低合金高強度結構鋼貝氏體產生原因分析

李鳳麗，路晨龍，韓 斐

（天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津300352）

0 引言

某公司軋制生產Q355B 板材，夜間班次共軋制14 爐，規格由 5.75 mm×710 mm 到 11.35 mm×710 mm 不等，在送檢力學性能試驗后，統計結果發現大批量試樣有斷后伸長率降低現象，同比正常批次斷后伸長率平均降低3.21%，屈服強度、抗拉強度均有不同程度的上升趨勢。Q355B 板材通常用于壓力容器或加工成矩形管進行應用于橋梁等，板材的塑性指標下降，導致材料變形能力降低。為避免Q355B板材在加工卷管過程中由于塑性不足導致開裂失效發生，需要查找板材力學性能異常原因。通過對Q355B 板材的金相和化學等檢驗結果的全面分析，發現軋制過程中控冷不當是導致Q355B 板材斷后伸長率降低現象的主要原因，并追溯現場工藝進行確認，提出工藝優化建議。

1 力學試驗

在執行標準GB/T228.1-2010，方法A，10.3.2（應變速率=0.00025s-1），10.3.4（應變速率=0.0067s-1）的條件下，做力學拉伸試驗，試驗結果表示該批次共計14 爐板材的斷后伸長率結果明顯降低，斷后伸長率數據平均值與正常批次的斷后伸長率試驗結果相比降低了3.21%，同時屈服強度及抗拉強度均有不同程度的上升趨勢，計算得平均屈強比為0.77，相比正常批次平均屈強比0.74 降低0.03，材料的塑性指標下降，見表1、2。

表1 問題批次力學性能

表2 正常批次力學性能

2 金相檢驗

一般正常生產情況下，Q355B 板材的碳含量≤0.24，正常生產板材碳含量一般處于0.17 左右，熱軋態組織為鐵素體+珠光體，見圖1。

圖1 正常板材顯微組織1000x

在問題板材橫截面上制取金相試樣，使用4%的硝酸酒精進行侵蝕后，光鏡下觀察。該試樣基體組織為鐵素體+貝氏體+珠光體，其中在整個板材截面上分布有不同嚴重程度的貝氏體組織，近板材表面處貝氏體分布尤為嚴重，近板材表面組織為先共析鐵素體+貝氏體，幾乎無珠光體組織，在先共析鐵素體后直接發生貝氏體轉變，未發現共析珠光體組織，見圖2, 圖3。自板材表面逐漸向心部觀察，接近心部開始出現部分共析珠光體組織，見圖4。

圖2 板材表面顯微組織100x鐵素體+貝氏體

圖3 板材表面顯微組織1000x鐵素體+貝氏體

圖4 板材心部顯微組織1000x鐵素體+貝氏體+珠光體

貝氏體組織為過冷奧氏體在臨界點以下中溫區域（Ms-550 ℃）所轉變的產物，在C 曲線鼻部（550 ℃）與Ms 點之間的范圍內，過冷奧氏體等溫分解為貝氏體。相比于珠光體，貝氏體的轉變溫度更低，擁有更高強度的同時也會降低一定的塑性，這主要是由于過冷奧氏體等溫分解過程中貝氏體鐵素體位錯的位置上碳原子堆積，影響了組織的位錯密度，而位錯密度為導致該組織性能增強一種機制。同時位錯線、Fe 晶格強度和溶質原子對位錯運動的阻礙也會促進組織性能的增強[1]。因此認為嚴重的貝氏體組織是此批板材屈服強度、抗拉強度升高，斷后伸長率降低的直接原因。

3 貝氏體產生原因分析

3.1 顯微組織

在日常軋制生產過程中，Q355B 板材表面處過冷奧氏體在連續冷卻過程中進行先共析鐵素體+貝氏體的轉變。板材斷面顯微組織顯示：其外表面為貝氏體（大量）+先共析鐵素體，向心部觀察貝氏體開始有逐步減少趨勢，心部出現珠光體組織，貝氏體與珠光體組織均勻相間分布。由此推測造成板材強度上升、塑性下降的主要原因是軋制過程中過冷度較大，導致板材表面冷卻強度加大，因此形成先共析相鐵素體后未發生珠光體轉變，而是直接發生貝氏體轉變。板材表面相比心部貝氏體分布更加嚴重，貝氏體轉變發生在軋制生產過程中的層冷后半部分與板材卷曲區間。

3.2 化學成分

在力學試驗后斷裂試樣上做化學成分，將問題板材和正常板材化學成分進行對比發現，問題板材化學成分中的Si、Mn 元素含量均不同程度高于正常板材，見表3。合金元素含量的升高會對過冷奧氏體的穩定性造成一定影響，相比正常板材，問題板材化學成分中的Si、Mn 合金元素含量更高，其中Si 元素含量為0.39%，Si 元素含量趨于內控標準上限0.40%。問題板材與正常板材相比，合金元素升高，過冷奧氏體穩定性受影響，導致C 曲線右移（相對正常板材更靠右），在相同的過冷度、轉變時間下，問題板材在析出先共析相鐵素體后進入珠光體轉變區間后，冷卻曲線最終未能同珠光體轉變終了曲線相交，過冷奧氏體未完全共析轉變為珠光體，進而步入貝氏體轉變區間，部分過冷奧氏體最終轉變形成貝氏體組織。同時發現問題板材的熔煉成分Si，P，Cr 元素含量與成品成分（軋制后試驗試樣）有較大差異，推測與鑄坯化學成分元素的不均勻分布有關。

表3 板材化學成分對比/%

3.3 現場工藝

終軋溫度，冷卻方式，卷曲速度，以及卷曲溫度均會對板材的金相組織造成影響，正常板材現場工藝終軋溫度基本控制在850～900 ℃之間，卷曲溫度控制在640±20 ℃。追溯現場工藝，調查發現問題板材是在夜間開始軋制，終軋溫度基本控制在850～870 ℃之間，同時卷曲溫度控制為620 ℃，趨于標準卷曲溫度下限（640±20 ℃）。相比之下，問題板材的過冷度明顯高于正常板材，在合金元素含量較高，且過冷度更大的情況下，問題板材中過冷奧氏體更容易發生貝氏體組織轉變。

4 結論

（1）嚴重的貝氏體組織是此批板材力學性能發生屈服強度、抗拉強度升高，斷后伸長率降低的直接原因。因此避免板材表面產生嚴重的貝氏體組織是提高板材力學性能的主要措施。

（2）軋制過程中過冷度較大是導致貝氏體組織產生的主要原因，通過提高卷曲溫度，減小溫度差以及降低冷速均可以不同程度上緩解貝氏體的形成。同時調查發現該批板材在夜班進行軋制，當日夜間天氣有較大降溫情況，突然降溫對軋制過程中板材的冷卻速度會造成一定影響。今后在遇到夜間天氣有較大降溫情況時，可適當控制水流量降低板材軋制冷卻速率，但要保證側流水流量。

（3）問題板材的熔煉成分與成品成分（拉伸斷裂試樣處）的Si，P，Cr 元素含量有一定差異，因此需要合理的控制合金元素的均勻分布，減少成分的不均勻性和偏析。合金元素含量較高處會過冷奧氏體穩定性會受到影響，C 曲線右移,影響最終的金相組織。因此需合理控制合金元素含量的穩定，盡量避免合金元素含量位于標準上、下限區間。