基板组织对Q345D正火组织性能的影响研究

李静宇　管刘辉　裴凤娟　孔德南

(安阳钢铁股份有限公司)



基板组织对Q345D正火组织性能的影响研究

李静宇管刘辉裴凤娟孔德南

(安阳钢铁股份有限公司)

通过以不同的正火预处理模拟相应的热轧、控轧基板组织，并对正火预处理后的Q345D钢板进行最终正火热处理，重点研究了基板组织对Q345D正火钢板组织性能结构的影响，结果表明，在本试验范围内，尽管热轧和控轧正火基板组织对正火Q345D组织中铁素体晶粒尺寸有影响，但影响程度较小，且性能差别也较小。可以采用热轧代替控轧的方式生产低合金高强度正火基板，达到降耗、降低生产成本和提高生产效率的效果。

Q345D正火组织基板

0　引言

低合金高强度钢是目前应用最为广泛的钢种，为了降低正火低合金高强度钢板的生产成本、提高生产效率，本研究通过正火预处理模拟相应的热轧、控轧基板组织，随后对正火预处理后的Q345D钢板进行最终正火热处理，重点研究了基板组织对Q345D正火钢板组织性能结构的影响，为低成本高效生产正火低合金钢板提供了技术方向与理论支撑。

1　试验材料与试验方案设计

选取以150 mm厚铸坯、经炉卷轧机轧制而成的25 mm厚Q345D低合金高强度钢板为试验材料，其化学成分见表1。

表1　试验材料Q345D的化学成分

试验材料通过马弗炉加热保温，淬火介质采用水。试样编号及其工艺参数见表2，具体试验方案如下：

(1)一般而言，控轧和热轧得到的钢板组织晶粒是有差异的，且控轧钢板的晶粒比热轧的更细小。因此，首先利用加热温度和保温时间对正火组织晶粒的影响，分别对试验材料Q345D钢板进行1000 ℃正火和900 ℃正火预处理(1#试样和2#试样)，各保温1 h和40 min，以获得不同晶粒尺寸的显微组织，用以模拟代表热轧和控轧Q345D正火基板的组织。

(2)对步骤(1)正火预处理后的Q345D钢板(1#试样和2#试样)同时进行890 ℃淬火，分别得到11#试样和21#试样，研究基板显微组织对正火相变前奥氏体晶粒大小的影响。

(3)对步骤(1)正火预处理后的Q345D钢板(1#试样和2#试样)同时进行890 ℃正火，分别得到12#试样和22#试样，保温40 min，以此获得最终正火热处理后Q345D钢板的性能与组织，即模拟热轧+正火和控轧+正火两种工艺。

金相试样从热处理后钢板上切取，经镶嵌、磨制、抛光制成，用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，放在金相显微镜上观察钢板的组织，并测量晶粒尺寸。

表2　试样编号及其工艺参数

2　试验结果

2.1各阶段Q345D的显微组织

根据试验方案，各试样的显微组织及其平均晶粒尺寸如图1所示。

(a) 1#试样-25 μm

(b) 2#试样-15 μm

(c) 11#试样-20 μm

(d) 21#试样-15 μm

(e) 12#试样-16 μm

(f) 22#试样-12 μm

从图1可以看出：

(1)正火预处理后，Q345D的显微组织主要由铁素体和珠光体组成。同一块钢板，1000 ℃正火预处理后1#试样铁素体晶粒度为7.5级，晶粒平均尺寸约为25 μm；900 ℃正火预处理后2#试样铁素体晶粒度为9级，晶粒平均尺寸约为15 μm。 2#试样晶粒相对较为细小，与其加热温度较低和保温时间较短有关。鉴于其晶粒尺寸的差别，用1#试样模拟代表热轧时Q345D正火基板组织状态，而用2#试样模拟代表控轧时Q345D正火基板组织状态。

(2)11#试样和21#试样分别用以研究基板组织1#(代表热轧)和2#试样(代表控轧)对Q345D正火相变前奥氏体晶粒尺寸的影响，其中21#试样奥氏体晶粒比11#试样要更细小，其平均奥氏体晶粒尺寸约15 μm，11#试样则为20 μm。换言之，Q345D正火相变前控轧基板的奥氏体晶粒度比热轧基板的相对要细，但差别不大。

(3)1#基板组织和2#基板组织经890 ℃正火分别获得12#试样组织和22#试样组织，12#试样组织和22#试样组织中铁素体晶粒尺寸分别为16 μm和12 μm左右，晶粒尺寸差别并不大。

2.2最终正火Q345D的性能

根据试验方案，步骤(3)最终正火Q345D钢板的力学性能指标见表3。

由表3可知，同样在890 ℃正火，22#试样的屈服和抗拉强度比12#试样约高20 MPa，-20 ℃平均冲击功也高约14 J。与原始钢板(热轧态)力学性能相比，正火态Q345D的屈服强度下降较多，抗拉强度变化不大，延伸率有所增加，-20 ℃平均冲击功值有所增加。综合来看，虽然12#试样和22#试样的力学性能指标有差异，但差别不大，且均能满足低合金高强度钢标准GB/T 1591-2008的要求。

