中碳鋼是碳素鋼的一種,使用范圍較為廣泛,除用于制造建筑結構外,還大量用于制造各種機械零件[1]。中碳鋼具有一定的塑性和韌性、較高的強度,以及良好的切削性,但其焊接性能較差,淬火、回火后具有良好的綜合力學性能。 

1.   試驗材料及方法

選用某牌號中碳鋼,碳元素質量分數為0.30%~0.50%,含有Mn、Si、Ti、Al、B等合金元素。在相同軋制條件下,選取卷曲溫度為680,600,520 ℃對中碳鋼進行加工,分別編號為1~3號。鋼板的厚度為8 mm,在板寬1/4處分別切取平行于軋向、垂直于軋制面的試樣,對試樣進行室溫拉伸試驗、維氏硬度測試、金相檢驗及掃描電鏡（SEM）分析,分析卷曲溫度對中碳鋼組織及力學性能的影響。研究結果可為提高中碳鋼的力學性能提供理論支撐。 

2.   試驗結果

2.1   拉伸試驗

按照GB/T 2975—2018 《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試驗制備》及GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》,切取軋制方向試樣進行機械加工,試樣長度為350 mm,寬度為35 mm,平行長度為120 mm,平行寬度為25 mm（見圖1）。測量試樣厚度、寬度并計算出試樣的原始橫截面積,標記試樣原始標距為短比例標距。 

圖  1  拉伸試樣尺寸示意

試樣1~3拉伸試驗結果如表1所示。由表1可知：隨著卷曲溫度的降低,試樣的規定總延伸強度和抗拉強度均逐漸增大,斷后伸長率逐漸減小,材料的塑性變差。 

2.2   維氏硬度測試

維氏硬度測試對試樣表面的粗糙度要求較高,因此試驗前需對試樣進行磨拋處理,以保證試樣表面平整光滑、無水漬或油脂等污染物。 

依據GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,將待檢試樣平穩放置在試驗臺上,試驗力為10 N。為保證試驗數據的準確性,試驗時測量的第一點不計入原始數據,自第二點起測量6點并計算平均值,測量時任一壓痕中心到試樣邊緣距離至少應為壓痕對角線長度的2.5倍,兩相鄰壓痕中心之間的距離至少應為壓痕對角線長度的3倍。試樣1~3維氏硬度測試結果如表2所示。由表2可知：隨著卷曲溫度的降低,材料的硬度逐漸增大,材料的耐磨性變好。 

2.3   金相檢驗

中碳鋼的顯微組織是決定其力學性能的重要因素之一。熱軋卷板的顯微組織是由冷卻過程中的中間溫度與終冷溫度決定的[2-3]。材料中的帶狀組織是由元素偏析導致的,是一種常見的顯微組織缺陷,不僅影響鋼的強度、韌性等力學性能,而且會影響鋼的熱加工和焊接性能[4]。 

依據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》,將試樣1~3依次磨制、拋光、腐蝕處理,利用光學顯微鏡觀察試樣,結果如圖2所示。由圖2可知：按照GB/T 34474.1—2017 《鋼中帶狀組織的評定 第1部分：標準評級圖法》,試樣1~3的帶狀級別分別評定為2.0,2.0,1.0級；試樣1~3的顯微組織均為鐵素體+珠光體,試樣1有明顯的鐵素體條帶,四周鐵素體條帶和珠光體條帶沿軋制方向呈不連續分布,且分布不均,晶粒尺寸較為粗大；試樣2鐵素體和珠光體分布較均勻,晶粒尺寸較小且均勻；試樣3整體晶粒尺寸較小,組織更加致密,鐵素體和珠光體分布的均勻性最好,沿軋制方向呈不連續條帶。 

圖  2  試樣1~3的顯微組織形貌

2.4   SEM分析

試樣1~3的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣1鐵素體和珠光體條帶比較分明,呈不連續分布,晶粒尺寸粗大；試樣2鐵素體和珠光體分布較均勻,鐵素體基體上分布了大量珠光體,且晶粒尺寸較試樣1細小均勻；試樣3組織形態整體分布較均勻,鐵素體基體上分布了大量的珠光體團,沿軋制方向呈不連續分布。 

圖  3  試樣1~3的SEM形貌

試樣1~3的珠光體片層間距測量結果如表3所示。由表3可知：試樣1珠光體片層間距平均值為393.4 nm,試樣2珠光體片層間距平均值為258 nm,試樣3珠光體片層間距平均值為195.3 nm。試樣3的卷曲溫度較低,試樣中部分珠光體片層被打斷,會影響材料的強度、硬度等力學性能。 

3.   綜合分析

綜合上述分析可知,試樣1~3組織均主要為鐵素體+珠光體。高溫軋制后,卷曲溫度較高,導致材料的珠光體粗大,片層間距加厚,最終導致材料的力學性能較低。珠光體片層間距是影響材料力學性能的關鍵因素,隨著卷曲溫度的降低,珠光體的片層組織逐漸細化,使得材料的強度和硬度變大,更易于滿足客戶對材料后續的加工檢驗需求。隨著卷曲溫度的降低,試樣的強度、硬度變大,塑性變小,在后期對材料進行折彎、抽引等加工時,材料易出現微裂紋。隨著卷曲溫度的降低,試樣的顯微組織形貌也發生變化,鐵素體和珠光體分布更加均勻,帶狀級別越來越小,帶狀組織越來越不明顯。 

4.   結論

（1）降低卷曲溫度可以改變材料的顯微組織形貌,隨著卷曲溫度的降低,鐵素體和珠光體分布更加均勻,珠光體片層間距減小,帶狀級別越來越小,帶狀組織越來越不明顯。 

（2）隨著卷曲溫度的降低,材料強度、韌性、硬度明顯變大,塑性變差。

文章來源——材料與測試網