氮、鋁元素對Q345E角鋼低溫韌性影響的研究

劉大為

摘 要： E級鋼的低溫韌性成品檢測中最主要的技術指標，如何保證在-40℃試驗條件下的沖擊功是開發生產Q345E角鋼的關鍵因素，本文研究了合金元素對低溫韌性的影響，重點是通過實驗室試制和工業化生產，對氮、鋁元素對Q345E角鋼低溫韌性的影響規律進行了研究。結果表明，氮含量越低，角鋼的低溫沖擊韌性越好，生產中應嚴格控制氮含量，鋁含量低于100ppm或高于200ppm時樣品沖擊性能較好，而當鋁含量在100-200ppm范圍時沖擊韌性降低，因此生產中應盡量避免該鋁含量范圍。

關鍵詞： E級鋼；合金元素；低溫韌性

0 引言

角鋼做為結構鋼的一種，用途廣泛，如建筑、廠房、橋梁、船舶、鐵塔、塔機設備等。國內常見的材質主要是普碳鋼和低合金鋼，如Q235、Q345、Q420；國外如歐標、美標、德標、日標也基本是相同的強度級別。近年來，隨著國外市場的開發，一些橋梁、艦船、機場建設工程對溫度更低的角鋼有了明顯的需求和增長，宣鋼進行了Q345E級角鋼的研究。

1 合金元素的選擇

按照宣鋼B、C級生產經驗，主要是以C、Si、Mn保強度，少量V細化晶粒，P、S控制在要求范圍內即可。而Q345E為保證-40℃的低溫沖擊韌性，不僅需控制P、S，還要適當調整其它合金元素。減少碳含量、增加錳含量能顯著降低鋼材的韌脆轉變溫度，錳碳比越高，韌脆轉變溫度越低。此外，硫、磷等元素均會損害鋼的韌性，提高韌脆轉變溫度[1]-[2]。一般認為，這些元素會在晶界偏析，降低晶界的表面能，促進沿晶斷裂[3]。

錳、鎳使鋼材的韌脆轉變溫度降低，鋁幾乎沒有影響；鈦、釩之類的微合金元素在含量較低時提高韌脆轉變溫度，達到某一含量后，使其降低；其它合金元素都會不同程度地提高韌脆轉變溫度，其中碳、硅、磷之類的固溶原子對韌脆轉變溫度的升高作用特別顯著。最終確定V、Al復合微合金化，以達到最優的力學性能。

V在加熱條件下可以充分溶解[4]，在冷卻過程中，以碳、氮化物的形式在鋼中大量析出，這些處于共格狀態的細小彌散析出物提高了基體強度。同時，釩元素在基體與晶界上以碳、氮化物的形式存在還可以阻止晶粒的繼續長大，最終得到晶粒細小的鐵素體組織，達到增強鋼材韌性的效果。

鋁作為一種強氧化劑，具有較高的穩定性，可以生成細小的氧化物彌散分布在鋼中。氧化物能作為夾雜物形核的中心，誘導氮化物、硫化物和碳化物的附著析出。增加鋼材中的含鋁量可以降低鋼材中的氧含量，從而去除鋼材中的各種氧化物與硫化物等雜質，使鋼材的純凈度提高。同時，鋁還是一種強的定氮劑，形成納米級的AlN析出物，提高鋼的熱穩定性，抑制鋼在熱循環過程中的奧氏體晶粒粗大化，最終使鋼材的韌性得到改善[5]。

2 實驗室分析

實驗室分為四種成分試驗鋼進行模擬分析，即：

（1）釩鋁含量相同情況下，研究氮含量對組織與性能的影響。

（2）釩氮含量相同情況下，研究鋁含量對組織與性能的影響。

2.1 實驗室冶煉

將原料在真空電磁感應爐里熔煉，按照實驗設計澆鑄四種Al含量不同的鋼錠，鋼錠質量為50kg，鋼錠斷面為150mm×150mm。然后將鋼錠經過熱軋，熱軋參數為：加熱溫度1150℃，保溫1小時，開軋溫度1050℃，軋制速度1.0m/s。鋼錠經過9道次軋制軋成15mm厚的鋼板，最大道次壓下量為28.6%，軋制道次及每道次壓下量如表1所示。對試驗鋼成分進行光譜分析，實際化學成分如表2所示，實際檢測成分與設計成分基本保持一致。

