合金元素對SPA-H耐候鋼顯微組織和低溫沖擊韌性的影響

陳江風，周學俊，黃 峰，甘章華，王晶晶，李具中

（1.武漢科技大學材料與冶金學院，武漢430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司，武漢430083）

0 引 言

耐海洋性氣候腐蝕鋼板（簡稱“耐候鋼”）是制造集裝箱的主要材料，其中熱軋SPA-H鋼板因具有良好的耐蝕性而成為集裝箱制造業用量最多的鋼種之一［1］。最近幾年，為了增加集裝箱市場的競爭力，減少SPA-H鋼中銅、鎳元素的含量成為降低其成本的首要考慮途徑。另外，JIS G3125：2004《耐高大氣腐蝕軋制鋼材》中并未對SPA-H鋼中的鎳含量規定下限，因此有進一步研究降低該鋼中鎳含量的可能性。銅是耐候鋼中的重要元素，其在熱軋過程中的析出能有效提高鋼的強韌性匹配［2-3］；此外，銅還能顯著提高鋼的耐蝕性［4-5］。硅在鋼中的主要作用是提高強度［6］，但它會降低鋼的韌性和耐蝕性。然而最近有文獻指出，當硅的質量分數在3%以下時，隨硅含量增加，鋼的耐蝕性能會增強［7］。因此，從強度和耐蝕性角度來看，在耐候鋼中以硅取代部分銅是可能的。但是，從韌性角度來看，增加硅含量以及將鎳的質量分數降至0.25%以下則可能會惡化鋼的低溫沖擊韌性［8-12］。因此，有必要研究這三種合金元素含量對鋼沖擊韌性的影響，但目前有關此方面的研究報道并不多。因此，作者通過L9（34）的三因素三水平試驗方案設計了9種銅、硅、鎳含量不同的SPA-H鋼，在實驗室進行熔煉和軋制，并進行了-40℃的低溫沖擊測試，研究了這三種合金元素影響SPA-H鋼低溫沖擊韌性的主次順序，為進一步降低集裝箱耐候鋼的生產成本提供借鑒。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

選取SPA-H耐候鋼中的三種主要合金元素（銅、硅、鎳）作為關鍵控制因素，每個因素確定三個水平，構成三因素三水平的正交試驗方案，如表1所示。

表1 9種試驗鋼中合金元素含量的正交設計表Tab.1 Orthogonal table of content of alloy element in nine kinds of experimental steel %

在實驗室采用真空感應爐進行熔煉得到鋼坯，熔煉溫度為1 560℃，經2道粗軋和4道精軋后最終得到6mm厚的鋼板。主要軋制工藝參數如表2所示。試驗鋼中酸溶鋁的質量分數為0.02%，其它合金元素的質量分數如表3所示。

表2 主要的軋制工藝參數Tab.2 Main rolling process parameters

表3 試驗鋼中其它主要合金元素的質量分數Tab.3 Mass fraction of other main alloy elements in experimental steel %

1.2 試驗方法

沿已經軋制好的試驗鋼板橫向切取V形缺口沖擊試樣，沖擊試樣的尺寸為5mm×10mm×55mm，然后在JB-30B型沖擊試驗機上參考GB 229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，采用過冷法，在-40℃進行試驗。參照GB／T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定及標準評級圖顯微檢驗法》在垂直于鋼板橫向制取金相試樣，取樣面積為200mm2，取樣位置為四分之一寬度處，試樣經砂紙打磨、機械拋光處理后，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕；然后采用XJL-02A型光學顯微鏡（立式）在100倍下選取100個0.50mm2的正方形視場，通過MIAPS軟件對夾雜物的大小和所占面積進行統計分析；采用Nova 400Nano型場發射掃描電鏡（SEM）觀察夾雜物的形貌，并采用掃描電鏡附帶的能譜儀（EDS）分析夾雜物的化學成分。

2 試驗結果與討論

2.1 對顯微組織和夾雜物的影響

由圖1可知，9種試驗鋼的顯微組織均由鐵素體和珠光體構成。利用圖像分析軟件對50個金相視場進行統計發現，9種試驗鋼的晶粒度均為6級，珠光體的面積分數均在8%左右（見表4），差別很小。將合金元素折算成碳當量，發現最大值和最小值僅相差0.06%。可見，試驗條件下合金元素對珠光體的影響不大。

表4 9種試驗鋼中珠光體的面積分數Tab.4 Area fraction of pearlite in nine kinds of experimental steels %

9種試驗鋼中夾雜物的種類和形態相同，均為球狀和鏈狀的Al2O3夾雜物，如圖2所示。MIAPS軟件分析結果顯示，試驗鋼中尺寸為2～4μm的夾雜物占全部夾雜物面積分數的95%以上。由文獻［13-16］可知，影響試驗鋼沖擊韌性的主要原因是夾雜物的含量。試驗鋼未經過后續的夾雜物改性處理，故而非金屬夾雜物含量嚴重超標。

9種試驗鋼中夾雜物含量的差別比較明顯，1＃試驗鋼和9＃試驗鋼中夾雜物的面積分數較大，分別0.91%和1.61%；4＃試驗鋼和8＃試驗鋼中的相對較小，分別為0.14%和0.16%，如表5所示。

圖1 9種試驗鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of experimental steels 1＃（a）-9＃（i）

