Q345E板材心部贝氏体组织转变研究

骆春民，刘 莹，刘海英，张 龙

（天津钢铁集团有限公司技术中心,天津 300301）

1 引言

Q345E 高强度结构钢板因具有较高的强度和塑性、良好的低温韧性，被广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等领域。目前，天钢生产的Q345E≥30 mm 厚规格板材冲击性能不稳定，通过组织观察，冲击功低的板材心部有少量贝氏体异常组织，而Q345E 的正常组织应该为铁素体和珠光体，从相关研究所知，板材心部出现的贝氏体组织与连铸坯的中心成分偏析有关。为了研究Q345E板材心部贝氏体组织形成机理及其影响因素，应用热模拟机分别做Q345E 连铸坯心部与1/4 处的临界转变温度测定以及连续冷却转变曲线[1]（CCT 曲线）的对比试验，同时结合心部与1/4 表面化学成分分析、OPA 金属原位成分偏析分析、金相检验、扫描电镜等方法对比分析，研究Q345E 钢的相变规律，分析因Q345E 连铸坯心部与1/4 表面偏析差异对贝氏体组织转变的影响。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

从天钢Q345E 连铸坯做低倍硫印后的坯料上取试验钢，分别在铸坯的心部和1/4 表面处取原位分析样和热模拟试验样。原位样加工成100 mm×170 mm×20 mm，热模拟样加工成Φ6 mm×85 mm。

2.2 试验方法

化学成分分析，对比心部与1/4 表面化学成分差异。OPA 金属原位分析，得到连铸坯中心处与1/4处的碳、硅、锰、磷、硫的偏析情况。热模拟试验，测定Q345E 钢的临界点，分别做铸坯中心处与1/4 处的10 个冷速的静态CCT 连续冷却曲线，模拟Q345E 轧制变形工艺，模拟连铸坯1/4 处轧制变形后动态CCT 连续冷却曲线，比较得出经轧制变形的动态CCT 与静态CCT 的差异。金相及扫描电镜分析，对热模拟测定心部与1/4 处CCT 曲线试验后镶制成金相及扫描电镜观察用样，试样抛光、腐蚀后用显微镜及扫描电镜观察不同冷速条件下铸坯中心处与1/4 处组织差异，观察贝氏体形貌特征。

2.2.1 Q345E 临界转变点测定

应用膨胀法测定钢的临界转变点原理，利用热模拟实验机分别测定Q345E 连铸坯心部与1/4 处的临界转变点。热模拟实验先以加热速率5℃/s 将试样加热到500℃，后以0.055℃/s 加热到980℃，保温15 min，再以0.055℃/s 冷却试样至室温。根据热膨胀曲线上所显示出的拐点来确定Q345E 钢的AC1、AC3、Ar3、Ar1临界点。实验测得试样临界转变温度如表1 所示。实验结果为心部的AC1、AC3、Ar3、Ar1临界点均低于1/4 处。

表1 心部与1/4样临界转变温度 /℃

2.2.2 Q345E CCT 曲线测定

应用热模拟实验机，采用热膨胀法并辅助以金相法分别测定Q345E 铸坯心部与1/4 处的静态CCT 曲线以及1/4 处的动态CCT 曲线。

静态CCT 曲线测定实验具体为：根据测定的Ac3温度，选定完全奥氏体化温度，亚共析钢一般在Ac3以上30～50℃。将Φ6×85 mm 的圆棒试样在真空条件下以1℃/s 加热到930℃完全奥氏体化，保温20 min 均热试样，然后分别以不同冷速进行恒速冷却至室温。实验后根据测量数据绘制出膨胀量随温度的变化曲线，利用切线法在热膨胀曲线上测定各相变转变点温度。实验选择10 种不同的冷却速度，分别为：0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。实验后做各冷速的金相组织观察，重点观察贝氏体组织。

动态CCT 曲线测定实验具体为：将Φ6×85 mm的圆棒试样在真空条件下以10℃/s 的加热速率加热到1 200℃，保温10 min，以5℃/s 降到1 000℃，保温1 min，模拟粗轧再结晶轧制，变形量25%，应变速率2 s-1，然后以2℃/s 降到900℃，保温1 min，使静态再结晶充分完成，之后模拟精轧未再结晶轧制，变形量25%，应变速率4 s-1，轧制完成后以不同的冷却速度冷却至室温。冷却计时温度为900℃。实验后在绘制出的热膨胀曲线上应用切线法测定各相变转变点温度。实验同样选择10 种不同的冷却速度，分别为：0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。实验后做各冷速的金相组织观察，重点观察贝氏体组织。

3 实验结果及分析

3.1 理化检测成分分析

分别在铸坯心部与1/4 处取样，做理化检测成分，结果如表2 所示。

表2 Q345E试验钢化学成分/%

理化检测结果显示，心部与1/4 处C、Mn、P、S明显正偏析，Si 值相等无偏析。

3.2 OPA 金属原位偏析分析

金属原位偏析分析见图1。铸坯中心坐标为Y=112，1/4 处坐标Y=49.5，C、Si、Mn、P 偏析集中于厚度的中心线上，呈明显的线状分布，心部明显比1/4 处偏析严重，而S 偏析中心与1/4 处都较为明显，其中C 中心最大偏析度为1.13，Si 中心最大偏析度为1.04，Mn 中心最大偏析度为1.14，P 中心最大偏析度为1.15，S 中心最大偏析度为1.78。

