Q345E鋼板低溫沖擊性能影響因素分析

徐 壯，張 楠（天津鋼鐵集團有限公司煉軋廠，天津300301）

0 引言

低合金高強度鋼板以其良好的綜合力學性能廣泛被應用于汽車、建筑、船舶、鐵路、車輛等領域。某公司中厚板廠采用四輥可逆式軋機可以軋制厚度為8~150 mm的中厚板，但是該公司自從生產低合金高強度鋼板Q345E以來，低溫沖擊性能較低一直是影響該產品質量的主要問題，對生產和銷售造成了很大影響。因此，分析Q345E鋼板低溫沖擊性能的影響因素，改善其低溫沖擊性能，提高產品的合格率就顯得十分必要。

1 低溫沖擊性能影響因素分析

隨機選取5片Q345E鋼板，在每片鋼板上各取1套力學試樣，從生產及檢測數據進行分析，主要有以下幾個因素影響Q345E鋼板的低溫沖擊性能。

1.1 化學成分及力學性能

試樣的化學成分見表1。

表1 試樣的化學成分 /%

相關文獻表明，鋼中不同的化學成分可以直接影響鋼板的低溫沖擊性能。其中，碳元素是以間隙式固溶強化的元素存在于鋼水中的，間隙式固溶強化的效果對鐵素體基體的強化效果比較大，所以鋼板的強度隨著碳含量的增加而提高，但是碳元素會造成鋼板的塑性、韌性下降。硅元素、錳元素是以置換式固溶強化元素存在于鋼水中的，它們的強化效果較弱，對塑性、韌性影響也比較小。硫元素、磷元素是殘存在鋼中的有害元素，尤其是磷元素，會使鋼板產生藍脆現象，影響鋼板的低溫沖擊性能，故要盡量降低硫元素和磷元素的含量[1]。

從表1中可以看出，5個試樣的化學成分沒有較大差異，各個化學元素的含量均在標準和內控范圍之內，其中硫元素和磷元素含量處于較低水平，有利于形成較好的力學性能。

從表2中可以看出，5個試樣的力學性能尤其是低溫沖擊性能差異較大。表1已經說明5個試樣的化學成分沒有較大差異，這說明Q345E樣品的化學成分并不是造成鋼板低溫沖擊性能偏低的主要原因。

1.2 終軋溫度

表3為Q345E鋼板的軋制工藝參數。從表2、表3可以看出，2#試樣和3#樣品的化學成分相差不大時，終軋溫度較低的3#樣品晶粒尺寸比較均勻細小，帶狀組織級別較小，低溫沖擊性能比較好。

這是由于終軋溫度較高的時候，奧氏體充分地進行再結晶，晶粒長大，在相變后得到粗大的奧氏體晶粒，使鋼板的力學性能變差，降低鋼板的低溫沖擊性能。終軋溫度較高，還會使鋼板表面產生氧化鐵皮，影響鋼板的表面質量。因此在軋制低合金高強度鋼板Q345E時，終軋溫度應高于Ar3線約50~100℃，以便在終軋以后使鋼板迅速冷卻到相變溫度，獲得細小的晶粒組織，使鋼板的強度及塑韌性提高[2]。

1.3 終冷溫度

由表3可以看出，1#樣品、3#樣品及4#樣品的化學成分、開軋溫度、終軋溫度及開冷溫度相差不大，終冷溫度分別為580、670及730℃。其中，1#樣品的延伸率不合格，屈服強度和抗拉強度明顯比3#和4#樣品高。這是由于1#樣品終冷溫度較低，易形成貝氏體組織，導致強度較高、韌性較低。3#樣品工藝執行情況較好，從力學性能上，鋼板強度和低溫沖擊性能都比較好。4#樣品沒有經過層流冷卻，屈服強度和抗拉強度比3#樣品低，從金相組織上看，帶狀組織稍微嚴重，為3.5級，但由于其終軋溫度較低，所以晶粒度也達到9級，但是低溫沖擊性能沒有3#樣品的好。

終冷溫度過高會降低鋼板的低溫沖擊性能值，而比較低的終冷溫度對鋼板的沖擊值提高影響不大，但是會影響鋼板的板形[3]。綜合以上考慮，比較合適的終冷溫度應該控制在670℃左右。

1.4 道次壓下率

表2 Q345E鋼板的力學性能及帶狀級別和晶粒度尺寸

表3 Q345E鋼板軋制工藝參數/℃

有文獻表明，道次壓下率也會對Q345E鋼板的低溫沖擊性能有一定的影響，低溫沖擊性能合格的鋼板壓下率一般為15%，最大的道次壓下率最好不要超過30%。而低溫沖擊韌性不合格的鋼板壓下率比較低，一般為10%左右，且隨著道次壓下量的降低，高強度鋼板的平均沖擊性能也隨之降低。道次壓下量較小，軋制的道次就會增加，不利用控制溫度和鋼板的板型。

