脫氧工藝對(duì)普通碳素鋼力學(xué)性能的影響

張 平，廖忠，羅朝陽,2*，涂小龍

（1.達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 達(dá)州 635001；2.達(dá)州市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)，四川 達(dá)州 635001；3.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430000）

普通碳素鋼Q195和Q235可根據(jù)其滿足不同溫度的沖擊性能分為四個(gè)質(zhì)量等級(jí)，而采用不同的脫氧方式在很大程度上決定著其質(zhì)量等級(jí)。常用于普通碳素鋼的脫氧方式為Si-Mn脫氧和Si-Al脫氧，而一些改進(jìn)的脫氧方式，如Al-Ti脫氧和Ti-Zr復(fù)合脫氧[1-7]，則常常用于高強(qiáng)低合金鋼的生產(chǎn)。

本文試圖對(duì)普通碳素鋼的生產(chǎn)引入改進(jìn)的脫氧方式而提高其強(qiáng)度等級(jí)及質(zhì)量等級(jí)。本文作為一個(gè)初步的研究采用了Ti脫氧的方式，測(cè)試了不同脫氧條件下普通碳素鋼的力學(xué)性能，為碳素鋼生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供了思路。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用真空熔煉的方式得到3組材料，其主要的化學(xué)成份如表1所示。1#試樣采用常規(guī)的脫氧方式，2#試樣采用Ti脫氧的方式，3#試樣在Ti脫氧的方式的基礎(chǔ)上增加了合金元素的含量。1#和2#試樣的對(duì)比用于分析不同脫氧方式對(duì)普通碳素鋼力學(xué)性能的影響，2#和3#試樣的對(duì)比用于研究在Ti脫氧的條件下合金元素的增加是否還會(huì)起到相應(yīng)的增加普通碳素鋼力學(xué)性能的作用。

真空熔煉出來的鋼錠經(jīng)1250℃保溫兩小時(shí)，冷至1050℃進(jìn)行第一階段的軋制，總下壓量為63%。當(dāng)溫度降至950℃時(shí)，進(jìn)行第二階段的軋制，總下壓量為60%，然后空冷，最后形成板厚11mm的鋼板。

截取的試樣經(jīng)拋光、4vol.%硝酸酒精腐蝕后，利用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。拉伸試驗(yàn)與10mm厚夏比沖擊試驗(yàn)根據(jù)GB/T 2975標(biāo)準(zhǔn)取樣，沖擊溫度為-20℃。沖擊斷口用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行觀察與分析。

表1 材料的化學(xué)成份（Wt.%）

2 試樣結(jié)果

（1）顯微組織

制備的普通碳素鋼的顯微組織如圖1所示。3種材料的顯微組織全部為鐵素體，1#試樣中鐵素體的平均尺寸約為50μm，2#試樣約30μm，而3#試樣約40μm.

（2）力學(xué)性能

表2和表3分別為3種材料的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與沖擊測(cè)試結(jié)果。采用常規(guī)脫氧工藝時(shí)，普通碳素鋼屈服強(qiáng)度大于224Mpa，-20℃平均沖擊功為28J，而采用Ti脫氧工藝的普通碳素鋼屈服強(qiáng)度大于283Mpa，-20℃平均沖擊功為222J，當(dāng)Ti含量繼續(xù)增加時(shí)，其強(qiáng)度值并沒有增加，但-20℃平均沖擊性能降至148J。

表2 試樣的力學(xué)性能

表3 試樣的沖擊性能

（3）沖擊斷口分析

1#試樣與2#試樣的沖擊斷口如圖2所示。1#試樣主要為解理斷面，只在破斷區(qū)有少量韌窩斷面，而2#試樣主要為韌窩斷面，只在起裂區(qū)有少量解理斷面。1#與2#試樣斷口的韌窩尺寸沒有明顯區(qū)別。

圖1 試樣的顯微組織(a)1#, (b)2#, (c)3#

圖2 沖擊斷口分析1# (a)斷口形貌 (b)解理斷面，(c)韌窩斷面；2# (d)斷口形貌，(e)解理斷面，(f)韌窩斷面

3 討論

通過細(xì)晶強(qiáng)化的理論公式[8]可計(jì)算出1#、2#和3#材料的細(xì)晶強(qiáng)化貢獻(xiàn)分別約為80、104和90MPa。但當(dāng)采用Ti脫氧工藝時(shí)，強(qiáng)度提高約70MPa,這主要是因?yàn)門i的加入會(huì)在基體中產(chǎn)生微細(xì)粒子，微細(xì)粒子在抑制晶粒長大的同時(shí)，自身還會(huì)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。

2#試樣較1#試樣的低溫沖擊性能明顯提高主要是晶粒細(xì)化的效果與Ti脫氧工藝下材料高的純凈度。而3#試樣較2#試樣低溫沖擊性能的降低，主要?dú)w因于Ti含量增多導(dǎo)致其在晶界的偏析。

值得提到的是，有學(xué)者也指出[9]即使碳素鋼中Ti含量只有0.015wt.%也能極大的提高低溫沖擊性能，可見采用Ti脫氧的工藝能顯著的提高碳素鋼的力學(xué)性能。

本文所提供的是Ti脫氧的工藝思路，其它的脫氧方式，如Al-Ti脫氧和Ti-Zr復(fù)合脫氧，也可成為提高碳素鋼力學(xué)性能的思路。

4 結(jié)論

Ti脫氧的生產(chǎn)工藝能顯著提高普通碳素鋼的力學(xué)性能。采用常規(guī)脫氧方式時(shí)，普通碳素鋼屈服強(qiáng)度大于224Mpa，-20℃平均沖擊功為28J，而采用Ti脫氧工藝。

當(dāng)Ti含量為0.05wt.%時(shí)，屈服強(qiáng)度大于283Mpa，-20℃平均沖擊功顯著提高到222J，這主要?dú)w因于Ti的加入在提高純凈度的同時(shí)，會(huì)在基體中產(chǎn)生微細(xì)粒子，微細(xì)粒子會(huì)抑制晶粒長大的同時(shí)，自身還會(huì)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，而當(dāng)Ti含量增加至0.10wt.%時(shí)，但-20℃平均沖擊性能降至148J，這主要?dú)w因于Ti含量增多導(dǎo)致其在晶界的偏析。Ti脫氧的工藝思路為其它脫氧方式在普通碳素鋼中的應(yīng)用提供了思路。