2.2 檢測與分析

（1）拉伸試驗

將熱軋后的鋼板制成標準拉伸試樣在拉伸試驗機上進行拉伸，拉伸力學性能如表3所示。試驗表明，2#試驗鋼塑性最好，但屈服強度和抗拉強度最低。1#試驗鋼的強度略高于2#，塑性略低于2#。3#試驗鋼強度最好，4#試驗鋼的塑性最差。

可以得到如下結論：當添加0.008%的Al元素時，鋼的屈服強度降低了10MPa，伸長率略有提升。當Al含量添加量達到0.03%時，屈服強度上升了5MPa，但伸長率急劇下降。保持Al含量不變，提高N含量時，鋼的屈服強度和抗拉強度都大幅度提高，但伸長率下降。

（2）沖擊試驗

試驗溫度分別設定在20℃、-20℃、-40℃以及-60℃。室溫下，4種試驗鋼的沖擊功平均值均在200J左右，遠遠高于Q345系列的室溫沖擊功國標規定，并且均勻性良好。在-20℃時，4種試驗鋼的沖擊功平均值也均高于100J，2#試驗鋼仍保持在200J以上。在-40℃時，4種試驗鋼的沖擊功平均值都高于國標規定的34J，但沖擊功的均勻性欠佳。在-60℃時，3#、4#試驗鋼沖擊功平均值不達標，1#、2#試驗鋼沖擊功平均值也僅滿足國標規定，同樣均勻性不好。對比各個試驗溫度下的沖擊功，2#試驗鋼性能最好，1#和3#次之，4#最差。

由此可知，（1）含微量Al鋼的沖擊功均在無Al鋼之上，即從室溫到低溫沖擊功都得到了提高。即使在-60℃的情況下，2#試驗鋼仍能保證沖擊功合格。（2）對比4#試驗鋼，可以發現隨著Al含量的增加，沖擊功略有下降，特別是低溫下，這說明Al的加入量并不是越多越好。（3）在Al含量相同的條件下，2#試驗鋼的氮含量為70ppm，3#試驗鋼的氮含量為 140ppm，而2#試驗鋼各溫度下的沖擊功均好于3#試驗鋼，這證明N含量的增加不利于沖擊性能的提高。（4）以上數據顯示，添加微量Al元素，控制N含量，保證鋼中沒有較大顆粒的夾雜物，保證鋼材的-40℃沖擊功合格是完全可行的。

（3）金相分析

100倍下鋼的金相組織，4種試驗鋼均有明顯的帶狀組織，其級別與Al的有無及多少無對應關系，應歸因于工藝制度。帶狀組織不是影響鋼材低溫沖擊值的重要因素，Al元素提高低溫沖擊性能的原因也與帶狀組織無關。

（4）沖擊斷口SEM觀察

沖擊試樣的斷口可以反映出斷裂的機制，不同斷裂機制下發生的斷裂所吸收的能量差異很大，斷裂方式與沖擊韌性關系密切。

利用SEM觀察-40℃ 1#試驗鋼的沖擊斷口中纖維區韌窩的形貌，發現1#試驗鋼斷口中的韌窩密集，分布也較均勻，并且各個韌窩都較深，說明在沖擊時塑性變形強烈，在低溫沖擊時吸收了大量的沖擊功。

