摘 要:在某批次熱機(jī)械軋制 Q420GJC鋼厚板驗(yàn)收時(shí),發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能不合格,且?guī)状瘟W(xué)性 能測試結(jié)果的差異較大。采用化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、硬度測試、金相檢驗(yàn)等方法對該鋼板力學(xué) 性能不合格的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:在厚度方向上,該鋼板的顯微組織分布不均勻,且屈服強(qiáng) 度、抗拉強(qiáng)度以及硬度均存在較大差異。建議采用全厚度矩形拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn),以避免對鋼板產(chǎn) 品性能的判定出現(xiàn)爭議。
關(guān)鍵詞:熱機(jī)械軋制;Q420GJC鋼;拉伸試驗(yàn);顯微組織;力學(xué)性能
中圖分類號:TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)06-0066-03
某 批 次 熱 機(jī) 械 軋 制 鋼 板 (TMCP)材 料 為 Q420GJC鋼,厚度為55mm。按照 GB/T2975— 2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制 備》,在鋼板1/4厚度處取直徑為10mm 的圓棒拉 伸試樣,并按照GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸 試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn),并在 鋼板1/4厚度附近位置取樣,再次進(jìn)行2次拉伸試 驗(yàn),3次力學(xué)性能測試的結(jié)果如表1所示。由表1 可知:初始測得的屈服強(qiáng)度為375MPa,抗拉強(qiáng)度為 543 MPa,其 中 屈 服 強(qiáng) 度 比 標(biāo) 準(zhǔn) 要 求 的 下 限 410MPa低了35MPa;2次復(fù)驗(yàn)測得的屈服強(qiáng)度分 別為401MPa和418MPa,比初始測得的屈服強(qiáng)度 增大了約40MPa,且2次復(fù)驗(yàn)測得的抗拉強(qiáng)度也相 差41MPa。
該鋼板的力學(xué)性能差異較大,對拉伸試驗(yàn)過程 進(jìn)行排查,排除了人為和試驗(yàn)設(shè)備的原因。針對這 一問題,筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),研究了該 Q420GJC鋼板力學(xué)性能不合格以及測試結(jié)果差異 大的原因,并提出了相關(guān)改進(jìn)建議,以避免對鋼板產(chǎn) 品性能的判定出現(xiàn)爭議。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 化學(xué)成分分析
對該 Q420GJC鋼板進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果 如表2所示,可見鋼板的主要化學(xué)元素的含量均符 合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,因此可以排除鋼板取樣、制樣或煉 鋼過程化學(xué)成分控制偏離的原因。
1.2 不同厚度位置的拉伸試驗(yàn)
考慮到鋼板厚度為55mm,且力學(xué)性能測試結(jié)果 的差異較大,有可能是圓棒拉伸試樣的取樣位置存在 偏差所致,因此在鋼板7個(gè)不同厚度位置取樣進(jìn)行拉 伸試驗(yàn),取樣位置如圖1所示,其中位置1位于上表 面下方12mm 處,位置2位于上表面下方14mm (1/4厚度)處,位置3位于上表面下方17mm處,位 置4位于鋼板心部(1/2厚度),位置5位于下表面上 方17mm處,位置6位于下表面上方14mm(3/4厚 度)處,位置7位于下表面上方12mm處。
將試樣加工成直徑為10mm的圓棒試樣,此外 還加工了一個(gè)全厚度矩形截面拉伸試樣,對試樣進(jìn) 行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。由表3可知:位置 1~7的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化趨勢總體一致,其 中位置1和位置7的力學(xué)性能最好,其屈服強(qiáng)度分 別為 459 MPa 和 488 MPa,抗 拉 強(qiáng) 度 分 別 為 604MPa和631MPa;鋼板1/4厚度處(位置2)和 3/4厚 度 處 (位 置 6)的 屈 服 強(qiáng) 度 分 別 降 低 至 415MPa 和 432 MPa,抗 拉 強(qiáng) 度 分 別 降 低 至 575MPa和587MPa;鋼板中心(位置3和位置5) 的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)降低,其中屈服強(qiáng)度分 別降至394MPa和409MPa,已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的 下限(410MPa),鋼板中心處(位置4)的屈服強(qiáng)度和 抗拉強(qiáng)度最低,分別為372MPa和531MPa;全厚 度矩形拉伸試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為438 MPa和589MPa,大于鋼板1/4厚度處和3/4厚度 處的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.3 不同厚度位置的硬度測試
