線棒材產品有HRB400E螺紋鋼、HRB500E螺紋鋼、45鋼等,H型鋼產品有Q235B鋼、Q355B鋼等。這些鋼種在生產中經常出現不合格試樣,為減少不合格試樣,筆者從生產試樣中選取了一部分典型鋼種的合格試樣和不合格試樣,并對其進行金相檢驗,分析其顯微組織、脫碳層、晶粒度等指標,發現不合格試樣中存在缺陷組織,這些缺陷組織嚴重影響了鋼材的力學性能。筆者對鋼材中的典型缺陷組織進行分析,闡述了缺陷組織產生的原因,并提出改進措施,以期提高鋼產品的合格率。

1. 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選取HRB400E螺紋鋼、45鋼以及Q355B鋼的合格試樣和不合格試樣進行金相檢驗。鋼材的規格如表1所示。

1.2 試驗方法

在試驗鋼材上截取金相試樣,將試樣依次進行粗磨、細磨、拋光、腐蝕處理,然后將試樣置于光學顯微鏡下觀察,對試樣的顯微組織、脫碳層、晶粒度等進行分析。

2. 試驗結果

2.1 正常的組織

試樣1~5正常顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可知：HRB400E鋼是亞共析鋼,試樣1~3在室溫下的正常組織是鐵素體+珠光體,依據GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》判定試樣1~3的晶粒度分別為9.0,10.0,10.0級；Q355B鋼、45鋼也是亞共析鋼,45鋼的正常組織是鐵素體+珠光體,晶粒度是8.5級；Q355B鋼正常組織是鐵素體+珠光體,晶粒度是9.0級。

圖 1試樣1~5正常顯微組織形貌

2.2 缺陷組織

HRB400E鋼棒材基體組織中不只有鐵素體和珠光體,還存在貝氏體,貝氏體為缺陷組織（見圖2）。45鋼和HRB400E鋼棒材中存在粗大的珠光體和網狀鐵素體,網狀鐵素體為缺陷組織（見圖3）。在測量脫碳層時,45鋼一般不脫碳或者輕微脫碳,當脫碳層深度超過試樣直徑的1%時,即為缺陷組織（見圖4）。45鋼、HRB400E鋼棒材和HRB400E鋼線材組織中細針狀鐵素體沿著一定晶面向晶內生長,即魏氏組織,且存在珠光體,即為缺陷組織（見圖5）。Q355B鋼組織為鐵素體和第二類組織平行排列,即帶狀組織,帶狀組織為缺陷組織（見圖6）。

圖 2HRB400E鋼棒材中的貝氏體

圖 345鋼和HRB400E鋼棒材中的網狀鐵素體

圖 445鋼表面脫碳現象

圖 545鋼、HRB400E鋼棒材和HRB400E鋼線材中的魏氏組織

圖 6Q355B鋼中的帶狀組織

3. 缺陷組織產生的原因

3.1 HRB400E鋼棒材中的貝氏體

在HRB400E鋼棒材軋鋼過程中,正常上冷床溫度為980℃,緩慢冷卻至室溫,得到鐵素體+珠光體,如果軋后冷卻速率過快,上冷床的溫度過低,就會接近貝氏體轉變溫度。鋼材在Ar1（加熱時珠光體向奧氏體轉變的開始溫度）以下快速冷卻至貝氏體轉變溫度,且持續了一段時間,導致材料基體中出現貝氏體。

45 鋼和HRB400E鋼棒材中的網狀鐵素體

從軋鋼工藝角度分析,45鋼和HRB400E鋼的終軋溫度偏高,冷卻速率較慢,導致材料形成大塊珠光體和沿晶界分布的細網狀鐵素體。網狀鐵素體的晶界結合力較弱,晶界處強度低,導致材料的強度降低。

45 鋼表面脫碳

45鋼表面脫碳過程主要發生在加熱爐中,鋼材在加熱過程中,鋼中的碳與氧發生反應,導致鋼材表面的碳元素含量減少,邊部組織中珠光體減少,甚至僅有鐵素體。鋼材表面脫碳的原因為加熱溫度偏高、加熱時間較長,以及脫碳速率大于氧化速率。鋼材表面脫碳會導致其力學性能變差。

3.4 HRB400E鋼、45鋼棒材中的魏氏組織

魏氏組織一般是因加熱溫度過高或冷卻速率較快而產生的。在實際生產中,為了加快軋制速率,使軋鋼壓下量減小。加熱爐的溫度普遍高于1000℃,導致鋼中的奧氏體晶粒變得粗大。軋制時,冷卻速率過快會使材料中產生魏氏組織。在一定的冷卻速率下,鐵素體首先在奧氏體晶界上成核,沿奧氏體晶粒內部呈羽毛狀長大,導致碳原子發生擴散。隨著加熱溫度的升高,晶粒趨向粗大,在較低的冷卻速率下,材料中出現魏氏組織。鋼中的魏氏組織主要來自于先共析鐵素體。先共析鐵素體含量取決于鋼中碳元素的含量,因此鋼中碳元素含量也是導致魏氏組織產生的重要因素之一。

3.5 Q355B鋼中的帶狀組織

Q355B鋼中出現帶狀組織的原因為：溶解在奧氏體中的碳元素和雜質元素的擴散速率有顯著差異；雜質元素和合金元素影響了奧氏體化溫度A3,當熱變形鋼從奧氏體相區冷卻時,鐵素體將在A3較高的區域先產生,直到溫度降低至Ar1時,保留到最后的奧氏體轉變成珠光體[1]。根據H型鋼的取樣位置,R角處易形成帶狀組織,其他部位組織正常。說明在控制軋制過程中,H型鋼R角處的鐵素體先從A3較高的區域內析出,而未分解的奧氏體轉變成珠光體,從而形成帶狀組織。

4. 改進措施

（1）為防止HRB400E鋼棒材基體中出現貝氏體,應控制好軋鋼冷卻工藝。重點監控上冷床的溫度,如有異常情況出現,應及時調整軋后冷卻速率和上冷床后的冷卻速率。

（2）為防止HRB400E鋼棒材和45鋼中出現網狀鐵素體,應避免出精軋溫度過高,使其保持在正常溫度；在天氣炎熱的情況下對冷卻速率進行調整,避免冷卻速率過慢。

（3）為防止45鋼出現表面脫碳現象,應在軋制過程中,選擇合適的加熱溫度和加熱時間,控制加熱爐氣氛,使鋼材的脫碳速率和氧化速率基本相當。

（4）為防止HRB400E鋼棒材、線材,以及45鋼出現魏氏組織,在軋制過程中要注意控制冷卻速率,特別是上冷床后的冷卻速率不宜過快,注意環境溫度對冷卻速率的影響。

（5）為防止Q355B鋼中出現帶狀組織,在煉鋼過程中,應避免碳元素和合金元素出現偏析。在軋鋼過程中,建議選擇合理的軋后冷卻工藝,使鋼材的冷卻速率均勻一致。

5. 結論

在生產過程中,由于鋼材加熱溫度、出精軋溫度或者軋后冷卻速率等工藝參數發生變化,導致鋼材產生缺陷組織,如貝氏體、網狀鐵素體、魏氏組織、帶狀組織等。選擇合適的改進措施可以避免這些缺陷組織的產生,研究結果可為提高產品的合格率提供支持。

文章來源——材料與測試網