Q345E钢板低温冲击性能影响因素分析

徐 壮，张 楠（天津钢铁集团有限公司炼轧厂，天津300301）

0 引言

低合金高强度钢板以其良好的综合力学性能广泛被应用于汽车、建筑、船舶、铁路、车辆等领域。某公司中厚板厂采用四辊可逆式轧机可以轧制厚度为8~150 mm的中厚板，但是该公司自从生产低合金高强度钢板Q345E以来，低温冲击性能较低一直是影响该产品质量的主要问题，对生产和销售造成了很大影响。因此，分析Q345E钢板低温冲击性能的影响因素，改善其低温冲击性能，提高产品的合格率就显得十分必要。

1 低温冲击性能影响因素分析

随机选取5片Q345E钢板，在每片钢板上各取1套力学试样，从生产及检测数据进行分析，主要有以下几个因素影响Q345E钢板的低温冲击性能。

1.1 化学成分及力学性能

试样的化学成分见表1。

表1 试样的化学成分 /%

相关文献表明，钢中不同的化学成分可以直接影响钢板的低温冲击性能。其中，碳元素是以间隙式固溶强化的元素存在于钢水中的，间隙式固溶强化的效果对铁素体基体的强化效果比较大，所以钢板的强度随着碳含量的增加而提高，但是碳元素会造成钢板的塑性、韧性下降。硅元素、锰元素是以置换式固溶强化元素存在于钢水中的，它们的强化效果较弱，对塑性、韧性影响也比较小。硫元素、磷元素是残存在钢中的有害元素，尤其是磷元素，会使钢板产生蓝脆现象，影响钢板的低温冲击性能，故要尽量降低硫元素和磷元素的含量[1]。

从表1中可以看出，5个试样的化学成分没有较大差异，各个化学元素的含量均在标准和内控范围之内，其中硫元素和磷元素含量处于较低水平，有利于形成较好的力学性能。

从表2中可以看出，5个试样的力学性能尤其是低温冲击性能差异较大。表1已经说明5个试样的化学成分没有较大差异，这说明Q345E样品的化学成分并不是造成钢板低温冲击性能偏低的主要原因。

1.2 终轧温度

表3为Q345E钢板的轧制工艺参数。从表2、表3可以看出，2#试样和3#样品的化学成分相差不大时，终轧温度较低的3#样品晶粒尺寸比较均匀细小，带状组织级别较小，低温冲击性能比较好。

这是由于终轧温度较高的时候，奥氏体充分地进行再结晶，晶粒长大，在相变后得到粗大的奥氏体晶粒，使钢板的力学性能变差，降低钢板的低温冲击性能。终轧温度较高，还会使钢板表面产生氧化铁皮，影响钢板的表面质量。因此在轧制低合金高强度钢板Q345E时，终轧温度应高于Ar3线约50~100℃，以便在终轧以后使钢板迅速冷却到相变温度，获得细小的晶粒组织，使钢板的强度及塑韧性提高[2]。

1.3 终冷温度

由表3可以看出，1#样品、3#样品及4#样品的化学成分、开轧温度、终轧温度及开冷温度相差不大，终冷温度分别为580、670及730℃。其中，1#样品的延伸率不合格，屈服强度和抗拉强度明显比3#和4#样品高。这是由于1#样品终冷温度较低，易形成贝氏体组织，导致强度较高、韧性较低。3#样品工艺执行情况较好，从力学性能上，钢板强度和低温冲击性能都比较好。4#样品没有经过层流冷却，屈服强度和抗拉强度比3#样品低，从金相组织上看，带状组织稍微严重，为3.5级，但由于其终轧温度较低，所以晶粒度也达到9级，但是低温冲击性能没有3#样品的好。

终冷温度过高会降低钢板的低温冲击性能值，而比较低的终冷温度对钢板的冲击值提高影响不大，但是会影响钢板的板形[3]。综合以上考虑，比较合适的终冷温度应该控制在670℃左右。

1.4 道次压下率

表2 Q345E钢板的力学性能及带状级别和晶粒度尺寸

表3 Q345E钢板轧制工艺参数/℃

有文献表明，道次压下率也会对Q345E钢板的低温冲击性能有一定的影响，低温冲击性能合格的钢板压下率一般为15%，最大的道次压下率最好不要超过30%。而低温冲击韧性不合格的钢板压下率比较低，一般为10%左右，且随着道次压下量的降低，高强度钢板的平均冲击性能也随之降低。道次压下量较小，轧制的道次就会增加，不利用控制温度和钢板的板型。