沖擊斷裂雖然是在較短的時間內發生的，但它仍然是一個裂紋的萌生與擴展的過程。在這一過程中，靠近缺口的位置最先受壓應力的作用，而且力矩最大，首先發生斷裂，裂紋的萌生也產生于此。根據能量理論，裂紋的萌生過程與裂紋的擴展過程相比，需要更高的能量，這是因為裂紋一旦形成，其擴展過程會沿著能量最低的路徑進行下去，所需克服的阻力減小。因此，靠近缺口的區域在斷裂之前吸收了更多的能量，表現在斷口形貌上，就是發生了較大的塑性變形，形成許多微小的山脈狀突起以及許多微小的孔洞。隨著斷裂過程的繼續，萌生后的裂紋開始向試樣心部擴展，該區域的受力狀態由最初的壓應力轉變為拉應力，裂紋沿著基體結合最薄弱的路徑（通常是晶體的解理面）快速擴展，使基體在未能產生明顯塑性變形的情況下就已經發生斷裂，形成較為平坦的河流狀斷口。

（5）結論：1）微量Al的加入使得鋼在-40℃時的低溫沖擊韌性顯著提高，沖擊功高于90J，遠大于國標要求。說明鋼中加入微量Al以提高鋼材的沖擊韌性的思路是可行的。2）隨著Al含量的增加，沖擊功下降，這說明Al含量不是越多越有利，應控制在一定范圍內。3）N含量的增加使沖擊功急劇下降，應嚴格控制N含量。

3 工業化生產

3.1 工藝設計

生產工藝流程為：鐵水脫硫→轉爐冶煉→LF精煉→連鑄→軋制角鋼。

其中，熔煉過程添加微合金化元素V時采用釩鐵合金代替釩氮合金，并在精煉過程中全程吹氬，達到控制鋼中N含量的目的。熔煉成分應符合表4之規定。

樣品共計6爐次，其中第一、二爐次為低鋁含量（0～100ppm），第三、四爐次為中鋁含量（100～200ppm），第五、六爐次為高鋁含量（200～300ppm）。考慮第一爐料受早前熔煉合金的影響造成成分偏差，故取樣分析時只取后五爐次進行分析，其中每一爐次包含兩批次角鋼樣品，不同批次角鋼樣品除化學成分不同外，角鋼規格也有差異，厚度不同，樣品編號及厚度尺寸如表5所示。

3.2 化學成分

樣品化學成分分析結果顯示所有成分檢測結果均為不同位置處9次測量的平均值。可見，與設計成分相比，Al元素含量基本在設計范圍之內，但是C含量普遍偏高，其中71號樣品C含量達到0.18%。其它元素含量均在控制范圍之內。

3.3 拉伸性能

所有樣品在室溫下的屈服強度、抗拉強度和伸長量均滿足國標要求；且除51#，其它樣品的屈服強度在420-470MPa之間，伸長率在28%-33%之間，均遠高于標準要求。因此樣品力學性能具有較大的調節空間，可通過進一步降低強度的方式增加鋼材韌性。

4 結論

（1）從分析結果來看，本次工業生產鋼材性能滿足標準要求。鋼材拉伸性能強度指標較高，有較大余量，所有試樣呈明顯塑性斷裂特征。

（2）樣品滿足-40℃沖擊性能要求，且有較大余量。

（3）Al含量對Q345E角鋼沖擊性能有較明顯的影響，當Al含量低于100ppm或高于200ppm時樣品沖擊性能較好，而當鋁含量在100-200ppm范圍時沖擊韌性降低，因此生產中應盡量避免該鋁含量范圍。

（4）N含量越低，角鋼的低溫沖擊韌性越好，生產中應嚴格控制N含量，盡量降低原料中N的帶入和吹煉及精煉過程中N的加入。■

參考文獻

[1]楊富堯 ，李現兵，陳新，等.輸電鐵塔用角鋼的應用及低溫服役性能研究[J].中國電機工程學報，2013，33（1）：117-122.

[2]徐志東，朱敏，范植金，等.一種韌脆轉變溫度低的鐵塔用角鋼及生產方法[P].中國專利：CN104073721A，2014-10-01.

[3]馮昌文.U71Mn與Q370qE鋼埋弧焊接工藝及接頭組織研究[D]，華中科技大學，2013.

[4]張開華.釩在低溫大變形條件下對晶粒細化的影響 [J].鋼鐵釩鈦，2004，25（4）：29-32.

[5]李家彬.低碳鋁鎮靜鋼Al2O3夾雜物分析與控制[J].現代冶金，2011，39（4）：13-15.