LZ50钢力学性能试验研究

刘占东 马忠存

(东特集团北满特殊钢有限责任公司，黑龙江161041)

LZ50钢力学性能试验研究

刘占东 马忠存

(东特集团北满特殊钢有限责任公司，黑龙江161041)

通过对LZ50钢的化学成分与力学性能进行分析，观察金相组织，分析拉伸断口，调查工艺执行情况，找出影响该钢力学性能的主要因素，从而提高该钢的综合力学性能，生产出高质量的车辆车轴钢。

LZ50钢;力学性能;工艺

LZ50钢为铁路车辆车轴用钢，执行的技术标准为TB/T2945—1999。该钢的主要特点是力学性能抗拉强度高，塑性指标高，强度和韧性匹配较好。正是由于该钢的强度和塑性指标高，故生产难度特别大。解决力学性能问题是该钢的难点所在。为此对该钢的化学成分与力学性能进行逐炉分析，观察金相组织，分析拉伸断口，调查工艺执行情况，找出影响因素，从而提高该钢的综合力学性能，以生产出高质量的车辆车轴钢。

1 试验结果

1.1 化学成分

由于LZ50钢的力学性能抗拉强度指标较高，而塑性指标富余量较小，故在成分设计时，适当控制C、Si和Mn的含量。化学成分及88炉熔炼成分统计结果列于表1中。

表1 LZ50钢的化学成份(化学成分，%)Table 1 Chem ical composition of LZ50 steel(mass fraction，%)

1.2 力学性能

力学性能试样取自经过一次正火处理(正火温度840℃，保温3.5 h)的样坯(140方)，72炉统计结果列于表2中。

1.3 高低倍和气体含量

非金属夹杂物、晶粒度统计54炉，低倍组织统计77炉，氢、氧含量统计225炉，结果列于表3中。

2 结果讨论

2.1 化学成分对性能的影响

表2 LZ50钢的力学性能统计结果Table 2 Statistical results ofmechanical properties of LZ50 steel

统计88炉LZ50钢化学成分C、Si、Mn与力学性能Rel、Rm、Z、A，绘制矩阵图，见图1。

由图1可知，在图示化学成分范围内，LZ50钢的强度指标Rel、Rm全部合格，且相对标准而言富余量较大，不合格的指标主要是伸长率指标A及面缩率指标Z。因此设计成分时应重点考虑伸长率指标A及面缩率指标Z。

表3 LZ50钢的非金属夹杂物、晶粒度、低倍组织和氢、氧含量统计结果Table 3 Statistical results of non-metallic inclusion，grain size，macroscopic structure，and hydrogen＆oxygen contents of LZ50 steel

图1 LZ50钢性能指标与C、Si、Mn矩阵图Figure 1 Matrix chart ofmechanical properties index and C＆Si＆Mn content of LZ50 steel

表4 LZ50钢的力学性能初验、复验对比Table 4 Comparison between initial test and retest ofmechanical properties of LZ50 steel

由于Si对伸长率指标A及面缩率指标Z的影响方向相反，且影响较小，同时由于Si成分的精确控制相对较难，因此在制定内控标准时将Si下限提高0.03%，即由标准的0.17%提高到0.20%。同时Si含量高会提高钢种硅酸盐机杂物级别，再考虑车间控制操作难易程度的情况下，将LZ50钢的Si的上限在标准值0.40%基础上降低0.10%，即Si的内控范围为0.20%～0.30%是比较合理的一种选择。

由于Mn对伸长率指标A及面缩率指标Z的影响方向相同，随着Mn的提高，塑性指标Z、A降低。在考虑成本因素及车间控制操作难易程度的情况下，将 LZ50钢的 Mn的内控标准控制在0.65%～0.75%是比较合理的一种选择。

C含量的控制十分关键，随着C含量的提高，在强度指标Rel、Rm提高的同时，塑性指标Z、A迅速降低。而且在C、Si、Mn三个主要元素中，C对Z、A的影响是最大的。当C含量＜0.53%时，Z、A基本合格。当C含量≥0.53%时，Z、A合格率较低。

因此，LZ50钢内控标准中C的上限不应高于0.52%。同时考虑可操作性，LZ50钢的C的下限应≥0.48%。

2.2 氢对性能的影响

钢中的氢显著降低钢的塑性，故VD的真空度能否达到67 Pa并保持15 min特别关键。资料［1］介绍，氢在钢中的有害作用表现在两个方面:一是溶入钢中使钢的塑性和韧性降低，引起所谓氢脆;二是当氢从钢中析出(变成分子态的氢)时造成内部裂纹性质的缺陷。白点是这类缺陷中最突出的一种。

