軋制變形后測定的動態CCT 連續冷卻曲線，明顯的比1/4 處靜態CCT 曲線向左上方移動，即經軋制變形后的奧氏體向F、P、B 各相相變開始溫度明顯比靜態的轉變開始溫度高。這是由于對奧氏體進行塑性變形會使點陣畸變加劇并使位錯密度增高，有利于C 和Fe原子的擴散和晶格改組，從而加速了奧氏體轉變。同時形變還有利于碳化物彌散質點的析出，使奧氏體中碳和合金元素貧化，因而促進奧氏體的轉變。

3.3.2 偏析對相變及組織的影響

將測定靜態CCT 曲線后的各冷速熱模擬試樣經橫向切割后鑲制成金相及掃描電鏡觀察用樣，試樣拋光、腐蝕后，觀察金相組織。不同冷卻速度下心部與1/4 表面熱模擬樣的金相組織如圖3 所示。

圖3 1/4與心部組織對比

從金相組織圖中可以看出，1/4 表面樣各冷速組織較均勻，當冷速大于3℃/s 時，開始出現少量貝氏體組織，當冷速大于17℃/s 時有馬氏體組織出現；而心部樣各冷速組織都不均勻，出現貝氏體與馬氏體的團塊區。當冷速大于3℃/s 時，就已經開始出現少量貝氏體與馬氏體的團塊區，隨著冷速增大，貝氏體和馬氏體的量逐漸增多，當冷速為17℃/s 時，冷卻到室溫的組織中大部分都為貝氏體和馬氏體組織，已無珠光體組織，鐵素體量也很少；通過對比可知，在冷卻速度等于3℃/s 時，心部樣與1/4 樣均出現了少量的貝氏體和馬氏體，在冷卻速度較大時，心部CCT 曲線得到貝氏體和馬氏體的臨界冷卻速度比1/4 表面曲線的要低。

利用掃描電鏡進一步研究偏析對相變及組織形貌的影響，對部分冷速下的金相組織進行觀察，如圖4 所示。

從圖4 可以看出，1/4 處當冷速為5℃/s 時已經出現低碳貝氏體組織，當冷速為17℃/s 時，出現少量馬氏體組織，而心部5℃/s 冷速就已經出現貝氏體與馬氏體的團塊區，隨冷速增加團塊區變大，17℃/s 冷速團塊區基本全是馬氏體，可見偏析對相變組織有很大的影響。在實際生產中要求Q345E板材組織應是均勻的鐵素體加珠光體，不應出現貝氏體及馬氏體組織。根據測定的靜態CCT 曲線，結合金相組織的對比，結合熱模擬與實際軋鋼工藝制定的差異，最佳冷卻速度可控制在3℃/s 左右，根據不同厚度規格做相應調整。

4 結論

Q345E 鑄坯中心成分偏析導致鋼板軋制后冷卻出現貝氏體組織轉變。Q345E 連鑄坯的中心成分偏析推遲了珠光體轉變，使CCT 曲線向下方移動。軋制變形提高了相變轉變溫度，動態CCT 曲線向左上方移動。減小偏析對軋后相變組織的影響，Q345E 板材軋后冷速控制在3℃/s 左右。

[1]王生朝，趙剛，鮑思前.Q345E鋼連續冷卻過程中的相變和顯微組織[J].熱加工工藝，2012，41（14）：37-39.

[2]崔忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社：236-289.