氮、鋁元素對(duì)Q345E角鋼低溫韌性影響的研究

劉大為

摘 要： E級(jí)鋼的低溫韌性成品檢測(cè)中最主要的技術(shù)指標(biāo)，如何保證在-40℃試驗(yàn)條件下的沖擊功是開(kāi)發(fā)生產(chǎn)Q345E角鋼的關(guān)鍵因素，本文研究了合金元素對(duì)低溫韌性的影響，重點(diǎn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試制和工業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)氮、鋁元素對(duì)Q345E角鋼低溫韌性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，氮含量越低，角鋼的低溫沖擊韌性越好，生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制氮含量，鋁含量低于100ppm或高于200ppm時(shí)樣品沖擊性能較好，而當(dāng)鋁含量在100-200ppm范圍時(shí)沖擊韌性降低，因此生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免該鋁含量范圍。

關(guān)鍵詞： E級(jí)鋼；合金元素；低溫韌性

0 引言

角鋼做為結(jié)構(gòu)鋼的一種，用途廣泛，如建筑、廠房、橋梁、船舶、鐵塔、塔機(jī)設(shè)備等。國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的材質(zhì)主要是普碳鋼和低合金鋼，如Q235、Q345、Q420；國(guó)外如歐標(biāo)、美標(biāo)、德標(biāo)、日標(biāo)也基本是相同的強(qiáng)度級(jí)別。近年來(lái)，隨著國(guó)外市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，一些橋梁、艦船、機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程對(duì)溫度更低的角鋼有了明顯的需求和增長(zhǎng)，宣鋼進(jìn)行了Q345E級(jí)角鋼的研究。

1 合金元素的選擇

按照宣鋼B、C級(jí)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，主要是以C、Si、Mn保強(qiáng)度，少量V細(xì)化晶粒，P、S控制在要求范圍內(nèi)即可。而Q345E為保證-40℃的低溫沖擊韌性，不僅需控制P、S，還要適當(dāng)調(diào)整其它合金元素。減少碳含量、增加錳含量能顯著降低鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，錳碳比越高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低。此外，硫、磷等元素均會(huì)損害鋼的韌性，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度[1]-[2]。一般認(rèn)為，這些元素會(huì)在晶界偏析，降低晶界的表面能，促進(jìn)沿晶斷裂[3]。

錳、鎳使鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，鋁幾乎沒(méi)有影響；鈦、釩之類的微合金元素在含量較低時(shí)提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，達(dá)到某一含量后，使其降低；其它合金元素都會(huì)不同程度地提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，其中碳、硅、磷之類的固溶原子對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高作用特別顯著。最終確定V、Al復(fù)合微合金化，以達(dá)到最優(yōu)的力學(xué)性能。

V在加熱條件下可以充分溶解[4]，在冷卻過(guò)程中，以碳、氮化物的形式在鋼中大量析出，這些處于共格狀態(tài)的細(xì)小彌散析出物提高了基體強(qiáng)度。同時(shí)，釩元素在基體與晶界上以碳、氮化物的形式存在還可以阻止晶粒的繼續(xù)長(zhǎng)大，最終得到晶粒細(xì)小的鐵素體組織，達(dá)到增強(qiáng)鋼材韌性的效果。

鋁作為一種強(qiáng)氧化劑，具有較高的穩(wěn)定性，可以生成細(xì)小的氧化物彌散分布在鋼中。氧化物能作為夾雜物形核的中心，誘導(dǎo)氮化物、硫化物和碳化物的附著析出。增加鋼材中的含鋁量可以降低鋼材中的氧含量，從而去除鋼材中的各種氧化物與硫化物等雜質(zhì)，使鋼材的純凈度提高。同時(shí)，鋁還是一種強(qiáng)的定氮?jiǎng)?，形成納米級(jí)的AlN析出物，提高鋼的熱穩(wěn)定性，抑制鋼在熱循環(huán)過(guò)程中的奧氏體晶粒粗大化，最終使鋼材的韌性得到改善[5]。

2 實(shí)驗(yàn)室分析

實(shí)驗(yàn)室分為四種成分試驗(yàn)鋼進(jìn)行模擬分析，即：

（1）釩鋁含量相同情況下，研究氮含量對(duì)組織與性能的影響。

（2）釩氮含量相同情況下，研究鋁含量對(duì)組織與性能的影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)室冶煉

將原料在真空電磁感應(yīng)爐里熔煉，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)澆鑄四種Al含量不同的鋼錠，鋼錠質(zhì)量為50kg，鋼錠斷面為150mm×150mm。然后將鋼錠經(jīng)過(guò)熱軋，熱軋參數(shù)為：加熱溫度1150℃，保溫1小時(shí)，開(kāi)軋溫度1050℃，軋制速度1.0m/s。鋼錠經(jīng)過(guò)9道次軋制軋成15mm厚的鋼板，最大道次壓下量為28.6%，軋制道次及每道次壓下量如表1所示。對(duì)試驗(yàn)鋼成分進(jìn)行光譜分析，實(shí)際化學(xué)成分如表2所示，實(shí)際檢測(cè)成分與設(shè)計(jì)成分基本保持一致。

