45号钢热轧钢板延伸率的影响因素研究

李小同 马立 马晓晓

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-7405

作者简介：

李小同（1985—），女，本科，工程师，研究方向为金属材料。

马立（1984—），男，硕士，高级工程师，研究方向为金属材料。

马晓晓（1982—），女，硕士，工程师，研究方向为金属材料。

摘要：针对45号钢热轧中厚板生产过程中出现的力学性能不合格，尤其是延伸率不合格的情况，进行的关于45号钢热轧钢板延伸率的影响因素的研究。通过对45号钢热轧钢板试样进行宏观性能拉伸试验和微观金相组织观察，将伸长率合格试样与不合格试样在非金属夹杂物、带状组织、珠光体百分含量、晶粒大小等方面进行了对比，得出了影响45号钢热轧钢板延伸率不合格的因素。

关键词：45号钢 延伸率 力学性能 微观金相

中图分类号：TG142.1

延伸率主要指金属发生变形的能力，延伸率是金属试样经屈服变形、弹性变形、拉伸试验，均匀塑性变形和局部塑性变形后的伸长长度与原始长度的比值。一般中碳F+P钢试样均有塑性变形及缩径阶段，且断口为塑性断口，中碳微合金化中厚板采用控轧控冷工艺生产，在提高强度和韧性的同时，延伸性能普遍降低[1]。

因此，所有影响金属连续性和阻碍其变形的因素均可导致延伸率的下降，但由于目前金属材料发展的趋势是提高强度[2]，其中重要的措施是增加其变形的阻力，这就意味着延伸率的下降，因此达到合适的强塑性匹配，是冶金工艺设计的重点之一。

1 影响优质碳素钢延伸率的因素

优质碳素钢延伸率的影响因素主要有珠光体含量、晶粒大小及其均匀性、带状组织、钢中夹杂物、钢材表面状态、析出的碳化物和揭示延伸率影响因素的经验公式等。

2实验过程

本实验采用的试件为生产过程中的热轧碳素结构钢中厚板，对试件进行了宏观性能拉伸试验和微观金相组织观察。

试验过程及结果如下。

2.1现场取样物理检测结果

热轧碳素结构钢中厚板生产过程中出现的力学性能不合格，用物理检测分析方法对延伸率不合格问题进行分析。重点对伸长率不合格的试样进行了金相显微分析，并对伸长率合格与不合格试样的珠光体百分含量、晶粒大小及其均匀性、带状组织、钢中夹杂物等方面进行了对比，在对影响钢板性能的因素加以综合考虑分析的基础上，提出了提高了钢板的延伸性能的措施[3]。

2.2宏观性能拉伸试验

2.2.1取样

试件取自正常生产中的试件，规格为610 mm×7.0 mm。试件标准采用《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》（GB/T 228—2021）。

2.2.2力学性能实验

进行屈服点、抗拉强度以及延伸率的试验，试验设备采用液压式万能试验机（型号：WE—100，试验级别：1 级）。试验结果见表1。

以下的实验结果与45号钢宏观性能的国家标准《优质碳素结构钢》（GB/T 699-2015）相比：屈服强度和抗拉强度符合标准[4]，延伸率<17%为不合格产品不符合国家标准要求。

2.3现场试样的微观金相组织

2.3.1金相实验方案

（1）本次实验共选取20个试件，其中每10个试件为1组，分为①组和②组。按所需的尺寸将试件进行切割，为了观察截面需要避免破坏试件的轧制组织，使用钢锯在样品上截取一定长度的试件。

（2）打磨抛光试样截面。

（3）选用3%的硝酸酒精溶液对试样截面进行腐蚀处理。

（4）在显微镜下观察其金相组织[5]，同时计算铁素体和珠光体的体积百分数，观察铁素体的晶粒度。

1得出试件的晶粒度等级的方法：通过在显示晶粒度和等级放大500倍的显微镜下观察试件截面，然后将标准的晶粒度等级的晶粒大小和视场中的铁素体晶粒大小比较。

2通过测量铁素体的平均晶粒弦长，进而可以得到晶粒尺寸的大小，平均晶粒弦长的计算公式为：

式（1）中：D为晶粒的平均弦长，单位为μm；D1为测试线的总长度，单位为μm；Q为晶界与测试线相交的次数；F为金相照片的放大倍数。

3测定相组成百分率的方法：首先测出金相照片的宽度E，其次测出与该宽度相交的珠光体的总长度M，那么可以得出珠光体的百分含量为长度Ｍ与宽度E的比值。为得获得相对准确的测定结果，本次共测量并计算得出20组数据，通过计算平均值即为测定的珠光体的百分含量[6]。

