45號(hào)鋼熱軋鋼板延伸率的影響因素研究

李小同 馬立 馬曉曉

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-7405

作者簡(jiǎn)介：

李小同（1985—），女，本科，工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧稀?/p>

馬立（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧稀?/p>

馬曉曉（1982—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧稀?/p>

摘要：針對(duì)45號(hào)鋼熱軋中厚板生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的力學(xué)性能不合格，尤其是延伸率不合格的情況，進(jìn)行的關(guān)于45號(hào)鋼熱軋鋼板延伸率的影響因素的研究。通過(guò)對(duì)45號(hào)鋼熱軋鋼板試樣進(jìn)行宏觀性能拉伸試驗(yàn)和微觀金相組織觀察，將伸長(zhǎng)率合格試樣與不合格試樣在非金屬夾雜物、帶狀組織、珠光體百分含量、晶粒大小等方面進(jìn)行了對(duì)比，得出了影響45號(hào)鋼熱軋鋼板延伸率不合格的因素。

關(guān)鍵詞：45號(hào)鋼 延伸率 力學(xué)性能 微觀金相

中圖分類號(hào)：TG142.1

延伸率主要指金屬發(fā)生變形的能力，延伸率是金屬試樣經(jīng)屈服變形、彈性變形、拉伸試驗(yàn)，均勻塑性變形和局部塑性變形后的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與原始長(zhǎng)度的比值。一般中碳F+P鋼試樣均有塑性變形及縮徑階段，且斷口為塑性斷口，中碳微合金化中厚板采用控軋控冷工藝生產(chǎn)，在提高強(qiáng)度和韌性的同時(shí)，延伸性能普遍降低[1]。

因此，所有影響金屬連續(xù)性和阻礙其變形的因素均可導(dǎo)致延伸率的下降，但由于目前金屬材料發(fā)展的趨勢(shì)是提高強(qiáng)度[2]，其中重要的措施是增加其變形的阻力，這就意味著延伸率的下降，因此達(dá)到合適的強(qiáng)塑性匹配，是冶金工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

1 影響優(yōu)質(zhì)碳素鋼延伸率的因素

優(yōu)質(zhì)碳素鋼延伸率的影響因素主要有珠光體含量、晶粒大小及其均勻性、帶狀組織、鋼中夾雜物、鋼材表面狀態(tài)、析出的碳化物和揭示延伸率影響因素的經(jīng)驗(yàn)公式等。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)采用的試件為生產(chǎn)過(guò)程中的熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼中厚板，對(duì)試件進(jìn)行了宏觀性能拉伸試驗(yàn)和微觀金相組織觀察。

試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果如下。

2.1現(xiàn)場(chǎng)取樣物理檢測(cè)結(jié)果

熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼中厚板生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的力學(xué)性能不合格，用物理檢測(cè)分析方法對(duì)延伸率不合格問(wèn)題進(jìn)行分析。重點(diǎn)對(duì)伸長(zhǎng)率不合格的試樣進(jìn)行了金相顯微分析，并對(duì)伸長(zhǎng)率合格與不合格試樣的珠光體百分含量、晶粒大小及其均勻性、帶狀組織、鋼中夾雜物等方面進(jìn)行了對(duì)比，在對(duì)影響鋼板性能的因素加以綜合考慮分析的基礎(chǔ)上，提出了提高了鋼板的延伸性能的措施[3]。

2.2宏觀性能拉伸試驗(yàn)

2.2.1取樣

試件取自正常生產(chǎn)中的試件，規(guī)格為610?mm×7.0?mm。試件標(biāo)準(zhǔn)采用《金屬材料?拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228—2021）。

2.2.2力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度以及延伸率的試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：WE—100，試驗(yàn)級(jí)別：1 級(jí)）。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與45號(hào)鋼宏觀性能的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 699-2015）相比：屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)[4]，延伸率<17%為不合格產(chǎn)品不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3現(xiàn)場(chǎng)試樣的微觀金相組織

