含Nb微合金化Q345厚鋼板組織結構及性能研究

段莉蕾

(一重集團大連核電石化有限公司,遼寧大連 116113)

0 引言

Q345鋼具有較高強度、良好的低溫沖擊韌性,是我國產量較大、應用較廣的低合金鋼。傳統的Q345鋼主要是鐵素體加珠光體鋼,這種鋼室溫和高溫強度較低,隨著對高強度級別大尺寸中厚鋼板的需求,國內鋼廠通過微合金化處理和控軋控冷等先進冶金技術,開發了Nb,V,Ti等微合金化處理Q345鋼,提高厚鋼板的強度指標[1-5]。本文對某鋼廠生產的含Nb微合金化Q345厚鋼板,開展了不同厚度截面的強度、低溫韌性綜合性能試驗,分析了力學性能變化規律及其組織結構。

1 材料與試驗方法

試驗的Q345鋼板厚85 mm,鋼中加入了0.02%Nb微合金化元素,成分見表1。鋼板以正火后加速冷卻加回火交貨,連鑄坯壓縮比大于3。正火溫度890～930 ℃,出爐后淬火加速冷卻;回火溫度630～670 ℃,出爐后空冷。

表1 鋼的化學成分

在鋼板表面、厚度1/4(T/4)、厚度1/2(T/2)位置分別制取拉伸試樣和沖擊試樣,試樣的軸線垂直于鋼板軋制方向。拉伸試驗按照標準GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》執行,試樣尺寸?10 mm。沖擊試驗按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》執行,試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm,V型缺口,缺口軸線垂直于軋制表面。拉伸和沖擊取樣示意見圖1。

圖1 試樣取樣示意

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸性能

拉伸試驗斷裂后的試樣見圖2,鋼板室溫拉伸性能結果見表2。從鋼板表面到心部,抗拉強度、屈服強度呈下降趨勢,屈強比降低,塑性提高。鋼板表面強度顯著提高,抗拉強度Rm比T/4和T/2位置分別提高76,107 MPa;屈服強度ReL分別提高106,151 MPa。

圖2 拉伸試驗斷裂后的試樣

表2 交貨態Q345鋼板室溫拉伸性能

將拉斷試樣非變形的螺紋端縱向切割,經打磨拋光后,采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕,觀察微觀組織,見圖3。鋼板表面的組織由兩部分組成,見圖3(a),上部區域1組織粗大,約占拉伸試樣橫截面的一半,由板條貝氏體、具有馬氏體位向的索氏體和少量鐵素體組成,晶粒尺寸大小不一,較大塊狀組織達到了百微米級;下部區域2組織明顯細小,由粒狀貝氏體、索氏體和鐵素體組成,大部分晶粒尺寸30 μm左右。T/4厚度截面的組織較均勻一致,與1-1試樣下部區域的組織構成相差不大,鐵素體數量相對較多,見圖3(b)。T/2厚度截面組織細小,由準多邊形鐵素體和索氏體組成,鐵素體數量明顯增多,棱角更加圓滑,大部分晶粒尺寸40 μm左右。

(a)1-1試樣

Nb元素的加入和軋后加速冷卻的引入,使得奧氏體向鐵素體轉變溫度降低,過冷度增大,延遲了鐵素體的形成[6]。鋼板表面冷卻速度最快,發生轉變的過冷度最大,高溫下先共析鐵素體相變受到抑制,形成了以貝氏體為主的中溫組織,強度和硬度最高。心部冷卻速度最慢,形成了較多細小晶粒的鐵素體和索氏體高溫轉變組織,強度低。冷卻速度的差異性,導致鋼板不同厚度截面的組織結構不盡相同,從表面到心部強度呈下降趨勢。

2.2 沖擊性能

鋼板不同厚度截面組織和強度的差異性,也影響著沖擊韌性性能。按照實際工況鋼板焊接后需消應力處理(PWHT),會對材料的低溫沖擊韌性有一定的損傷,所以試驗考察了600 ℃下保溫20 h的PWHT態鋼板的-20 ℃低溫沖擊韌性,結果見表3。隨著沖擊取樣向鋼板心部的深入,-20 ℃沖擊韌性變化規律為:表面沖擊吸收能量

表3 鋼板低溫沖擊韌性

圖4示出沖擊試驗后殘樣的斷口低倍形貌。圖4(a)中沖擊吸收能量最高196 J,斷口由典型的纖維區、擴展區和剪切區構成,纖維面積80%。斷口纖維面積與沖擊吸收能量有一定的相關性,基本遵循著沖擊吸收能量越高、對應的纖維面積越大。