圖2 試驗鋼中Al2O3夾雜物的SEM形貌及相應的EDS譜Fig.2 SEM morphology（a），（c）of inclusion Al2O3in experimental steels and the corresponding EDS spectra（b），（d）：（a），（b）spherical inclusion and（c），（d）chain-like inclusion

表5 9種試驗鋼中Al2O3夾雜物的面積分數Tab.5 Area fraction of inclusion Al2O3in nine kinds of experimental steels %

2.2 對低溫沖擊性能的影響

以低溫沖擊韌性作為分析指標，如表6所示，計算相應的平方和及極差，使銅、硅、鎳配合得到最優化的合金成分。將每個因素不同水平的平均沖擊功做直觀圖，如圖3所示，可見三個因素對低溫沖擊功的影響從大到小的順序為硅、鎳、銅。當硅的質量分數由0.6%增加到0.9%時，沖擊韌性略有提高，之后繼續增加硅的含量，沖擊韌性急劇降低；銅對沖擊韌性的影響趨勢與硅的相似；當鎳的質量分數由0增至0.06%時，沖擊韌性顯著增大，進一步增加鎳含量，沖擊韌性增加的相對不明顯。初步確定當含0.25%Cu，0.9%Si，0.12%Ni時試驗鋼具有最優的沖擊韌性。

圖3 銅、硅、鎳含量對低溫（-40℃）沖擊功的影響Fig.3 Effects of the contents of Cu（a），Si（b）and（c）Ni on impact energy at low-temperature（-40℃）

表6的數據表明試驗結果具有一定的波動性，為了進一步檢驗各因素的影響程度，還需要進行方差分析，如表7所示。如果某因素的顯著性檢驗值F大于正交理論中的Fα（fi，fe）參數，則表明該因素對該指標的影響是顯著的，否則不顯著，并且此因素的顯著可信度為（1-α）%。

表6 正交實驗結果Tab.6 Orthogonal experimental results

表7 沖擊功的方差分析Tab.7 Variance analysis of impact energy

表6中Kij的i（i＝1，2，3）為三個水平，j（j＝1，2，3）為三個因素；y1，，y2，y3分別為三個平行樣的沖擊功，為三個平行樣沖擊功的平均值。Kij，分別為j因素i水平9組試樣對應的所有沖擊功之和以及和的平均值。Rj為第j個因素不同水平下的極差，它的計算公式為：

Rj＝（K1j＋K2j＋K3j）max-（K1j＋K2j＋K3j）mix（1）

表1所示的正交設計表的列數未填滿，故選用三個因素中偏差平方和最大的一個做為第一類誤差，即Se1，第二類誤差Se2為重復取樣誤差，Se2＝（N 為試驗次數，K 為水平數），其中Se＝Se1＋Se2；每個因素的自由度fi＝水平數-1，第二類誤差因素的自由度為fe2＝試驗次數×（重復試驗次數-1）。根據正交理論可知，F0.005（2，20）＝6.9，F0.025（2，20）＝4.46。因計算的 F 值為4.89，大于F0.025（2，20），可知硅是影響沖擊韌性的顯著因素，可信度為97.5%，這說明數據是可信的。

2.3 對低溫沖擊韌性的影響機理

在9種試驗鋼中，合金元素對晶粒尺寸和珠光體含量的影響不大，因試驗鋼顯微組織而導致的沖擊韌性的變化較小。在常溫下，硅在基體中的固溶度為18.5%［17］，試驗鋼中1.2%（質量分數）的硅均固溶在鐵素體基體中，當硅的質量分數從0.9%升至1.2%時，固溶在鐵素體中的硅使鐵素體的韌性急劇下降，3＃試驗鋼、6＃試驗鋼、9＃試驗鋼的沖擊功分別為52.8，35.7，39.4J，遠低于4＃試驗鋼（67.6J）和5＃試驗鋼（63.3J）的。雖然1＃試驗鋼和7＃試驗鋼中的硅含量很少，但它們的沖擊功均比4＃試驗鋼的低很多，這主要是因為1＃和7＃試驗鋼中夾雜物的面積分數分別高達0.91%和0.80%，明顯多于4＃試驗鋼中的（0.14%）。在基體變形過程中，Al2O3脆性夾雜物與基體界面會產生應力集中或者Al2O3脆性夾雜物破碎，形成微裂紋，大大惡化了試驗鋼的沖擊性能。試驗鋼的沖擊性能由顯微組織和夾雜物共同決定。

3 結 論

（1）9種試驗鋼的晶粒度均為6級，珠光體的面積分數約為8%，合金元素對顯微組織的影響不大。

（2）合金元素對試驗鋼沖擊韌性有明顯影響，且影響程度從大到小的次序為硅、鎳、銅。

（3）當硅的質量分數由0.9%增加至1.2%時，沖擊韌性顯著下降；銅對沖擊韌性的影響趨勢與硅的相似；當鎳的質量分數從0%增加至0.06%時，沖擊韌性顯著增加，進一步增加鎳的含量，沖擊韌性增加得不明顯；可以確定含有0.25%Cu，0.9%Si，0.12%Ni的試驗鋼具有最好的沖擊韌性。

（4）隨硅在基體中的質量分數從0.9%增加至1.2%，試驗鋼的低溫沖擊韌性大大降低；脆性Al2O3夾雜物的含量越多，試驗鋼的沖擊韌性越差；沖擊韌性是夾雜物和顯微組織綜合作用的結果。

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