摘 要:在某批次熱機械軋制 Q420GJC鋼厚板驗收時,發現其力學性能不合格,且幾次力學性 能測試結果的差異較大。采用化學成分分析、拉伸試驗、硬度測試、金相檢驗等方法對該鋼板力學 性能不合格的原因進行分析。結果表明:在厚度方向上,該鋼板的顯微組織分布不均勻,且屈服強 度、抗拉強度以及硬度均存在較大差異。建議采用全厚度矩形拉伸試樣進行試驗,以避免對鋼板產 品性能的判定出現爭議。
關鍵詞:熱機械軋制;Q420GJC鋼;拉伸試驗;顯微組織;力學性能
中圖分類號:TB31 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)06-0066-03
某 批 次 熱 機 械 軋 制 鋼 板 (TMCP)材 料 為 Q420GJC鋼,厚度為55mm。按照 GB/T2975— 2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制 備》,在鋼板1/4厚度處取直徑為10mm 的圓棒拉 伸試樣,并按照GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸 試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行拉伸試驗,并在 鋼板1/4厚度附近位置取樣,再次進行2次拉伸試 驗,3次力學性能測試的結果如表1所示。由表1 可知:初始測得的屈服強度為375MPa,抗拉強度為 543 MPa,其 中 屈 服 強 度 比 標 準 要 求 的 下 限 410MPa低了35MPa;2次復驗測得的屈服強度分 別為401MPa和418MPa,比初始測得的屈服強度 增大了約40MPa,且2次復驗測得的抗拉強度也相 差41MPa。
該鋼板的力學性能差異較大,對拉伸試驗過程 進行排查,排除了人為和試驗設備的原因。針對這 一問題,筆者進行了一系列理化檢驗,研究了該 Q420GJC鋼板力學性能不合格以及測試結果差異 大的原因,并提出了相關改進建議,以避免對鋼板產 品性能的判定出現爭議。
1 理化檢驗
1.1 化學成分分析
對該 Q420GJC鋼板進行化學成分分析,結果 如表2所示,可見鋼板的主要化學元素的含量均符 合產品標準規定,因此可以排除鋼板取樣、制樣或煉 鋼過程化學成分控制偏離的原因。
1.2 不同厚度位置的拉伸試驗
考慮到鋼板厚度為55mm,且力學性能測試結果 的差異較大,有可能是圓棒拉伸試樣的取樣位置存在 偏差所致,因此在鋼板7個不同厚度位置取樣進行拉 伸試驗,取樣位置如圖1所示,其中位置1位于上表 面下方12mm 處,位置2位于上表面下方14mm (1/4厚度)處,位置3位于上表面下方17mm處,位 置4位于鋼板心部(1/2厚度),位置5位于下表面上 方17mm處,位置6位于下表面上方14mm(3/4厚 度)處,位置7位于下表面上方12mm處。
將試樣加工成直徑為10mm的圓棒試樣,此外 還加工了一個全厚度矩形截面拉伸試樣,對試樣進 行拉伸試驗,結果如表3所示。由表3可知:位置 1~7的屈服強度和抗拉強度變化趨勢總體一致,其 中位置1和位置7的力學性能最好,其屈服強度分 別為 459 MPa 和 488 MPa,抗 拉 強 度 分 別 為 604MPa和631MPa;鋼板1/4厚度處(位置2)和 3/4厚 度 處 (位 置 6)的 屈 服 強 度 分 別 降 低 至 415MPa 和 432 MPa,抗 拉 強 度 分 別 降 低 至 575MPa和587MPa;鋼板中心(位置3和位置5) 的屈服強度和抗拉強度繼續降低,其中屈服強度分 別降至394MPa和409MPa,已經低于標準要求的 下限(410MPa),鋼板中心處(位置4)的屈服強度和 抗拉強度最低,分別為372MPa和531MPa;全厚 度矩形拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度分別為438 MPa和589MPa,大于鋼板1/4厚度處和3/4厚度 處的屈服強度和抗拉強度,且滿足標準要求。
