30～40mmQ345qE鋼板沖擊不合分析與改進

趙虎

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

隨著我國西部地區經濟建設速度加快，各種鐵路、公路、城市高架等橋梁建設中鋼結構的比例正在增加。八鋼生產的Q345qE鋼板主要用于制造新疆、甘肅等地區的鋼結構橋梁。鐵路或公路橋梁承受車輛的沖擊載荷，要求鋼板有較高的強度、韌性和抗疲勞性，拴焊橋梁用鋼還應具有良好的焊接性能和低的缺口敏感性。新疆、甘肅等地區環境惡劣，冬季極端氣溫低，要求鋼板要有良好的低溫沖擊韌性。

八鋼在120t轉爐和4200/3500mm中厚板產線生產厚度30～40mmQ345qE鋼板時，-40℃低溫沖擊性能不穩定，一組試樣有1～2個沖擊值不符合GB/T 714-2008標準，合格率只有81.48%，鋼板降級改判量大。筆者對沖擊不合的原因進行了分析，通過工藝改進提高了沖擊性能合格率。

2 生產工藝條件

2.1 工藝流程

厚度30～40mm Q345 qE鋼板采用120t轉爐冶煉的220mm板坯，在4200/3500中厚板生產線軋制。工藝路線：鐵水預脫硫-120噸轉爐冶煉-LF精煉-RH精煉-板坯連鑄-加熱-高壓水除鱗-軋制-矯直-堆緩冷-探傷-剪切-取樣-檢驗-入庫。

表1 化學成分 wt, %

表1 化學成分 wt, %

元素 C Si Mn P S Nb CEV GB/T 714 ≤0.18 ≤0.55 0.90～1.7 ≤0.02 ≤0.01 ≤0.06 ≤0.43內控范圍 0.11～0.14 0.3～0.4 1.25～1.35 ≤0.015 ≤0.005 適量 0.35～0.38

2.2 化學成分

用于生產30～40mm Q345qE鋼板的化學成分見表1。添加Nb、V、Ti等微合金元素細化晶粒和提高性能。通過LF+RH爐外精煉，降低S、P含量和有害氣體，保證成分穩定和鋼質純凈。

2.3 軋制工藝

軋制工藝采用Ⅱ型控制軋制。板坯加熱后，在4200粗軋機軋制成一定厚度的中間坯，空冷待溫后在精軋機軋制到成品厚度。主要工藝參數：加熱溫度1220～1280℃，加熱時間大于210分鐘；粗軋結束溫度大于950℃，中間坯厚度2～2.4倍成品厚度，道次壓下率8%～15%；精軋開軋溫度850～880℃，終軋溫度790～830℃，道次壓下率10%～15%。

3 關于沖擊不合的討論

在不合格試樣斷口附件制取金相試樣，圖1(a、b)是35mm鋼板厚度1/4處-40℃沖擊不合格試樣500倍的顯微組織。組織主要由鐵素體和珠光體組成。從金相組織可以看出，晶粒不均勻，平均晶粒度8～8.5級，粗晶粒尺寸是細晶粒的3～4倍，粗晶粒周圍存在大塊珠光體。

圖1 不合格試樣的顯微組織

3.1 組織不均勻對沖擊韌性的影響

沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，當強度和塑性同時增加時，沖擊值提高。決定鋼板強度和韌性的主要因素是化學成分和熱軋條件，采用控軋工藝生產的Q345qE鋼板在高溫奧氏體再結晶區軋制和低溫非再結晶奧氏體區終軋，主要微觀組織是鐵素體和珠光體，韌性只取決于晶粒大小[1]。組織嚴重不均勻的混晶鋼，沖擊值介于粗晶粒與細晶粒之間。奧氏體晶粒尺寸差異較大時，鐵素體轉變過程生成的滲碳體不均勻分布，在C成分較高區域易形成脆性的塊狀珠光體。統計八鋼中厚板歷年的生產數據，在晶粒度等級小于8級，且鋼板的組織嚴重不均勻時，沖擊值離散度增大，合格率降低。因此，筆者認為，造成30～40mm Q345qE沖擊不合的主要原因是晶粒尺寸和均勻性，組織均勻性對沖擊離散度的影響更大。

3.2 影響晶粒尺寸和均勻性的工藝條件

對于Q345qE低合金結構鋼板，細化相變前的奧氏體晶粒、在鋼中加入碳氮化物形成元素(V、Nb、Ti等)、促進微合金化元素碳氮化物的析出、增加奧氏體內部形核質點等是常用的細化晶粒方法。采用奧氏體再結晶區和未再結晶區的Ⅱ型控軋工藝生產時，加熱、粗軋、精軋等工藝影響晶粒細化效果。起始奧氏體的晶粒尺寸和均勻性將影響鐵素體的尺寸和均勻性。