3实验结果分析

伸长率合格与不合格试件分析表明：伸长率不合格试样的带状组织级别的全部平均值大于合格试件的带状组织级别的全部平均值。通过金相显微观察发现，在不合格试件的截面上存在较为严重的带状组织。带状组织的存在不仅降低了钢材的横向的韧性和塑性，也同样导致钢材的力学性能产生方向性。同时发现大量的硫化物出现在铁素体带上，产生这种表现的原因是S的偏析，表明了S的偏析与带状组织的产生有关系。这是由于加热到奥氏体状态时，碳能优先达到相对均匀，因为碳是间隙型原子，置换型原子的扩散系数比其小几个数量级，而依然存在着其他合金元素和杂质元素的偏析[7]。当温度较低时硫化物大多数在枝晶间隙分散凝固，这种现象会造成轧制时硫化物呈条带状分布并且沿着压延方向，而铁素体在冷却时会以此为核心成形并最终呈条带状分布，温度持续降低，珠光体在剩下奥氏体区域中形成并同样的成条状分布，从而形成了带状组织。由此可以推断，为了使铸锭里的树枝晶在轧制过程中更多的破碎掉应该适当的增加压缩比，从而减少枝晶偏析的程度，以此达到降低带状组织级别的目的[8]。

4 夹杂物分析

大部分存在于钢材中的夹杂物严重影响着钢材的性能，制约着钢材的使用，因此，必须采取有效措施，减少钢中夹杂物[9]，提高钢材的使用性能。

夹杂物的存在，有损钢材的韧性和塑性，其危害程度主要取决于夹杂物的大小、数量、类型、形态和分布[10]夹杂物愈大，钢的韧性愈低；夹杂物愈多，夹杂物间距愈小，钢的韧性和塑性愈低。

按化学组成成分钢材中的非金属夹杂物可分为氮（碳）化物、硫化物、氧化物、磷化物等；按夹杂物的塑性可以分为脆性夹杂物、塑性夹杂物、点状不变形夹杂物（球状夹杂物）；按夹杂物来源的不同，可以分为显微夹杂、内生夹杂物、外来夹杂物、大型夹杂（宏观夹杂）；从夹杂物内部构成来看，内生夹杂物可以是多相构成，也可以是单相构成，可以是由复杂的夹杂物组成的，也可以是简单的夹杂物组成的。在铸坯凝固和后续降温过程中[11]，夹杂物与钢基体保持平衡的同时本身也不断发生改变，比如析出新的化合物以趋于稳定状态。我们对钢材实施热处理或轧制过程时，通过加热过程可以提供高温环境，该高温环境的作用是促进钢基体和钢中夹杂物之间趋向平衡，所以我们在常温环境下所观察到的都是经过一系列复杂变化形成的夹杂物。

《钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法》（GB/T10561-2023）非金属夹杂物含量测定[12]，将非金属夹杂物分为A类（硫化物类型）、B类（氧化物类型）、C类（硅酸盐类型）和D类（球状氧化物类型）和DS类（单颗粒球状类）等5种类型。其检验结果见表3。

根据表3数据可知，在所检验的试样中没有发现DS类夹杂物，B类也比较少。非金属夹杂物主要是A类和C类夹杂物较多，伸长率合格试样A类夹杂物分布范围为1.5～3.0级，不合格试样为2.5～4.5级。C类夹杂物级别分布范围为：伸长率合格试样为1.5～3.0级，不合试样为2.0～3.5级。

不合格试样的A类、C类夹杂物高于合格试样，这是因为一般情况下钢中的硅酸盐和塑性夹杂物硫化物在轧制过程中沿轧制方向延伸并形成条带状，带状夹杂物（A类、C类）是造成拉伸时形成内部颈缩的原因，形变集中在局部则是源于内部颈缩的出现，使破坏过程加速引起延伸率降低，造成延伸率不合格。

5结论

（1）造成45号热轧钢板力学性能，尤其是延伸率不合格的主要原因之一是珠光体含量高，建议优化并严格控制轧制生产工艺，使冷却速度降低，使卷取温度提高，并对终轧和卷取温度控制精度进行提升，从而使珠光体含量可以达到80%以下。

（2）造成延伸率不合格的主要原因之一是带状组织级别较高和硫化物较多。建议加强脱S减少硫化物的生成，同时在轧制时可以适当增加压缩比从而使内部颈缩不易形成，达到提高钢板延伸率的目的。

（3）通过对化学成分统计分析，发现炼钢S、P化学成分偏于标准上限，在统计的17炉中，有12炉S、P含量0.030%，偏于标准上限，且占到统计数量的70%，建议提高冶金质量，严控制S、P含量，把S、P含量降到最低。

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