1.3 不同厚度位置的硬度測試
從鋼板上表面沿鋼板厚度方向每隔2mm 取 樣,進行維氏硬度測試,直到覆蓋鋼板全厚度,鋼板 厚度方向的硬度分布曲線如圖2所示。圖2中的曲 線形狀呈現出兩頭高、中間低的“碗”形分布特征,其中鋼板上、下表面的硬度最大,約為220HV;鋼板 1/4和3/4厚度處的硬度降至183HV和194HV; 鋼板心部處的硬度最低降至165HV,比鋼板表面 硬度降低了55HV。硬度測試結果與力學性能測 試結果基本吻合,符合碳鋼硬度與抗拉強度成正比 關系的一般規律。
1.4 金相檢驗
在拉伸試樣的鄰近位置截取全厚度金相試樣, 經研磨、拋光后,用4%(體積分數)硝酸乙醇溶液腐 蝕,然后在光學顯微鏡下對鋼板不同厚度處的顯微 組織進行觀察,結果如圖3所示。由圖3可知:鋼板 上、下表面附近的組織為貝氏體+少量針狀鐵素體; 1/4厚度處的組織是針狀鐵素體+珠光體,且中間 夾雜著少量粗大多邊形鐵素體;1/2厚度處的組織 是鐵素體+珠光體,其中粗大多邊形鐵素體含量較 多,晶粒尺寸較大;3/4厚度處的顯微組織主要是貝 氏體+少量鐵素體,該處的晶粒尺寸比上、下表面附 近的晶粒尺寸大。
2 綜合分析
基 于 該 實 驗 室 的 試 驗 機 能 力 以 及 GB/T 2975—2018的要求,對于厚規格(厚度大于50mm) TMCP鋼板,通常采用1/4厚度處的圓截面拉伸試 樣進行拉伸試驗,而此次試驗中,該位置圓棒拉伸試 樣的屈服強度波動較大,上述位置2和位置3的拉 伸試 樣 取 樣 位 置 僅 相 差 3 mm,屈 服 強 度 相 差 21MPa。雖然鋼板全厚度矩形拉伸試樣的屈服強 度滿足產品規定,但鋼板1/4厚度處的圓棒力學性 能已無法代表鋼板的整體性能。從鋼板不同厚度位 置的硬度分布曲線上也能發現,鋼板1/4厚度處的 硬度變化非常大,這與力學性能測試結果相吻合。 從金相檢驗結果可知,不同厚度位置的組織差異較 大,1/4厚度處的顯微組織無法代表全厚度的組織 形態。考慮到實際試樣加工過程中的位置偏差不可 避免,采用1/4厚度處的圓棒拉伸試樣在特殊情況 下會影響產品的性能判定。因此,對于 TMCP鋼 板,當機加工和試驗機能力允許時,應使用全厚度試 樣,或在產品協議中對拉伸試樣的類型進行明確規 定,否則容易引起性能異議。
按照鋼板的化學成分和軋制工藝,正常情況下 鋼板的顯微組織應為貝氏體[1],且不同厚度位置的 組織應相對均勻一致,而該鋼板不同厚度位置的顯 微組織截然不同,產生該異常現象的原因可能是軋 制過程中某個控制步驟出現了偏差,如終軋溫度偏高、冷卻速率較慢等,從而影響了鋼板內部組織的相 變過程,導致貝氏體轉變僅發生在鋼板的上、下表面 處,鋼板內部發生的是鐵素體和珠光體轉變,最終使 鋼板在不同厚度位置形成了差異較大的顯微組 織[2-3]。要探究發生該異常的確切原因需要對鋼板 整個軋制工藝過程進行更深入的調查。
3 結論與建議
(1)該鋼板力學性能異常原因是鋼板軋制過程 中某些控制步驟出現偏差,導致鋼板內部在厚度方向 上的顯微組織分布不均勻,造成1/4厚度處圓棒試樣 的力學性能不穩定,無法有效代表鋼板的整體性能。
(2)對于TMCP厚規格鋼板,供貨雙方宜在產 品協議中對拉伸試樣的類型進行規定,當產品性能 有爭議時,應采用全厚度矩形拉伸試樣進行仲裁。 此外,在新產品開發或發生產品性能質量糾紛時,可 對鋼板不同厚度處的力學性能進行全面分析。
參考文獻:
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[2] 李德發,王世森,熊玉彰,等.低碳貝氏體工程機械用 Q460級厚鋼板的研制[J].鋼鐵研究,2011,39(4): 27-29.
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