3　讨论与分析

表3　最终正火Q345D的力学性能

2#试样和1#试样相比，铁素体晶粒细小，珠光体团也较为细小并且更为分散。而奥氏体相变时，通常在铁素体和渗碳体两相界面上形核，此外，珠光体领域的边界、铁素体嵌镶块边界都可以成为奥氏体的形核地点。珠光体分散表明奥氏体的形核核心多而分散。奥氏体的形成速度取决于形核率和长大速度。奥氏体形成速度随着加热温度升高而迅速增大，且随着奥氏体形成温度升高，形核率增长速度高于长大速度的增长速率[1]。长大速度一定的情况下，形核率高使得最后形成的奥氏体晶粒较为细小。钢的原始组织愈细，奥氏体形成速度愈快。奥氏体化刚刚终了时，晶粒较细，(随着加热温度进一步升高，时间继续延长，奥氏体晶粒将长大。这一点由21#试样奥氏体晶粒比11#试样更细小即可看出。奥氏体晶粒长大是界面迁移的过程，实质上是原子扩散的过程。为了获得较为细小的奥氏体晶粒，必须同时控制加热温度和保温时间，以及优化钢的成分如加入碳化物、氮化物形成元素，钉扎奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒长大等。在原始奥氏体晶粒粗大情况下，若钢以非平衡组织(如马氏体和贝氏体)加热奥氏体化，则在一定的加热条件下，新形成的奥氏体晶粒会继承和恢复原始粗大的奥氏体晶粒。对铁素体-珠光体的低合金钢，组织遗传倾向较小，即一般不发生组织遗传现象[1]。因此，从整个试验过程可以看出，Q345D钢的正火基板组织影响奥氏体形成速度，进而影响正火相变前奥氏体的晶粒大小，但同一热处理工艺下晶粒尺寸差异较小。

过冷奥氏体向铁素体转变是通过形核与长大进行的。转变速度取决于铁素体的形核率和线长大速度。奥氏体化状态如晶粒度、成分不均匀性、晶界偏聚、剩余碳化物量等，对奥氏体的转变均产生重要影响。奥氏体化温度不同，奥氏体晶粒大小不等，则过冷奥氏体的稳定性不一样。细小的奥氏体晶粒，单位体积内的界面积大，铁素体形核位置多，将促进铁素体转变。当奥氏体晶粒尺寸在20 μm左右时，如果没有加速冷却，其与铁素体晶粒尺寸的变化比基本为1，进而使得相变后的铁素体晶粒也较为细小[2]。也就是说，基板组织的晶粒大小和弥散度不同，影响到正火加热时奥氏体晶粒大小，进而影响最终正火后铁素体晶粒尺寸大小。

不同晶粒尺寸的Q345D正火基板组织(分别模拟代表热轧和控轧)，相变前奥氏体晶粒尺寸分别为20 μm和15 μm，同时经890 ℃正火，钢板组织中铁素体晶粒尺寸分别为16 μm和12 μm左右，其晶粒尺寸差别较小，且力学性能指标基本相当。说明在本试验范围内，尽管热轧和控轧正火基板组织对正火Q345D组织中铁素体晶粒尺寸有影响，但影响程度较小，且性能差别也较小，均能满足标准要求。因此，针对正火低合金高强度钢板，前期轧制时无论采用热轧或控轧，对其正火后钢板的组织性能影响均不大，即可以通过采用热轧代替控轧的方式生产低合金高强度正火基板，从而进一步节能降耗、降低生产成本和提高生产效率。

4　结论

通过不同的正火预处理模拟相应的热轧、控轧基板组织，并对正火预处理后的Q345D钢板进行最终正火，重点研究了基板组织对Q345D正火钢板组织性能的影响，主要得出以下结论：

(1)Q345D钢的正火基板组织影响奥氏体形成速度，进而影响正火相变前奥氏体的晶粒大小，但同一热处理工艺下晶粒尺寸差异较小。

(2)在本试验范围内，尽管热轧和控轧正火基板组织对正火Q345D组织中铁素体晶粒尺寸有影响，但影响程度较小，且性能差别也较小，均能满足标准要求。

(3)针对正火低合金高强度钢板，可以通过采用热轧代替控轧的方式生产低合金高强度正火基板，从而进一步节能降耗、降低生产成本和提高生产效率。

[1]刘宗昌等. 材料组织结构转变原理[M]. 北京：冶金工业出版社，2006:103,127.

[2]王有铭，李曼云，韦光. 钢材的控制轧制和控制冷却[M]. 北京：冶金工业出版社，1995:99.

EFFECT OF MICROSTRUCTURE OF THE SUBSTRATE ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICALPROPERTIES OF THE Q345D STEEL NORMALIZED

Li JingyuGuan LiuhuiPei FengjuanKong Denan

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

The hot rolling and controlled rolling microstructure of the plate are simulated by different normalization pretreatment, and normalizing treatment of Q345D steel plate pretreated is finally carried out, the influence of substrate structures on the microstructure and mechanical properties of the Q345D steel plate normalized is studied. The results show that，in the range of the experiment, original microstructure affects the ferrite grain size of the Q345D microstructure normalized, but that is a lesser extent and the difference of the mechanical properties is smaller. It can be used hot-rolling in place of controlled rolling to produce the high-strength low-alloy steel plate normalized, in order to reduce energy and production costs and improve production efficiency.

high-strength low-alloy steelnormalizationmicrostructuresubstrate

联系人：李静宇，高级工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁股份有限公司技术中心；2016—3—27