2.3.1金相實(shí)驗(yàn)方案

（1）本次實(shí)驗(yàn)共選取20個(gè)試件，其中每10個(gè)試件為1組，分為①組和②組。按所需的尺寸將試件進(jìn)行切割，為了觀察截面需要避免破壞試件的軋制組織，使用鋼鋸在樣品上截取一定長(zhǎng)度的試件。

（2）打磨拋光試樣截面。

（3）選用3%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣截面進(jìn)行腐蝕處理。

（4）在顯微鏡下觀察其金相組織[5]，同時(shí)計(jì)算鐵素體和珠光體的體積百分?jǐn)?shù)，觀察鐵素體的晶粒度。

1得出試件的晶粒度等級(jí)的方法：通過(guò)在顯示晶粒度和等級(jí)放大500倍的顯微鏡下觀察試件截面，然后將標(biāo)準(zhǔn)的晶粒度等級(jí)的晶粒大小和視場(chǎng)中的鐵素體晶粒大小比較。

2通過(guò)測(cè)量鐵素體的平均晶粒弦長(zhǎng)，進(jìn)而可以得到晶粒尺寸的大小，平均晶粒弦長(zhǎng)的計(jì)算公式為：

式（1）中：D為晶粒的平均弦長(zhǎng)，單位為μm；D1為測(cè)試線的總長(zhǎng)度，單位為μm；Q為晶界與測(cè)試線相交的次數(shù)；F為金相照片的放大倍數(shù)。

3測(cè)定相組成百分率的方法：首先測(cè)出金相照片的寬度E，其次測(cè)出與該寬度相交的珠光體的總長(zhǎng)度M，那么可以得出珠光體的百分含量為長(zhǎng)度Ｍ與寬度E的比值。為得獲得相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)定結(jié)果，本次共測(cè)量并計(jì)算得出20組數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算平均值即為測(cè)定的珠光體的百分含量[6]。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

伸長(zhǎng)率合格與不合格試件分析表明：伸長(zhǎng)率不合格試樣的帶狀組織級(jí)別的全部平均值大于合格試件的帶狀組織級(jí)別的全部平均值。通過(guò)金相顯微觀察發(fā)現(xiàn)，在不合格試件的截面上存在較為嚴(yán)重的帶狀組織。帶狀組織的存在不僅降低了鋼材的橫向的韌性和塑性，也同樣導(dǎo)致鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生方向性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)大量的硫化物出現(xiàn)在鐵素體帶上，產(chǎn)生這種表現(xiàn)的原因是S的偏析，表明了S的偏析與帶狀組織的產(chǎn)生有關(guān)系。這是由于加熱到奧氏體狀態(tài)時(shí)，碳能優(yōu)先達(dá)到相對(duì)均勻，因?yàn)樘际情g隙型原子，置換型原子的擴(kuò)散系數(shù)比其小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而依然存在著其他合金元素和雜質(zhì)元素的偏析[7]。當(dāng)溫度較低時(shí)硫化物大多數(shù)在枝晶間隙分散凝固，這種現(xiàn)象會(huì)造成軋制時(shí)硫化物呈條帶狀分布并且沿著壓延方向，而鐵素體在冷卻時(shí)會(huì)以此為核心成形并最終呈條帶狀分布，溫度持續(xù)降低，珠光體在剩下奧氏體區(qū)域中形成并同樣的成條狀分布，從而形成了帶狀組織。由此可以推斷，為了使鑄錠里的樹(shù)枝晶在軋制過(guò)程中更多的破碎掉應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾訅嚎s比，從而減少枝晶偏析的程度，以此達(dá)到降低帶狀組織級(jí)別的目的[8]。

4 夾雜物分析

大部分存在于鋼材中的夾雜物嚴(yán)重影響著鋼材的性能，制約著鋼材的使用，因此，必須采取有效措施，減少鋼中夾雜物[9]，提高鋼材的使用性能。

夾雜物的存在，有損鋼材的韌性和塑性，其危害程度主要取決于夾雜物的大小、數(shù)量、類型、形態(tài)和分布[10]夾雜物愈大，鋼的韌性愈低；夾雜物愈多，夾雜物間距愈小，鋼的韌性和塑性愈低。

