鈮釩成分熱軋H型鋼翼緣落錘沖擊性能與斷口形貌分析

李令鋒，陳 輝,2，何軍委,2

((1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司；2. 工信部工業(車輪、H型鋼)產品質量控制和技術評價實驗室 安徽馬鞍山 243000)

近年來，隨著石油天然氣能源開發，熱軋H型鋼在油氣結構的應用領域不斷增多。尤其是對于一些高寒低溫地區，油氣能源的開發對耐低溫結構鋼材有了越來越多的要求。低溫熱軋H型鋼由于其沖擊韌性優良、加工便捷，是油氣平臺結構的優選材料。通常情況下，采用低溫沖擊試驗評價材料的耐低溫性能，但是隨著H型鋼的翼緣厚度的不斷增加，翼緣表面和心部的壓縮狀態導致整個翼緣的性能分布存在一定的差別，傳統采用標準沖擊試驗無法準確的反映出材料的真實低溫性能，而通過全翼緣厚度(或減薄)的落錘試驗來可以更有效準確的評估整體材料的低溫沖擊性能。

1 試驗方案

試驗選擇H808×302×16×30規格的兩種不同成分熱軋H型鋼作為試驗鋼，采用全厚度翼緣樣，試樣執行GB/T8363-2018標準，試樣加工尺寸為305(±5) mm×76.2(±1.5) mm，缺口大小為45°(±2°)V型，缺口深度為5.1(±0.5) mm，試樣鋼的化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼化學成分(wt %)

2 試驗結果

2.1 沖擊性能

由表2、圖1可知，1#、2#試樣鋼隨著沖擊溫度的降低，其剪切面積占比不斷下降，表面材料的低溫沖擊韌性也在逐漸降低。兩種試樣鋼在-20 ℃-20 ℃的低溫沖擊溫度區間，其低溫韌性基本保持平穩，當沖擊溫度小于-20 ℃時，兩者剪切面積均發生了顯著的下降。其中1#試樣鋼在-60 ℃-20 ℃時，1#試樣鋼的剪切面積明顯降低，在-60 ℃最小值僅為17%，同時表明2#試驗鋼的低溫沖擊韌性略好于1#試樣鋼。

表2 不同溫度下的落錘沖擊性能

2.2 顯微組織

由圖2、圖3、表3可知，兩種試驗鋼的顯微組織均為鐵素體+珠光體，鐵素體含量為72%-78%，尺寸為10 μm-34 μm。其中，其中1#試驗鋼的顯微組織均為鐵素體占比72%，尺寸為12 μm-34 μm ，2#試驗鋼的顯微組織均為鐵素體占比78%，尺寸為10 μm-30 μm ，相比較來說，兩種試樣鋼顯微組織存在細微差別，2#試樣鋼的鐵素體占比較高，組織相對細小。

表3 試驗鋼的顯微組織

圖1 不同落錘沖擊溫度下剪切面積

2.3 斷口形貌

由圖4-圖7可知，兩種試驗鋼的落錘沖擊斷口形貌均存在韌脆轉變特征，其中1#試驗鋼的落錘沖擊斷口在0-20 ℃均為韌性斷口，有明顯的細密的韌窩結構；-60 ℃-40 ℃時，斷口出現了準解離斷口形貌，表明材料在-40 ℃時已經出現了明顯脆性轉變。2#試驗鋼的落錘沖擊斷口在0-40 ℃為韌性斷口，有明顯的細密的韌窩結構；在-60 ℃時，斷口仍然具有韌窩特征，但是韌窩為大小不一的凹口狀，材料已經開始出現脆性的轉變趨勢。

圖2 1#試驗鋼顯微組織(×100、×100)

圖3 2#試驗鋼顯微組織(×100、×100)

圖4 1#試驗鋼落錘斷口形貌(×1000)

圖5 2#試驗鋼落錘斷口形貌(×1000)

3 結果分析

由以上結果可以看出，兩種試驗鋼的顯微組織均為鐵素體+珠光體組織，但是2#試樣鋼的鐵素體占比略高于1#試樣鋼，且平均晶粒尺寸相對細小。這表明低釩高鈮的添加效果比高釩低鈮的成分效果更加明顯，有利于組織轉變過程中鐵素體的形成和晶粒細化過程。同時，根據落錘沖擊結果表明，低釩高鈮成分可以有效降低材料的低溫沖擊韌性，擴大材料低溫沖擊溫度區間。

圖6 1#試驗鋼-20 ℃斷口宏觀形貌(×20、×100)

圖7 2#試驗鋼-20 ℃斷口宏觀形貌(×20、×100)

同時，根據不同溫度下的斷口形貌分析，低釩高鈮試樣鋼韌窩形貌均為圓形等軸韌窩，而且韌窩相對均勻，基本呈等軸分布，個別韌窩內含有第二相粒子，屬于典型的韌性斷裂形貌，而成分含有高釩低鈮的脆性區的斷口形態，斷口呈解理狀，而且在晶界處發源形成許多高低不平的河流花樣。尤其是在-40 ℃時的落錘斷口形貌中出現了解理臺階，這說明在外力作用下該處產生了較多的微裂紋，這些裂紋在不同晶面擴展時相互匯合，從而使得材料發生了脆性斷裂。

4 結論

兩種不同鈮釩成分的熱軋H型鋼翼緣在-60 ℃ -20 ℃時，隨著沖擊試驗溫度的降低，熱軋H型鋼的翼緣沖擊韌性不斷降低。

兩種成分試樣鋼，高釩低鈮成分在-20 ℃沖擊韌性明顯降低，低釩高鈮成分在-40 ℃沖擊韌性明顯降低。

通過斷口形貌分析，高鈮低釩成分的試樣鋼其落錘低溫沖擊性能要更加優良。