观察LZ50钢脆性断裂的拉伸试样的断口形貌，见图2。裂纹源为结晶状的小亮点或结晶状颗粒，向外为纤维状断口或在裂纹扩展到一定尺寸后产生脆断，产生“鱼眼”断口，导致塑性和强度指标大幅度降低［2］。产生上述断口的原因是氢含量高。将拉伸试样头部进行低倍检验，发现白点缺陷，主要是因为冶炼抽真空失败，轧后缓冷装坑量不足，扩氢不好。

我们进行了性能初验、复验结果对比，结果列于表4中。统计复验的17炉，有9炉合格，8炉不合格，复验合格率52.94%。从表4可以看到，复验样的屈服强度Rel和抗拉强度Rm与初验样的结果相当，甚至略高，而塑性指标Z和A大幅度提高。从拉伸试样断口上看，在钢坯上取样复验合格，其试样断口为纤维状断口。这是因为钢坯缓冷时间符合工艺要求(56 h)，扩氢效果较试样要好得多，故塑性大幅上升，这也进一步说明了氢的作用。

2.3 显微组织对性能的影响

将拉伸试样头制成金相试样，观察金相组织，结果为珠光体(P)+铁素体(F)，组织晶粒度平均为6.3级，部分有一定量较大的珠光体团。通过试验发现，综合力学性能较好的拉伸试样的金相组织，除有少量较大珠光体团外，其余为较均匀的等轴组织，铁素体析出长大较充分，呈块状，见图3(a)。

图2 拉伸试样的鱼眼断口Figure 2 "Fish eye"fracture of tensile sample

图3 拉伸试样的显微组织(100×)Figure 3 Microstructure of tensile sample(100×)

图4 拉伸试样的亮点断口Figure 4 Bright spot fracture of tensile sample

而性能不合格的试样的显微组织中:珠光体含量大，有的铁素体网较细，铁素体析出不充分;有的珠光体和铁素体呈非等轴的长条形式存在，有方向性，局部有针状铁素体，见图3(b)。

上述不良显微组织对力学性能塑性指标的影响按断口形貌分为以下两种情况:

(1)拉伸试样产生“亮点”“亮线”断口，产生脆断，见图4［3］。原因是试样碳含量高，或Si、Mn含量高，疏松严重，成分偏析，组织转变时珠光体含量多，铁素体含量少，铁素体呈细网状。

(2)拉伸试样断口组织粗糙，为粗纤维状断口。产生原因有以下两个方面:一是试样的晶粒粗大，显微组织存在较大的珠光体团。试验发现，当晶粒度低于6级时，塑性指标Z和A会明显降低。解决办法是保证［Al］的内控要求，轧制时保证大压下量，控制终轧温度低于950℃。二是试样的显微组织不规则、有方向性。原因是原始组织有一定的过热倾向。调查均热炉加热情况，发现有的炉号加热时间较长，如有的炉号总加热时间为12 h，在高温区1 200～1 300℃停留达8 h。而其它炉号绝大部分加热总时间在2 h～4 h，在1 300℃均热1 h～2 h，符合工艺要求。

所以应对加热时间进行控制，对于热装的总时间不能大于5 h，在高温区停留时间不能大于2.5 h，超时应降温。

3 结论

(1)LZ50钢存在碳偏析，正火后显微组织珠光体含量大，铁素体呈细网，析出不充分。

(2)冶炼抽真空效果不好，造成钢中氢含量高，且轧制后试样缓冷扩氢效果不好，致使拉伸试样因氢的作用导致脆断。

(3)轧后组织破碎不好，存在粗大珠光体团，终轧温度高，晶粒粗大。

(4)轧制加热温度高，时间长，存在过热倾向，正火后显微组织存在一定量的非等轴组织。

［1］ 宋维锡.金属学:第二版.北京:冶金工业出版，2004，280.

［2］ 赵坚，赵琳.优质钢缺陷.北京:冶金工业出版，1991，212.

［3］ 赵琳.合金钢缺陷的断口分析.湖北:大冶钢厂钢研所，1984，1.

编辑 杜青泉

Research on Mechanical Property of LZ50 Steel

Liu Zhandong，M ao zhongcun

Through analyzing the chemical composition and mechanical property of LZ50 steel，observing themetallographic structure，analyzing the tensile fracture，and investigating the actual implementation of the process，themajor factorswhich affect themechanical properties of LZ50 steel are figured out，and its comprehensivemechanical properties are improved，so that high-quality steel for the vehicle axle can be produced.

LZ50 steel;mechanical property;research

TG113.25

A

2013—05—08

刘占东(1974—)，男，从事金属材料压力加工工作。