2.2 檢測(cè)與分析

（1）拉伸試驗(yàn)

將熱軋后的鋼板制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，拉伸力學(xué)性能如表3所示。試驗(yàn)表明，2#試驗(yàn)鋼塑性最好，但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最低。1#試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度略高于2#，塑性略低于2#。3#試驗(yàn)鋼強(qiáng)度最好，4#試驗(yàn)鋼的塑性最差。

可以得到如下結(jié)論：當(dāng)添加0.008%的Al元素時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度降低了10MPa，伸長(zhǎng)率略有提升。當(dāng)Al含量添加量達(dá)到0.03%時(shí)，屈服強(qiáng)度上升了5MPa，但伸長(zhǎng)率急劇下降。保持Al含量不變，提高N含量時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都大幅度提高，但伸長(zhǎng)率下降。

（2）沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度分別設(shè)定在20℃、-20℃、-40℃以及-60℃。室溫下，4種試驗(yàn)鋼的沖擊功平均值均在200J左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Q345系列的室溫沖擊功國(guó)標(biāo)規(guī)定，并且均勻性良好。在-20℃時(shí)，4種試驗(yàn)鋼的沖擊功平均值也均高于100J，2#試驗(yàn)鋼仍保持在200J以上。在-40℃時(shí)，4種試驗(yàn)鋼的沖擊功平均值都高于國(guó)標(biāo)規(guī)定的34J，但沖擊功的均勻性欠佳。在-60℃時(shí)，3#、4#試驗(yàn)鋼沖擊功平均值不達(dá)標(biāo)，1#、2#試驗(yàn)鋼沖擊功平均值也僅滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定，同樣均勻性不好。對(duì)比各個(gè)試驗(yàn)溫度下的沖擊功，2#試驗(yàn)鋼性能最好，1#和3#次之，4#最差。

由此可知，（1）含微量Al鋼的沖擊功均在無(wú)Al鋼之上，即從室溫到低溫沖擊功都得到了提高。即使在-60℃的情況下，2#試驗(yàn)鋼仍能保證沖擊功合格。（2）對(duì)比4#試驗(yàn)鋼，可以發(fā)現(xiàn)隨著Al含量的增加，沖擊功略有下降，特別是低溫下，這說(shuō)明Al的加入量并不是越多越好。（3）在Al含量相同的條件下，2#試驗(yàn)鋼的氮含量為70ppm，3#試驗(yàn)鋼的氮含量為 140ppm，而2#試驗(yàn)鋼各溫度下的沖擊功均好于3#試驗(yàn)鋼，這證明N含量的增加不利于沖擊性能的提高。（4）以上數(shù)據(jù)顯示，添加微量Al元素，控制N含量，保證鋼中沒(méi)有較大顆粒的夾雜物，保證鋼材的-40℃沖擊功合格是完全可行的。

（3）金相分析

100倍下鋼的金相組織，4種試驗(yàn)鋼均有明顯的帶狀組織，其級(jí)別與Al的有無(wú)及多少無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)歸因于工藝制度。帶狀組織不是影響鋼材低溫沖擊值的重要因素，Al元素提高低溫沖擊性能的原因也與帶狀組織無(wú)關(guān)。

（4）沖擊斷口SEM觀察

沖擊試樣的斷口可以反映出斷裂的機(jī)制，不同斷裂機(jī)制下發(fā)生的斷裂所吸收的能量差異很大，斷裂方式與沖擊韌性關(guān)系密切。

利用SEM觀察-40℃ 1#試驗(yàn)鋼的沖擊斷口中纖維區(qū)韌窩的形貌，發(fā)現(xiàn)1#試驗(yàn)鋼斷口中的韌窩密集，分布也較均勻，并且各個(gè)韌窩都較深，說(shuō)明在沖擊時(shí)塑性變形強(qiáng)烈，在低溫沖擊時(shí)吸收了大量的沖擊功。