因此鋼板在粗軋階段，為了避免晶粒過分長大，道次壓下率應該控制在15%~20%，其原因是增加道次壓下量后，晶粒的尺寸有所減小，鋼板的各項異性也有所改善，使鋼板的強度及塑韌性顯著提高[4]。

1.5 金相組織

從表2可以看出，4#樣品的帶狀組織最嚴重，4#樣品的帶狀組織如圖1所示，其低溫沖擊性能值和 2#、3#、5#樣品相比最低，組織也沒有 2#、3#、5#樣品均勻。

帶狀組織的產生多由成分偏析所引起，成分偏析越嚴重，帶狀組織也越嚴重。帶狀組織中鐵素體和珠光體交替呈層狀分布，造成鋼板的組織不均勻，使鋼板產生明顯的各向異性，影響鋼板的性能，降低鋼板的低溫沖擊韌性。

對于2#、3#、5#樣品，在帶狀組織級別相同的情況下，晶粒度級別最低的2#樣品低溫沖擊性能值最低，說明晶粒度的大小會影響鋼板的低溫沖擊性能。從理論上分析，樣品的晶粒度級別越高，晶粒就越細小，單位體積中包含的晶粒數量就越多，試樣在軋制過程中形變時，變形量就分散在更多的晶粒中，從而產生較為均勻的塑性變形，避免出現應力集中的情況而引發裂紋產生。同時，晶粒細化使得晶界的面積增大，增強晶粒之間的結合力及位錯密度可以提高鋼板的低溫沖擊性能。

圖1 4#樣品的帶狀組織

1.6 金相及掃描電鏡分析

利用金相顯微鏡和掃描電鏡對低溫沖擊性能值低的1#鋼板基體夾雜物和沖擊斷口進行觀察，基體夾雜物的照片及低溫沖擊斷口掃描圖片和能譜分析見圖2。

圖2 1#樣品基體夾雜物照片及夾雜物掃描圖片和能譜分析

對基體夾雜物進行檢測，A類夾雜物為2.5級，如圖2（a）所示，Ds類夾雜物為1.0級；從沖擊斷口的低倍照片可以看出，沖擊斷口有明顯的纖維區、擴展區和剪切區，低倍形貌如圖2（b）所示；放大觀察，纖維區較大的韌窩中存在碎裂的MnS夾雜，形貌及能譜分析如圖 2（c）、圖 2（d）所示。

硫化錳夾雜物對于鋼板的沖擊性能影響很大，因為MnS夾雜物在軋制過程中會沿著軋制方向隨著鋼板一起變形，會引起鋼板的各向異性，降低鋼板的橫向性能，影響Q345E鋼板的低溫沖擊性能。

2 改進措施

綜合以上試驗檢測分析發現，鋼中的夾雜物、帶狀組織、貝氏體硬相組織及晶粒度等因素都會影響Q345E鋼板的低溫沖擊性能，要減少以上因素對鋼板低溫沖擊性能的影響，結合生產實際，某廠家采取了以下幾個措施。

嚴格控制冶煉過程中磷元素、硫元素的含量。在煉鋼過程中采用合適的脫氧制度，促進大顆粒夾雜物的形成，使其充分的上浮；在脫氧和吹氬后，確保有足夠的鎮定時間可以排除細小的夾雜物；在出鋼時應經常調整出鋼口，避免鋼流的發散；澆注時可采用保護澆注或真空澆注；連鑄時，可采用插入式長水口澆注，盡量減少硫化錳夾雜物。

應加快結晶速度，或采用電磁攪拌技術或凝固末端輕壓下技術等來降低成分偏析。

增加粗軋道次的壓下率，進而得到細小的晶粒，提高鋼板的綜合力學性能。

降低Q345E鋼板的精軋開軋溫度，進而降低終軋溫度，細化奧氏體的晶粒尺寸，避免出現貝氏體等不利于Q345E鋼板低溫沖擊性能的硬相組織。

Q345E鋼板軋后應使用層流冷卻技術，加大Q345E鋼板的冷卻強度，弱化Q345E鋼板的帶狀組織，改善其低溫沖擊性能。

某廠家在生產實踐過程中使用改進措施后，Q345E鋼板的低溫沖擊性能大大提高，低溫沖擊性能平均值由74J提高到147J，取得了較好的實際生產效果。

3 結論

Q345E鋼板低溫沖擊性能較低的主要原因是由鋼中夾雜物、帶狀組織、貝氏體硬相組織及晶粒度等。通過控制鋼中夾雜物、減輕成分偏析、提高粗軋道次壓下率、降低終軋溫度、采用層流冷卻技術加大鋼板冷卻強度等措施，明顯改善了Q345E鋼板低溫沖擊性能。