脫氧工藝對普通碳素鋼力學性能的影響

張 平，廖忠，羅朝陽,2*，涂小龍

（1.達州職業技術學院，四川 達州 635001；2.達州市經濟和信息化委員會，四川 達州 635001；3.武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢 430000）

普通碳素鋼Q195和Q235可根據其滿足不同溫度的沖擊性能分為四個質量等級，而采用不同的脫氧方式在很大程度上決定著其質量等級。常用于普通碳素鋼的脫氧方式為Si-Mn脫氧和Si-Al脫氧，而一些改進的脫氧方式，如Al-Ti脫氧和Ti-Zr復合脫氧[1-7]，則常常用于高強低合金鋼的生產。

本文試圖對普通碳素鋼的生產引入改進的脫氧方式而提高其強度等級及質量等級。本文作為一個初步的研究采用了Ti脫氧的方式，測試了不同脫氧條件下普通碳素鋼的力學性能，為碳素鋼生產工藝的改進提供了思路。

1 試驗材料及方法

試驗采用真空熔煉的方式得到3組材料，其主要的化學成份如表1所示。1#試樣采用常規的脫氧方式，2#試樣采用Ti脫氧的方式，3#試樣在Ti脫氧的方式的基礎上增加了合金元素的含量。1#和2#試樣的對比用于分析不同脫氧方式對普通碳素鋼力學性能的影響，2#和3#試樣的對比用于研究在Ti脫氧的條件下合金元素的增加是否還會起到相應的增加普通碳素鋼力學性能的作用。

真空熔煉出來的鋼錠經1250℃保溫兩小時，冷至1050℃進行第一階段的軋制，總下壓量為63%。當溫度降至950℃時，進行第二階段的軋制，總下壓量為60%，然后空冷，最后形成板厚11mm的鋼板。

截取的試樣經拋光、4vol.%硝酸酒精腐蝕后，利用金相顯微鏡進行觀察。拉伸試驗與10mm厚夏比沖擊試驗根據GB/T 2975標準取樣，沖擊溫度為-20℃。沖擊斷口用掃描電鏡（SEM）進行觀察與分析。

表1 材料的化學成份（Wt.%）

2 試樣結果

（1）顯微組織

制備的普通碳素鋼的顯微組織如圖1所示。3種材料的顯微組織全部為鐵素體，1#試樣中鐵素體的平均尺寸約為50μm，2#試樣約30μm，而3#試樣約40μm.

（2）力學性能

表2和表3分別為3種材料的強度測試結果與沖擊測試結果。采用常規脫氧工藝時，普通碳素鋼屈服強度大于224Mpa，-20℃平均沖擊功為28J，而采用Ti脫氧工藝的普通碳素鋼屈服強度大于283Mpa，-20℃平均沖擊功為222J，當Ti含量繼續增加時，其強度值并沒有增加，但-20℃平均沖擊性能降至148J。

表2 試樣的力學性能

表3 試樣的沖擊性能

（3）沖擊斷口分析

1#試樣與2#試樣的沖擊斷口如圖2所示。1#試樣主要為解理斷面，只在破斷區有少量韌窩斷面，而2#試樣主要為韌窩斷面，只在起裂區有少量解理斷面。1#與2#試樣斷口的韌窩尺寸沒有明顯區別。

圖1 試樣的顯微組織(a)1#, (b)2#, (c)3#

圖2 沖擊斷口分析1# (a)斷口形貌 (b)解理斷面，(c)韌窩斷面；2# (d)斷口形貌，(e)解理斷面，(f)韌窩斷面

3 討論

通過細晶強化的理論公式[8]可計算出1#、2#和3#材料的細晶強化貢獻分別約為80、104和90MPa。但當采用Ti脫氧工藝時，強度提高約70MPa,這主要是因為Ti的加入會在基體中產生微細粒子，微細粒子在抑制晶粒長大的同時，自身還會產生沉淀強化效應。

2#試樣較1#試樣的低溫沖擊性能明顯提高主要是晶粒細化的效果與Ti脫氧工藝下材料高的純凈度。而3#試樣較2#試樣低溫沖擊性能的降低，主要歸因于Ti含量增多導致其在晶界的偏析。

值得提到的是，有學者也指出[9]即使碳素鋼中Ti含量只有0.015wt.%也能極大的提高低溫沖擊性能，可見采用Ti脫氧的工藝能顯著的提高碳素鋼的力學性能。

本文所提供的是Ti脫氧的工藝思路，其它的脫氧方式，如Al-Ti脫氧和Ti-Zr復合脫氧，也可成為提高碳素鋼力學性能的思路。

4 結論

Ti脫氧的生產工藝能顯著提高普通碳素鋼的力學性能。采用常規脫氧方式時，普通碳素鋼屈服強度大于224Mpa，-20℃平均沖擊功為28J，而采用Ti脫氧工藝。

當Ti含量為0.05wt.%時，屈服強度大于283Mpa，-20℃平均沖擊功顯著提高到222J，這主要歸因于Ti的加入在提高純凈度的同時，會在基體中產生微細粒子，微細粒子會抑制晶粒長大的同時，自身還會產生沉淀強化效應，而當Ti含量增加至0.10wt.%時，但-20℃平均沖擊性能降至148J，這主要歸因于Ti含量增多導致其在晶界的偏析。Ti脫氧的工藝思路為其它脫氧方式在普通碳素鋼中的應用提供了思路。