按化學(xué)組成成分鋼材中的非金屬夾雜物可分為氮（碳）化物、硫化物、氧化物、磷化物等；按夾雜物的塑性可以分為脆性?shī)A雜物、塑性?shī)A雜物、點(diǎn)狀不變形夾雜物（球狀?yuàn)A雜物）；按夾雜物來(lái)源的不同，可以分為顯微夾雜、內(nèi)生夾雜物、外來(lái)夾雜物、大型夾雜（宏觀夾雜）；從夾雜物內(nèi)部構(gòu)成來(lái)看，內(nèi)生夾雜物可以是多相構(gòu)成，也可以是單相構(gòu)成，可以是由復(fù)雜的夾雜物組成的，也可以是簡(jiǎn)單的夾雜物組成的。在鑄坯凝固和后續(xù)降溫過(guò)程中[11]，夾雜物與鋼基體保持平衡的同時(shí)本身也不斷發(fā)生改變，比如析出新的化合物以趨于穩(wěn)定狀態(tài)。我們對(duì)鋼材實(shí)施熱處理或軋制過(guò)程時(shí)，通過(guò)加熱過(guò)程可以提供高溫環(huán)境，該高溫環(huán)境的作用是促進(jìn)鋼基體和鋼中夾雜物之間趨向平衡，所以我們?cè)诔丨h(huán)境下所觀察到的都是經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜變化形成的夾雜物。

《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》（GB/T10561-2023）非金屬夾雜物含量測(cè)定[12]，將非金屬夾雜物分為A類（硫化物類型）、B類（氧化物類型）、C類（硅酸鹽類型）和D類（球狀氧化物類型）和DS類（單顆粒球狀類）等5種類型。其檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，在所檢驗(yàn)的試樣中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)DS類夾雜物，B類也比較少。非金屬夾雜物主要是A類和C類夾雜物較多，伸長(zhǎng)率合格試樣A類夾雜物分布范圍為1.5～3.0級(jí)，不合格試樣為2.5～4.5級(jí)。C類夾雜物級(jí)別分布范圍為：伸長(zhǎng)率合格試樣為1.5～3.0級(jí)，不合試樣為2.0～3.5級(jí)。

不合格試樣的A類、C類夾雜物高于合格試樣，這是因?yàn)橐话闱闆r下鋼中的硅酸鹽和塑性?shī)A雜物硫化物在軋制過(guò)程中沿軋制方向延伸并形成條帶狀，帶狀?yuàn)A雜物（A類、C類）是造成拉伸時(shí)形成內(nèi)部頸縮的原因，形變集中在局部則是源于內(nèi)部頸縮的出現(xiàn)，使破壞過(guò)程加速引起延伸率降低，造成延伸率不合格。

5結(jié)論

（1）造成45號(hào)熱軋鋼板力學(xué)性能，尤其是延伸率不合格的主要原因之一是珠光體含量高，建議優(yōu)化并嚴(yán)格控制軋制生產(chǎn)工藝，使冷卻速度降低，使卷取溫度提高，并對(duì)終軋和卷取溫度控制精度進(jìn)行提升，從而使珠光體含量可以達(dá)到80%以下。

（2）造成延伸率不合格的主要原因之一是帶狀組織級(jí)別較高和硫化物較多。建議加強(qiáng)脫S減少硫化物的生成，同時(shí)在軋制時(shí)可以適當(dāng)增加壓縮比從而使內(nèi)部頸縮不易形成，達(dá)到提高鋼板延伸率的目的。

（3）通過(guò)對(duì)化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)煉鋼S、P化學(xué)成分偏于標(biāo)準(zhǔn)上限，在統(tǒng)計(jì)的17爐中，有12爐S、P含量0.030%，偏于標(biāo)準(zhǔn)上限，且占到統(tǒng)計(jì)數(shù)量的70%，建議提高冶金質(zhì)量，嚴(yán)控制S、P含量，把S、P含量降到最低。

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