熱軋高強鋼低溫沖擊功偏低的原因分析

王墉哲，劉俊亮，丁 晨

（寶山鋼鐵股份研究院分析測試研究中心，上海201900）

0 引 言

輕量化、節能減排是當今汽車發展的主要方向，其中提高汽車用鋼板強度是實現此目標最有效的方法之一［1］。提高鋼板強度常用的材料強化方式有固溶強化、析出強化、相變強化、細晶強化等。目前熱軋高強鋼主要采用低碳含量的微合金鋼，并采用錳、鈦等元素固溶強化來提高鋼板的強度。

高強鋼除了要具有500MPa以上屈服強度外，也應具有較高的韌性。因此沖擊性能也是高強鋼出廠時必須考慮的指標。通常來說，強度的提高意味著韌性的降低，所以隨著高強鋼強度的提高，韌性也會降低。同時由于熱軋高強鋼組織比較復雜，因此其沖擊功存在不穩定的現象，即使化學成分和生產工藝相同的鋼，其不同部位的沖擊功相差也較大。

鋼的性能與顯微組織密切相關，關于常規組織如多邊鐵素體/珠光體的晶粒尺寸、珠光體片層間距等對鋼沖擊功的影響已有較多研究［2-3］。同時鋼板的化學成分、夾雜物和有害元素（砷、錫、鉛、銻、鉍）等對鋼沖擊功影響也較大［4-5］。此外，熱處理溫度和加工條件等對鋼沖擊功也有影響［6-7］。為解決此類高強鋼沖擊功不穩定或偏低的問題，作者通過對某熱軋高強鋼沖擊試樣進行顯微組織分析和電子探針面分布分析，研究了導致鋼板低溫沖擊功較低的主要原因。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料取自某廠生產的700MPa級熱軋高強鋼板，鋼板厚度10mm，其化學成分如表1所示。在鋼板的邊部和中心處分別取兩組尺寸為10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口橫向沖擊試樣N1和N2，V型缺口沿厚度方向。采用ZCJ100型落錘沖擊試驗機，依照GB/T 229《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》在-20℃進行沖擊試驗，結果取3個試樣平均值。由表2可見，N1試樣沖擊功均低于標準要求的40J。

采用ZEISS Ultra 55型掃描電鏡（SEM）對沖擊斷口進行觀察；沿平行于軋制方向切取金相試樣，經研磨、拋光后用體積分數3%硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用LEICA 600M型光學顯微鏡觀察顯微組織。使用JXA-8230型電子探針對沖擊試樣截面進行元素面分布分析。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of test steel（mass） %

表2 試樣在-20℃下的沖擊功Tab.2 Impact energy of samples tested at-20℃ J

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見，N2試樣沖擊斷口形貌呈典型的韌性斷裂特征，斷口中可見較多韌窩，韌窩的底部較潔凈，未見夾雜物存在，韌窩的尺寸也較大，所以N2試樣的塑性較好，沖擊功較高；而N1試樣沖擊斷口則為典型的脆性解理形貌，無明顯塑性變形，同時在其1/2厚度處有明顯斷裂源，斷口上分布有較多的二次裂紋，也未見夾雜物存在。通常情況下沖擊試樣斷口除了斷口底部的斷裂源外，一般由纖維區、放射區和剪切唇三部分組成，如N2試樣斷口所示。斷口上這三個區域所占比例的大小，標志著鋼材韌性的優劣。而N1試樣沖擊斷口形貌上這三個區域并不明顯，主要以脆性斷裂為主，所以沖擊功較N2試樣的低。

圖1 N1、N2試樣沖擊斷口的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of the fractures of N1and N2specimens：（a）N1specimen at low magnification；（b）N1specimen at high magnification；（c）N2specimen at low magnification and（d）N2specimen at high magnification

由圖2可見，兩個試樣的顯微組織都主要為針狀鐵素體和多邊鐵素體。在N1試樣板厚度的1/2處發現有黑色偏析帶貫穿整個視場，偏析帶組織主要為珠光體。N1試樣斷口的裂紋正是沿偏析帶開裂并延伸的。N2試樣的沖擊功較高，在顯微組織中只可見顏色較淺的珠光體偏析帶，但偏析帶較分散、不連續，較N1試樣的輕。珠光體偏析帶的存在會明顯降低鋼材的塑性和冷成型性能，以及阻止裂紋擴展能力，并可能使得韌脆轉變溫度升高，從而使鋼的低溫沖擊韌性變差［3］。

圖2 N1和N2試樣縱截面的顯微組織Fig.2 Microstructure of vertical section of N1（a）and N2（b）specimens