連鑄坯不同部位的組織尺寸存在顯著差異，從表面的約 30～50μm 增大到中部的 150～200μm[2]。板坯在加熱過程中晶粒長大，并形成尺寸不均勻的大晶粒和小晶粒。C-Mn-Nb鋼在1200℃時晶粒開始粗化，1300℃時始奧氏體晶粒尺寸接近400μm[3]。

粗軋階段在大于950℃的奧氏體再結晶溫度區間進行軋制，當道次壓下量大于臨界變形量時發生動態再結晶，變形程度需大于5%。板坯在軋制時發生彈塑性變形，在厚度方向上晶粒變形程度不同，心部小于表層。變形深入到板坯心部的條件是變形區系數2/h大于0.518[4]，即道次壓下率大于10%～15%時板坯心部可發生動態再結晶[5]。再結晶按照形核長大機制進行，最優先在“三叉晶界”形核，并以被壓扁的奧氏體晶粒厚度為基準形成新的晶粒。奧氏體晶粒經過反復軋制壓扁和再結晶，晶粒迅速減小，大晶粒細化明顯，而小晶粒細化緩慢，晶粒尺寸逐漸變小并趨于收斂。但在部分再結晶區軋制時，大晶粒更難實現再結晶細化[3]，大、小晶粒的尺寸差會擴大，不均勻程度加劇。

精軋階段在900℃以下軋制時，奧氏體不發生再結晶。按照彈塑性變形機理，奧氏體晶粒被壓扁拉長，呈層狀排布，累計變形量愈大晶粒壓扁越嚴重，厚度方向上晶粒壓扁越均勻。鋼板溫度降低到Ar3時開始發生鐵素體相變，相變過程按照形核長大機理進行，除了在扁平的奧氏體晶界上形成鐵素體晶核外，還會在高位錯密度的變形帶上形核。鐵素體晶粒尺寸與形核點數量與奧氏體晶粒表面積成正比[6]。形核點數量與奧氏體晶粒的表面積、碳氮化物析出和過冷度等因素正相關。奧氏體晶粒表面積則取決于精軋階段在未再結晶區軋制的應變累積程度。為了促使奧氏體均勻變形并生成均勻分布的形核點，需要累計壓下量達到一定的工藝“閥值”。鋼板軋制結束后，長條狀的奧氏體晶粒以厚度為基準、以鐵素體形核點為核心，相變為鐵素體晶粒。在鐵素體相變過程中碳析出，富集在鐵素體晶粒帶之間，與未相變的奧氏體形成帶狀或塊狀分布的珠光體。

統計分析30～40mmQ345qE鋼板-40℃低溫沖擊韌性，待溫厚度與沖擊存在對應關系。隨著累計壓下量的增加，沖擊值增大，如圖2所示。當待溫厚度小于2.41H時沖擊均值較低，離散度較大；當待溫厚度達到2.72H時沖擊均值明顯增大，離散度減小，沖擊值趨于穩定。待溫厚度2.41H對應的精軋累計壓下率58.7%，待溫厚度2.72H對應的精軋累計壓下率63.2%。

圖2 待溫厚度與低溫韌性

3.3 軋制條件分析

Q345qE鋼板采用Ⅱ型控軋和縱-橫軋模式生產時，軋制模型根據板坯尺寸、待溫厚度和鋼板目標尺寸，將軋制過程分為三個階段，計算出各階段的開始厚度和終止厚度，按照軋制力和軋制力矩限幅均勻分配各道次軋制負荷。在粗軋展寬階段，軋件較厚，軋制力小，軋制扭矩大，力矩作為主要的限制條件。在粗軋伸長階段，隨著軋件減薄，軋制力矩減小，按照軋制力限制條件分配壓下量。

八鋼中厚板4200粗軋機在軋輥直徑985mm時，不同坯厚滿足變形區系數等于0.518條件所需的的道次壓下率如圖3所示。按照4200粗軋機單軸抗疲勞扭矩2650kN·m，實際的軋制能力為：展寬階段壓下率8%～15%、伸長階段壓下率15%～24%。在展寬階段的前幾道次變形不能深入到板坯心部。因此，減小坯料厚度和長度、提高軋制溫度，可減小軋制負荷，有利于使全厚度發生完全再結晶。同時，通過調整待溫厚度，使伸長階段的道次壓下率大于15%，也可以彌補前幾道次壓下量不足的問題，從而提高厚度方向的組織均勻性。