因此钢板在粗轧阶段，为了避免晶粒过分长大，道次压下率应该控制在15%~20%，其原因是增加道次压下量后，晶粒的尺寸有所减小，钢板的各项异性也有所改善，使钢板的强度及塑韧性显著提高[4]。

1.5 金相组织

从表2可以看出，4#样品的带状组织最严重，4#样品的带状组织如图1所示，其低温冲击性能值和 2#、3#、5#样品相比最低，组织也没有 2#、3#、5#样品均匀。

带状组织的产生多由成分偏析所引起，成分偏析越严重，带状组织也越严重。带状组织中铁素体和珠光体交替呈层状分布，造成钢板的组织不均匀，使钢板产生明显的各向异性，影响钢板的性能，降低钢板的低温冲击韧性。

对于2#、3#、5#样品，在带状组织级别相同的情况下，晶粒度级别最低的2#样品低温冲击性能值最低，说明晶粒度的大小会影响钢板的低温冲击性能。从理论上分析，样品的晶粒度级别越高，晶粒就越细小，单位体积中包含的晶粒数量就越多，试样在轧制过程中形变时，变形量就分散在更多的晶粒中，从而产生较为均匀的塑性变形，避免出现应力集中的情况而引发裂纹产生。同时，晶粒细化使得晶界的面积增大，增强晶粒之间的结合力及位错密度可以提高钢板的低温冲击性能。

图1 4#样品的带状组织

1.6 金相及扫描电镜分析

利用金相显微镜和扫描电镜对低温冲击性能值低的1#钢板基体夹杂物和冲击断口进行观察，基体夹杂物的照片及低温冲击断口扫描图片和能谱分析见图2。

图2 1#样品基体夹杂物照片及夹杂物扫描图片和能谱分析

对基体夹杂物进行检测，A类夹杂物为2.5级，如图2（a）所示，Ds类夹杂物为1.0级；从冲击断口的低倍照片可以看出，冲击断口有明显的纤维区、扩展区和剪切区，低倍形貌如图2（b）所示；放大观察，纤维区较大的韧窝中存在碎裂的MnS夹杂，形貌及能谱分析如图 2（c）、图 2（d）所示。

硫化锰夹杂物对于钢板的冲击性能影响很大，因为MnS夹杂物在轧制过程中会沿着轧制方向随着钢板一起变形，会引起钢板的各向异性，降低钢板的横向性能，影响Q345E钢板的低温冲击性能。

2 改进措施

综合以上试验检测分析发现，钢中的夹杂物、带状组织、贝氏体硬相组织及晶粒度等因素都会影响Q345E钢板的低温冲击性能，要减少以上因素对钢板低温冲击性能的影响，结合生产实际，某厂家采取了以下几个措施。

严格控制冶炼过程中磷元素、硫元素的含量。在炼钢过程中采用合适的脱氧制度，促进大颗粒夹杂物的形成，使其充分的上浮；在脱氧和吹氩后，确保有足够的镇定时间可以排除细小的夹杂物；在出钢时应经常调整出钢口，避免钢流的发散；浇注时可采用保护浇注或真空浇注；连铸时，可采用插入式长水口浇注，尽量减少硫化锰夹杂物。

应加快结晶速度，或采用电磁搅拌技术或凝固末端轻压下技术等来降低成分偏析。

增加粗轧道次的压下率，进而得到细小的晶粒，提高钢板的综合力学性能。

降低Q345E钢板的精轧开轧温度，进而降低终轧温度，细化奥氏体的晶粒尺寸，避免出现贝氏体等不利于Q345E钢板低温冲击性能的硬相组织。

Q345E钢板轧后应使用层流冷却技术，加大Q345E钢板的冷却强度，弱化Q345E钢板的带状组织，改善其低温冲击性能。

某厂家在生产实践过程中使用改进措施后，Q345E钢板的低温冲击性能大大提高，低温冲击性能平均值由74J提高到147J，取得了较好的实际生产效果。

3 结论

Q345E钢板低温冲击性能较低的主要原因是由钢中夹杂物、带状组织、贝氏体硬相组织及晶粒度等。通过控制钢中夹杂物、减轻成分偏析、提高粗轧道次压下率、降低终轧温度、采用层流冷却技术加大钢板冷却强度等措施，明显改善了Q345E钢板低温冲击性能。