從圖3可以看到，在N1試樣珠光體偏析帶上及其附近還有較大顆粒狀夾雜物，能譜分析表明，顆粒夾雜物主要成分是TiC和NbC，同時還含有鐵、錳、硫、鈣、鋁等成分。這些尺寸在2～6μm的含鈦、鈮夾雜物由于尺寸較大已起不到強化的作用，相反因為在軋制過程中難以變形而容易在基體中引起微裂紋，降低鋼板的韌性。

圖3 N1試樣中夾雜物的SEM形貌和EDS譜Fig.3 SEM morphology（a）and EDS pattern（b）of inclusions in the N1specimen

2.2 元素面分布

從圖4可見，N1試樣中心偏析帶主要是碳元素偏析即珠光體偏析，同時還有較為嚴重的錳元素偏析，因為此鋼種中錳的含量（質量分數）在1.55%～1.70%，所以極易引起偏析。低合金鋼鑄坯經酸腐蝕后可見，錳偏析主要表現為鑄坯組織中心的白線與黑線，鋼的鑄態組織中樹枝間富含溶質（錳元素），而樹枝干富鐵，成分較純［7-8］。在連鑄坯冷卻過程中，錳含量較高會影響奧氏體向鐵素體的轉變溫度，奧氏體先析出鐵素體時，鐵素體將在較純的樹枝干上形核并長大，而富含錳等溶質的樹枝間就形成了珠光體，且錳、碳等元素易在鑄坯中心區域富集，所以會最終導致鋼板中心區域形成較寬的珠光體偏析帶［9］。

從圖4還可見，在珠光體偏析帶上有較多尺寸在2～6μm的鈦和鈮顆粒夾雜物。試驗用的高強鋼正是采用鈦和鈮等元素析出進行強化的，但是當TiC顆粒較大時（大于0.5μm）［10］，它們既不能阻止奧氏體晶粒長大，也不會起到沉淀強化的作用，相反這些大的顆粒在連鑄過程中很難消失，且TiC是一種堅硬的菱形不變形夾雜物，所以在軋制過程中極易在與基體的交界處產生微裂紋，從而使軋板的沖擊韌性下降。

圖4 N1試樣中心偏析帶碳、錳、鈦、鈮元素面掃描結果Fig.4 Element section distribution of C，Mn，Ti，Nb in the center segregation band of N1specimen

3 結 論

（1）該700MPa級熱軋高強鋼低溫沖擊功不穩定、沖擊韌性較低的主要原因是在鋼板厚度1/2處有比較嚴重的珠光體偏析帶。

（2）沖擊功較低試樣的珠光體偏析帶上均有錳元素偏析，該高強鋼中錳含量較高，板中心富錳溶質，是導致中心產生珠光體偏析的原因。

（3）中心偏析帶上分布有尺寸較大的TiC和NbC等顆粒夾雜物，軋制時容易在基體中產生微裂紋，從而降低鋼板的沖擊韌性。

［1］衣海龍，王曉南，王國棟.701MPa級熱軋高強鋼的組織性能［J］.東北大學學報，2009，30（10）：1421-1428.

［2］李冰，高珊，張才毅.微觀組織對一種高強度船板用鋼低溫沖擊韌性的影響［J］.寶鋼技術，2012（5）：23-28.

［3］ SCHINO A D，GUARNASCHELLI C.Microstructure and cleavage resistance of high strength steels［J］.Materials Science Forum，2010，638/642：3188-3193.

［4］衣海龍，麻慶申，杜林秀，等.顯微組織對X80管線鋼沖擊性能的影響［J］.機械工程材料，2009，33（7）：64-71.

［5］楊建維，劉軍會，耿兆明.Q345D鋼低溫沖擊不合格的分析和改進［J］.河北冶金，2011（5）：52-55.

［6］羅玉英，李松濤.影響1Cr13鋼沖擊韌性的幾個因素［J］.熱處理技術與裝備，2012，33（4）：7-11.

［7］唐明華，黃開有，胡雙開.亞溫淬火對石油套管用25MnV鋼沖擊韌性的影響［J］.機械工程材料，2012，36（9）：8-11.

［8］姚上衛.中心偏析對連鑄鋼及其HAZ沖擊性能的影響［J］.材料開發與應用，2005，20（2）：5-8.

［9］陳訓浩.中心偏析原因、危害、評定及預防［J］.冶金標準化與質量，1998（4）：12-17.

［10］YAMASHITA T，TORZUKA S，NAGAI K.Effect of Manganese segregation on fine-grained feerite structure in lowcarbon steel slabs［J］.ISIJ International，2003，43（11）：1833-1841.