沖擊斷裂雖然是在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，但它仍然是一個(gè)裂紋的萌生與擴(kuò)展的過(guò)程。在這一過(guò)程中，靠近缺口的位置最先受壓應(yīng)力的作用，而且力矩最大，首先發(fā)生斷裂，裂紋的萌生也產(chǎn)生于此。根據(jù)能量理論，裂紋的萌生過(guò)程與裂紋的擴(kuò)展過(guò)程相比，需要更高的能量，這是因?yàn)榱鸭y一旦形成，其擴(kuò)展過(guò)程會(huì)沿著能量最低的路徑進(jìn)行下去，所需克服的阻力減小。因此，靠近缺口的區(qū)域在斷裂之前吸收了更多的能量，表現(xiàn)在斷口形貌上，就是發(fā)生了較大的塑性變形，形成許多微小的山脈狀突起以及許多微小的孔洞。隨著斷裂過(guò)程的繼續(xù)，萌生后的裂紋開(kāi)始向試樣心部擴(kuò)展，該區(qū)域的受力狀態(tài)由最初的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，裂紋沿著基體結(jié)合最薄弱的路徑（通常是晶體的解理面）快速擴(kuò)展，使基體在未能產(chǎn)生明顯塑性變形的情況下就已經(jīng)發(fā)生斷裂，形成較為平坦的河流狀斷口。

（5）結(jié)論：1）微量Al的加入使得鋼在-40℃時(shí)的低溫沖擊韌性顯著提高，沖擊功高于90J，遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)要求。說(shuō)明鋼中加入微量Al以提高鋼材的沖擊韌性的思路是可行的。2）隨著Al含量的增加，沖擊功下降，這說(shuō)明Al含量不是越多越有利，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。3）N含量的增加使沖擊功急劇下降，應(yīng)嚴(yán)格控制N含量。

3 工業(yè)化生產(chǎn)

3.1 工藝設(shè)計(jì)

生產(chǎn)工藝流程為：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→連鑄→軋制角鋼。

其中，熔煉過(guò)程添加微合金化元素V時(shí)采用釩鐵合金代替釩氮合金，并在精煉過(guò)程中全程吹氬，達(dá)到控制鋼中N含量的目的。熔煉成分應(yīng)符合表4之規(guī)定。

樣品共計(jì)6爐次，其中第一、二爐次為低鋁含量（0～100ppm），第三、四爐次為中鋁含量（100～200ppm），第五、六爐次為高鋁含量（200～300ppm）?？紤]第一爐料受早前熔煉合金的影響造成成分偏差，故取樣分析時(shí)只取后五爐次進(jìn)行分析，其中每一爐次包含兩批次角鋼樣品，不同批次角鋼樣品除化學(xué)成分不同外，角鋼規(guī)格也有差異，厚度不同，樣品編號(hào)及厚度尺寸如表5所示。

3.2 化學(xué)成分

樣品化學(xué)成分分析結(jié)果顯示所有成分檢測(cè)結(jié)果均為不同位置處9次測(cè)量的平均值。可見(jiàn)，與設(shè)計(jì)成分相比，Al元素含量基本在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，但是C含量普遍偏高，其中71號(hào)樣品C含量達(dá)到0.18%。其它元素含量均在控制范圍之內(nèi)。

3.3 拉伸性能

所有樣品在室溫下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)量均滿足國(guó)標(biāo)要求；且除51#，其它樣品的屈服強(qiáng)度在420-470MPa之間，伸長(zhǎng)率在28%-33%之間，均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。因此樣品力學(xué)性能具有較大的調(diào)節(jié)空間，可通過(guò)進(jìn)一步降低強(qiáng)度的方式增加鋼材韌性。

4 結(jié)論

（1）從分析結(jié)果來(lái)看，本次工業(yè)生產(chǎn)鋼材性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼材拉伸性能強(qiáng)度指標(biāo)較高，有較大余量，所有試樣呈明顯塑性斷裂特征。

（2）樣品滿足-40℃沖擊性能要求，且有較大余量。

（3）Al含量對(duì)Q345E角鋼沖擊性能有較明顯的影響，當(dāng)Al含量低于100ppm或高于200ppm時(shí)樣品沖擊性能較好，而當(dāng)鋁含量在100-200ppm范圍時(shí)沖擊韌性降低，因此生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免該鋁含量范圍。

（4）N含量越低，角鋼的低溫沖擊韌性越好，生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制N含量，盡量降低原料中N的帶入和吹煉及精煉過(guò)程中N的加入?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]楊富堯 ，李現(xiàn)兵，陳新，等.輸電鐵塔用角鋼的應(yīng)用及低溫服役性能研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（1）：117-122.

[2]徐志東，朱敏，范植金，等.一種韌脆轉(zhuǎn)變溫度低的鐵塔用角鋼及生產(chǎn)方法[P].中國(guó)專利：CN104073721A，2014-10-01.

[3]馮昌文.U71Mn與Q370qE鋼埋弧焊接工藝及接頭組織研究[D]，華中科技大學(xué)，2013.

[4]張開(kāi)華.釩在低溫大變形條件下對(duì)晶粒細(xì)化的影響 [J].鋼鐵釩鈦，2004，25（4）：29-32.

[5]李家彬.低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼Al2O3夾雜物分析與控制[J].現(xiàn)代冶金，2011，39（4）：13-15.