從鋼板上表面沿鋼板厚度方向每隔2mm 取 樣,進(jìn)行維氏硬度測試,直到覆蓋鋼板全厚度,鋼板 厚度方向的硬度分布曲線如圖2所示。圖2中的曲 線形狀呈現(xiàn)出兩頭高、中間低的“碗”形分布特征,其中鋼板上、下表面的硬度最大,約為220HV;鋼板 1/4和3/4厚度處的硬度降至183HV和194HV; 鋼板心部處的硬度最低降至165HV,比鋼板表面 硬度降低了55HV。硬度測試結(jié)果與力學(xué)性能測 試結(jié)果基本吻合,符合碳鋼硬度與抗拉強(qiáng)度成正比 關(guān)系的一般規(guī)律。
1.4 金相檢驗(yàn)
在拉伸試樣的鄰近位置截取全厚度金相試樣, 經(jīng)研磨、拋光后,用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇溶液腐 蝕,然后在光學(xué)顯微鏡下對鋼板不同厚度處的顯微 組織進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:鋼板 上、下表面附近的組織為貝氏體+少量針狀鐵素體; 1/4厚度處的組織是針狀鐵素體+珠光體,且中間 夾雜著少量粗大多邊形鐵素體;1/2厚度處的組織 是鐵素體+珠光體,其中粗大多邊形鐵素體含量較 多,晶粒尺寸較大;3/4厚度處的顯微組織主要是貝 氏體+少量鐵素體,該處的晶粒尺寸比上、下表面附 近的晶粒尺寸大。
2 綜合分析
基 于 該 實(shí) 驗(yàn) 室 的 試 驗(yàn) 機(jī) 能 力 以 及 GB/T 2975—2018的要求,對于厚規(guī)格(厚度大于50mm) TMCP鋼板,通常采用1/4厚度處的圓截面拉伸試 樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),而此次試驗(yàn)中,該位置圓棒拉伸試 樣的屈服強(qiáng)度波動較大,上述位置2和位置3的拉 伸試 樣 取 樣 位 置 僅 相 差 3 mm,屈 服 強(qiáng) 度 相 差 21MPa。雖然鋼板全厚度矩形拉伸試樣的屈服強(qiáng) 度滿足產(chǎn)品規(guī)定,但鋼板1/4厚度處的圓棒力學(xué)性 能已無法代表鋼板的整體性能。從鋼板不同厚度位 置的硬度分布曲線上也能發(fā)現(xiàn),鋼板1/4厚度處的 硬度變化非常大,這與力學(xué)性能測試結(jié)果相吻合。 從金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,不同厚度位置的組織差異較 大,1/4厚度處的顯微組織無法代表全厚度的組織 形態(tài)。考慮到實(shí)際試樣加工過程中的位置偏差不可 避免,采用1/4厚度處的圓棒拉伸試樣在特殊情況 下會影響產(chǎn)品的性能判定。因此,對于 TMCP鋼 板,當(dāng)機(jī)加工和試驗(yàn)機(jī)能力允許時(shí),應(yīng)使用全厚度試 樣,或在產(chǎn)品協(xié)議中對拉伸試樣的類型進(jìn)行明確規(guī) 定,否則容易引起性能異議。
按照鋼板的化學(xué)成分和軋制工藝,正常情況下 鋼板的顯微組織應(yīng)為貝氏體[1],且不同厚度位置的 組織應(yīng)相對均勻一致,而該鋼板不同厚度位置的顯 微組織截然不同,產(chǎn)生該異?，F(xiàn)象的原因可能是軋 制過程中某個(gè)控制步驟出現(xiàn)了偏差,如終軋溫度偏高、冷卻速率較慢等,從而影響了鋼板內(nèi)部組織的相 變過程,導(dǎo)致貝氏體轉(zhuǎn)變僅發(fā)生在鋼板的上、下表面 處,鋼板內(nèi)部發(fā)生的是鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變,最終使 鋼板在不同厚度位置形成了差異較大的顯微組 織[2-3]。要探究發(fā)生該異常的確切原因需要對鋼板 整個(gè)軋制工藝過程進(jìn)行更深入的調(diào)查。
3 結(jié)論與建議
(1)該鋼板力學(xué)性能異常原因是鋼板軋制過程 中某些控制步驟出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致鋼板內(nèi)部在厚度方向 上的顯微組織分布不均勻,造成1/4厚度處圓棒試樣 的力學(xué)性能不穩(wěn)定,無法有效代表鋼板的整體性能。
(2)對于TMCP厚規(guī)格鋼板,供貨雙方宜在產(chǎn) 品協(xié)議中對拉伸試樣的類型進(jìn)行規(guī)定,當(dāng)產(chǎn)品性能 有爭議時(shí),應(yīng)采用全厚度矩形拉伸試樣進(jìn)行仲裁。 此外,在新產(chǎn)品開發(fā)或發(fā)生產(chǎn)品性能質(zhì)量糾紛時(shí),可 對鋼板不同厚度處的力學(xué)性能進(jìn)行全面分析。
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