圖4 沖擊斷口低倍形貌

對圖4的沖擊試樣進行了金相組織觀察,觀察面為平行于沖擊缺口面。T/2截面組織較均勻,為鐵素體+索氏體,由于T/2截面冷卻速度慢,高溫停留時間長,更有利于鐵素體的擴散形成,鐵素體晶粒尺寸稍大,更接近準多邊形鐵素體,見圖5(a)。T/4截面組織為鐵素體+索氏體+粒狀貝氏體(見圖5(b)),粒狀貝氏體不利于韌性的提高,沖擊吸收能量比T/2截面略低。沖擊吸收能量150 J的表面沖擊試樣,晶粒尺寸大小不一,靠近表面區域由板條貝氏體和具有馬氏體位向的索氏體組成,晶粒尺寸稍大,板條結構更加明顯(見圖5(c));遠離表面區域鐵素體增多,索氏體減少,板條狀結構有所減輕(見圖5(d)),表面沖擊吸收能量不如T/4和T/2位置。

(a)T/2位置,KV2=196 J (b)T/4位置,KV2=175 J

Nb元素的加入,改變了轉變溫度,提高了淬透性,促進貝氏體的形成,進一步提高冷卻速度,將獲得更多的貝氏體組織及低溫轉變產物[6]。鋼板表面冷卻速度最快,形成的組織中鐵素體含量明顯減少,出現板條狀結構大小不一,組織均勻性差,不利于低溫沖擊韌性的穩定和提高。

2.3 微合金化元素對鋼性能的影響

表4列出本試驗鋼與普通85 mm厚Q345鋼的性能對比。普通Q345鋼除了沒有刻意添加Nb元素(<0.01%),其他元素含量與試驗鋼基本相當,鋼板交貨狀態為910 ℃正火,空冷。試樣取樣位置都是T/4。相比普通Q345鋼,含Nb微合金化Q345鋼室溫屈服強度514 MPa,提高幅度60%;200 ℃高溫屈服強度475 MPa,提高幅度90%以上;-20 ℃沖擊吸收能量平均值164 J,降幅25%。

表4 不同成分鋼性能對比

圖6示出試驗鋼和普通鋼的微觀組織對比,試驗鋼組織為鐵素體+索氏體+貝氏體,普通鋼組織為鐵素體+珠光體?？梢钥闯?試驗鋼Nb元素的加入和軋后快速冷卻工藝,顯著細化了晶粒,改變了鋼的組織結構,減少了帶狀組織。Nb的碳化物、氮化物在高溫奧氏體區內溶解,在低溫奧氏體區內析出。在高溫區固溶的Nb原子對奧氏體再結晶有拖拽作用,將再結晶過程推向較高的溫度,可獲得較細的奧氏體晶粒,從而可以在較高溫度下進行軋制,滿足現代軋制控制工藝的需要。在低溫奧氏體區Nb的析出在奧氏體晶界的釘扎作用使相變后鐵素體晶粒得到細化。以固溶形式存在的Nb,增加了淬透性,推遲鐵素體轉變,促進貝氏體形成[6-10]。Nb元素的加入通過固溶強化、細晶強化、析出強化機制,顯著提高了屈服強度,特別是高溫屈服強度,獲得了屈服強度500 MPa左右的高強度Q345鋼。

(a)試驗鋼

鋼中Al元素的加入,可以有效的脫氧并形成AlN以細化晶粒。為了保證鋼板厚度所需要的強度,鋼中還聯合添加了0.20%左右的Ni,Cr強化元素,提高厚鋼板淬透性和低溫韌性,確保心部良好的強韌性能。

含Nb微合金化Q345鋼配合軋后快速冷卻的先進工藝,促進了貝氏體組織和低溫產物的形成,位錯密度高,材料強度大,塑韌性不如鐵素體+珠光體鋼。相比普通Q345鋼,試驗鋼-20 ℃沖擊韌性降低了25%,但也達到了150 J以上的高韌性水平,超出了41 J技術指標要求;而屈服強度顯著提高,獲得了高強度高韌性的綜合力學性能。

3 結論與建議

(1)Nb微合金元素的加入細化了Q345鋼的晶粒,改變了鋼的組織結構,減少了帶狀組織,配合軋后加速冷卻,在強度顯著提高的同時保持了良好的低溫沖擊韌性,為Q345鋼提供了更廣泛的應用場合,替代了高強度級別低合金鋼,降低了制造成本。

(2)厚鋼板軋后冷卻速度的變化影響了材料的強度和韌性,隨著鋼板心部到表面冷卻速度的增加,材料的強度相應增加,低溫韌性相應降低[11]。

(3)隨著市場對厚規格高質量低合金鋼板的需求,國內鋼廠通過微合金化和先進的軋制工藝,極大地發揮了厚規格低合金鋼的潛在性能。依靠微合金化來提高鋼板強度的同時,也要通過軋制工藝的優化與軋后加速冷卻速度的調控,達到成分和工藝的最佳配合,確保組織和性能的均勻化,獲得最優的力學性能。