3.3 热模拟结果分析

3.3.1 1/4 处与心部CCT 曲线

实验后根据热模拟数据绘制出1/4 处静、动态CCT 曲线和心部静态CCT 曲线，见图2 所示。连续冷却曲线的冷速分别为0.5、1、3、5、11、17、23、29、35、50℃/s。在CCT 曲线上，相变区分别为铁素体区、珠光体区，贝氏体区，马氏体区。1/4 处静动态CCT 曲线中，在冷速大于3℃/s 时有贝氏体相转变，在较快的冷却速度下，如冷速大于17℃/s 有马氏体相转变。心部静态CCT 曲线中，在冷速大于等于1℃/s 时已经有贝氏体相转变，在冷速大于3℃/s 有就已经有马氏体相变。

图1 原位偏析图

图2 静、动态CCT曲线图

从1/4 处与心部静态CCT 曲线图中得出，过冷奥氏体的冷却速度不同，发生的组织转变也不相同。冷速小时，发生转变的开始温度和结束温度都较高，随着冷速的增大，转变温度也开始降低，转变所经历的温度区间也随着冷速的增大而增加。而相同冷速条件下，心部图中铁素体、珠光体转变开始温度和结束温度均低于1/4 处的，贝氏体和马氏体转变温度同样也较低，可见偏析的影响推迟了珠光体转变，使CCT 曲线向下方移动。这是由于[2]心部C、Mn 元素的偏析，使S 点左移，扩大奥氏体相区，降低了钢的转变温度Ar3与Ar1，先共析铁素体析出温度及钢的共析转变温度都降低，推迟了奥氏体向珠光体的转变。

实验测得的1/4 处动态CCT 曲线如图2 所示。模拟Q345E 轧制变形工艺，铸坯1/4 处轧制变形后测定的动态CCT 连续冷却曲线，明显的比1/4 处静态CCT 曲线向左上方移动，即经轧制变形后的奥氏体向F、P、B 各相相变开始温度明显比静态的转变开始温度高。这是由于对奥氏体进行塑性变形会使点阵畸变加剧并使位错密度增高，有利于C 和Fe原子的扩散和晶格改组，从而加速了奥氏体转变。同时形变还有利于碳化物弥散质点的析出，使奥氏体中碳和合金元素贫化，因而促进奥氏体的转变。

3.3.2 偏析对相变及组织的影响

将测定静态CCT 曲线后的各冷速热模拟试样经横向切割后镶制成金相及扫描电镜观察用样，试样抛光、腐蚀后，观察金相组织。不同冷却速度下心部与1/4 表面热模拟样的金相组织如图3 所示。

图3 1/4与心部组织对比

从金相组织图中可以看出，1/4 表面样各冷速组织较均匀，当冷速大于3℃/s 时，开始出现少量贝氏体组织，当冷速大于17℃/s 时有马氏体组织出现；而心部样各冷速组织都不均匀，出现贝氏体与马氏体的团块区。当冷速大于3℃/s 时，就已经开始出现少量贝氏体与马氏体的团块区，随着冷速增大，贝氏体和马氏体的量逐渐增多，当冷速为17℃/s 时，冷却到室温的组织中大部分都为贝氏体和马氏体组织，已无珠光体组织，铁素体量也很少；通过对比可知，在冷却速度等于3℃/s 时，心部样与1/4 样均出现了少量的贝氏体和马氏体，在冷却速度较大时，心部CCT 曲线得到贝氏体和马氏体的临界冷却速度比1/4 表面曲线的要低。

利用扫描电镜进一步研究偏析对相变及组织形貌的影响，对部分冷速下的金相组织进行观察，如图4 所示。

从图4 可以看出，1/4 处当冷速为5℃/s 时已经出现低碳贝氏体组织，当冷速为17℃/s 时，出现少量马氏体组织，而心部5℃/s 冷速就已经出现贝氏体与马氏体的团块区，随冷速增加团块区变大，17℃/s 冷速团块区基本全是马氏体，可见偏析对相变组织有很大的影响。在实际生产中要求Q345E板材组织应是均匀的铁素体加珠光体，不应出现贝氏体及马氏体组织。根据测定的静态CCT 曲线，结合金相组织的对比，结合热模拟与实际轧钢工艺制定的差异，最佳冷却速度可控制在3℃/s 左右，根据不同厚度规格做相应调整。

4 结论

Q345E 铸坯中心成分偏析导致钢板轧制后冷却出现贝氏体组织转变。Q345E 连铸坯的中心成分偏析推迟了珠光体转变，使CCT 曲线向下方移动。轧制变形提高了相变转变温度，动态CCT 曲线向左上方移动。减小偏析对轧后相变组织的影响，Q345E 板材轧后冷速控制在3℃/s 左右。

[1]王生朝，赵刚，鲍思前.Q345E钢连续冷却过程中的相变和显微组织[J].热加工工艺，2012，41（14）：37-39.

[2]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社：236-289.