基板組織對Q345D正火組織性能的影響研究

李靜宇　管劉輝　裴鳳娟　孔德南

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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基板組織對Q345D正火組織性能的影響研究

李靜宇管劉輝裴鳳娟孔德南

(安陽鋼鐵股份有限公司)

通過以不同的正火預處理模擬相應的熱軋、控軋基板組織，并對正火預處理后的Q345D鋼板進行最終正火熱處理，重點研究了基板組織對Q345D正火鋼板組織性能結構的影響，結果表明，在本試驗范圍內，盡管熱軋和控軋正火基板組織對正火Q345D組織中鐵素體晶粒尺寸有影響，但影響程度較小，且性能差別也較小。可以采用熱軋代替控軋的方式生產低合金高強度正火基板，達到降耗、降低生產成本和提高生產效率的效果。

Q345D正火組織基板

0　引言

低合金高強度鋼是目前應用最為廣泛的鋼種，為了降低正火低合金高強度鋼板的生產成本、提高生產效率，本研究通過正火預處理模擬相應的熱軋、控軋基板組織，隨后對正火預處理后的Q345D鋼板進行最終正火熱處理，重點研究了基板組織對Q345D正火鋼板組織性能結構的影響，為低成本高效生產正火低合金鋼板提供了技術方向與理論支撐。

1　試驗材料與試驗方案設計

選取以150 mm厚鑄坯、經爐卷軋機軋制而成的25 mm厚Q345D低合金高強度鋼板為試驗材料，其化學成分見表1。

表1　試驗材料Q345D的化學成分

試驗材料通過馬弗爐加熱保溫，淬火介質采用水。試樣編號及其工藝參數見表2，具體試驗方案如下：

(1)一般而言，控軋和熱軋得到的鋼板組織晶粒是有差異的，且控軋鋼板的晶粒比熱軋的更細小。因此，首先利用加熱溫度和保溫時間對正火組織晶粒的影響，分別對試驗材料Q345D鋼板進行1000 ℃正火和900 ℃正火預處理(1#試樣和2#試樣)，各保溫1 h和40 min，以獲得不同晶粒尺寸的顯微組織，用以模擬代表熱軋和控軋Q345D正火基板的組織。

(2)對步驟(1)正火預處理后的Q345D鋼板(1#試樣和2#試樣)同時進行890 ℃淬火，分別得到11#試樣和21#試樣，研究基板顯微組織對正火相變前奧氏體晶粒大小的影響。

(3)對步驟(1)正火預處理后的Q345D鋼板(1#試樣和2#試樣)同時進行890 ℃正火，分別得到12#試樣和22#試樣，保溫40 min，以此獲得最終正火熱處理后Q345D鋼板的性能與組織，即模擬熱軋+正火和控軋+正火兩種工藝。

金相試樣從熱處理后鋼板上切取，經鑲嵌、磨制、拋光制成，用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，放在金相顯微鏡上觀察鋼板的組織，并測量晶粒尺寸。

表2　試樣編號及其工藝參數

2　試驗結果

2.1各階段Q345D的顯微組織

根據試驗方案，各試樣的顯微組織及其平均晶粒尺寸如圖1所示。

(a) 1#試樣-25 μm

(b) 2#試樣-15 μm

(c) 11#試樣-20 μm

(d) 21#試樣-15 μm

(e) 12#試樣-16 μm

(f) 22#試樣-12 μm

從圖1可以看出：

(1)正火預處理后，Q345D的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成。同一塊鋼板，1000 ℃正火預處理后1#試樣鐵素體晶粒度為7.5級，晶粒平均尺寸約為25 μm；900 ℃正火預處理后2#試樣鐵素體晶粒度為9級，晶粒平均尺寸約為15 μm。 2#試樣晶粒相對較為細小，與其加熱溫度較低和保溫時間較短有關。鑒于其晶粒尺寸的差別，用1#試樣模擬代表熱軋時Q345D正火基板組織狀態，而用2#試樣模擬代表控軋時Q345D正火基板組織狀態。

(2)11#試樣和21#試樣分別用以研究基板組織1#(代表熱軋)和2#試樣(代表控軋)對Q345D正火相變前奧氏體晶粒尺寸的影響，其中21#試樣奧氏體晶粒比11#試樣要更細小，其平均奧氏體晶粒尺寸約15 μm，11#試樣則為20 μm。換言之，Q345D正火相變前控軋基板的奧氏體晶粒度比熱軋基板的相對要細，但差別不大。

(3)1#基板組織和2#基板組織經890 ℃正火分別獲得12#試樣組織和22#試樣組織，12#試樣組織和22#試樣組織中鐵素體晶粒尺寸分別為16 μm和12 μm左右，晶粒尺寸差別并不大。

2.2最終正火Q345D的性能

根據試驗方案，步驟(3)最終正火Q345D鋼板的力學性能指標見表3。

由表3可知，同樣在890 ℃正火，22#試樣的屈服和抗拉強度比12#試樣約高20 MPa，-20 ℃平均沖擊功也高約14 J。與原始鋼板(熱軋態)力學性能相比，正火態Q345D的屈服強度下降較多，抗拉強度變化不大，延伸率有所增加，-20 ℃平均沖擊功值有所增加。綜合來看，雖然12#試樣和22#試樣的力學性能指標有差異，但差別不大，且均能滿足低合金高強度鋼標準GB/T 1591-2008的要求。