厚鋼板表面和心部溫差較大，鋼板越厚，溫差越大。30～40mm鋼板待溫厚度在70～110mm。精軋階段的開軋溫度和終軋溫度應保證鋼板全厚度在奧氏體未再結晶溫度區間軋制。為了強化細晶強化和析出強化的效果，還需要考慮成品鋼板厚度方向的溫度差異，通常采用降低鋼板的終軋溫度來實現。隨著軋制溫度降低，原子擴散能力減弱，抑制了軋后空冷階段的組織回復和軟化，軋制產生的位錯和變形帶等晶內缺陷得以更多保留，在相變前形成更多的鐵素體晶核。因此，為了更好的實現控軋效果，厚規格鋼板需要增加有利于擴大奧氏體未再結晶區的元素。

圖3 =0.518的道次壓下率

4 工藝改進

細化晶粒和提高組織均勻性可有效改善C-Mn-Nb鋼強韌性。根據上述分析，原軋制工藝中加熱溫度、精軋開終軋溫度、待溫厚度等不完全符合細化晶粒和提高均勻性的工藝條件。據此，系統優化了30～40mmQ345qE鋼板的軋制工藝參數。在實現Nb充分固溶的情況下，兼顧粗軋機設備能力，降低加熱溫度；粗軋避免5%以下道次壓下率軋制，末幾道次的壓下率大于15%，粗軋結束溫度大于980℃；中間坯厚度大于2.5倍成品厚度，精軋階段按厚度分檔設定待溫策略，開軋溫度小于850℃，終軋溫度接近Ar3，保證鋼板全厚度在未再結晶區軋制。

另外，結合GB/T714-2015將Q345qE沖擊標準由47J提高到120J的要求，為了進一步強化控軋效果并細化晶粒，按照“降C、增Mn、加Nb”的原則對化學成分進行了調整。珠光體在增加強度的同時，降低材料的塑性，使沖擊韌性降低，降低碳含量可以減少珠光體。增加錳含量和Mn：C，可以降低Ar3溫度，提高鐵素體晶粒的細化程度并改進相變微觀組織。增加Nb含量，可抑制加熱過程中奧氏體晶粒長大，還可提高奧氏體再結晶溫度，在低溫軋制過程中鈮的碳氮化物析出增加鐵素體形核點。

通過調整化學成分和優化軋制工藝，30～40mm Q345qE鋼板的低溫沖擊平臺提高，離散度減小，力學性能穩定。按改進后的成分體系和軋制工藝生產的鋼板共檢驗193批次，-40℃沖擊平均值253J，合格率99.48%，沖擊值分布如圖4所示，Cpk指數為2.02。為了檢驗工藝效果，對鋼板取樣進行金相觀察，圖5是35mm鋼板厚度1/4處500倍的顯微組織。組織為均勻的鐵素體和珠光體，晶粒度9級。

圖4 -40℃沖擊的過程能力

5 結束語

分析認為：晶粒尺寸和組織均勻性對Q345qE低溫韌性至關重要，也是導致30～40mm鋼板-40℃沖擊不合和離散度大的主要原因；粗軋道次壓下率和精軋累計變形量是影響晶粒尺寸和均勻性的主要因素；根據降碳、增錳、加鈮的原則，調整了30～40mmQ345qE鋼化學成分,中厚板軋制過程中采取了增加粗軋道次壓下量、待溫厚度大于2.5H等措施。檢測結果表明，鋼板獲得均勻細化的鐵素體晶粒，沖擊平臺提高，減小了沖擊值離散度，低溫沖擊韌性合格率大幅提升。

[1] 田村今男,王國棟，劉振宇，熊尚武譯．高強度低合金鋼的控制軋制與控制冷卻[M]．北京：冶金工業出版社．1992．

[2] 何建中，劉雅政，等.連鑄坯組織影響混晶產生的研究[J]．鋼鐵，2005，(2)．

[3] 盧文增，張衛東.多道次熱軋形變中混晶的細化規律[J]．鋼鐵研究學報，1990，(3)

[4] 王國棟，趙德文．現代材料成形力學[M]．沈陽：東北大學出版社，2004．

[5] 朱伏先，李艷梅，劉彥春，王國棟，等.Q345鋼奧氏體再結晶行為對組織和性能的影響[J]．東北大學學報（自然科學版），2005，(6)．

[6] 小指軍夫.李伏桃，陳巋譯．控制軋制控制冷卻一改善材質的軋制技術發展[M]．北京：冶金工業出版社，2002．