3　討論與分析

表3　最終正火Q345D的力學性能

2#試樣和1#試樣相比，鐵素體晶粒細小，珠光體團也較為細小并且更為分散。而奧氏體相變時，通常在鐵素體和滲碳體兩相界面上形核，此外，珠光體領域的邊界、鐵素體嵌鑲塊邊界都可以成為奧氏體的形核地點。珠光體分散表明奧氏體的形核核心多而分散。奧氏體的形成速度取決于形核率和長大速度。奧氏體形成速度隨著加熱溫度升高而迅速增大，且隨著奧氏體形成溫度升高，形核率增長速度高于長大速度的增長速率[1]。長大速度一定的情況下，形核率高使得最后形成的奧氏體晶粒較為細小。鋼的原始組織愈細，奧氏體形成速度愈快。奧氏體化剛剛終了時，晶粒較細，(隨著加熱溫度進一步升高，時間繼續延長，奧氏體晶粒將長大。這一點由21#試樣奧氏體晶粒比11#試樣更細小即可看出。奧氏體晶粒長大是界面遷移的過程，實質上是原子擴散的過程。為了獲得較為細小的奧氏體晶粒，必須同時控制加熱溫度和保溫時間，以及優化鋼的成分如加入碳化物、氮化物形成元素，釘扎奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒長大等。在原始奧氏體晶粒粗大情況下，若鋼以非平衡組織(如馬氏體和貝氏體)加熱奧氏體化，則在一定的加熱條件下，新形成的奧氏體晶粒會繼承和恢復原始粗大的奧氏體晶粒。對鐵素體-珠光體的低合金鋼，組織遺傳傾向較小，即一般不發生組織遺傳現象[1]。因此，從整個試驗過程可以看出，Q345D鋼的正火基板組織影響奧氏體形成速度，進而影響正火相變前奧氏體的晶粒大小，但同一熱處理工藝下晶粒尺寸差異較小。

過冷奧氏體向鐵素體轉變是通過形核與長大進行的。轉變速度取決于鐵素體的形核率和線長大速度。奧氏體化狀態如晶粒度、成分不均勻性、晶界偏聚、剩余碳化物量等，對奧氏體的轉變均產生重要影響。奧氏體化溫度不同，奧氏體晶粒大小不等，則過冷奧氏體的穩定性不一樣。細小的奧氏體晶粒，單位體積內的界面積大，鐵素體形核位置多，將促進鐵素體轉變。當奧氏體晶粒尺寸在20 μm左右時，如果沒有加速冷卻，其與鐵素體晶粒尺寸的變化比基本為1，進而使得相變后的鐵素體晶粒也較為細小[2]。也就是說，基板組織的晶粒大小和彌散度不同，影響到正火加熱時奧氏體晶粒大小，進而影響最終正火后鐵素體晶粒尺寸大小。

不同晶粒尺寸的Q345D正火基板組織(分別模擬代表熱軋和控軋)，相變前奧氏體晶粒尺寸分別為20 μm和15 μm，同時經890 ℃正火，鋼板組織中鐵素體晶粒尺寸分別為16 μm和12 μm左右，其晶粒尺寸差別較小，且力學性能指標基本相當。說明在本試驗范圍內，盡管熱軋和控軋正火基板組織對正火Q345D組織中鐵素體晶粒尺寸有影響，但影響程度較小，且性能差別也較小，均能滿足標準要求。因此，針對正火低合金高強度鋼板，前期軋制時無論采用熱軋或控軋，對其正火后鋼板的組織性能影響均不大，即可以通過采用熱軋代替控軋的方式生產低合金高強度正火基板，從而進一步節能降耗、降低生產成本和提高生產效率。

4　結論

通過不同的正火預處理模擬相應的熱軋、控軋基板組織，并對正火預處理后的Q345D鋼板進行最終正火，重點研究了基板組織對Q345D正火鋼板組織性能的影響，主要得出以下結論：

(1)Q345D鋼的正火基板組織影響奧氏體形成速度，進而影響正火相變前奧氏體的晶粒大小，但同一熱處理工藝下晶粒尺寸差異較小。

(2)在本試驗范圍內，盡管熱軋和控軋正火基板組織對正火Q345D組織中鐵素體晶粒尺寸有影響，但影響程度較小，且性能差別也較小，均能滿足標準要求。

(3)針對正火低合金高強度鋼板，可以通過采用熱軋代替控軋的方式生產低合金高強度正火基板，從而進一步節能降耗、降低生產成本和提高生產效率。

[1]劉宗昌等. 材料組織結構轉變原理[M]. 北京：冶金工業出版社，2006:103,127.

[2]王有銘，李曼云，韋光. 鋼材的控制軋制和控制冷卻[M]. 北京：冶金工業出版社，1995:99.

EFFECT OF MICROSTRUCTURE OF THE SUBSTRATE ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICALPROPERTIES OF THE Q345D STEEL NORMALIZED

Li JingyuGuan LiuhuiPei FengjuanKong Denan

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

The hot rolling and controlled rolling microstructure of the plate are simulated by different normalization pretreatment, and normalizing treatment of Q345D steel plate pretreated is finally carried out, the influence of substrate structures on the microstructure and mechanical properties of the Q345D steel plate normalized is studied. The results show that，in the range of the experiment, original microstructure affects the ferrite grain size of the Q345D microstructure normalized, but that is a lesser extent and the difference of the mechanical properties is smaller. It can be used hot-rolling in place of controlled rolling to produce the high-strength low-alloy steel plate normalized, in order to reduce energy and production costs and improve production efficiency.

high-strength low-alloy steelnormalizationmicrostructuresubstrate

聯系人：李靜宇，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術中心；2016—3—27