硼对高强度h型钢组织性能的影响

硼对高强度h型钢组织性能的影响

h钢是一种新型建筑材料。它是结构的主要材料。它具有抗弯性强、施工简单、成本高、结构重量轻等优点。作为需要大规模切割能力强、截面稳定的建筑，随着低温区域资源的开发和高科技应用，不仅要求h钢具有高强度，而且需要良好的耐候性（尤其是低温耐候性）。日本新日铁和卢森堡迪夫纳哥公司在h钢的生产中采用了单元阎和控冷技术。在未再结晶区的大压下，通过挤压将最终的铁素体颗粒精细，提高了木材的耐候性。此外，还研究了h钢生产中应用低温降压技术的问题。低温控制和低压技术对设备的抗弯性要求很高，需要在道路段之间安装冷却装置。为了降低最终切割的温度，作者在现有的公司生产线上进行了干燥和耐寒性h的试验。为了降低最终切割的温度，我们需要降低优先加热之前的加热速度，这会降低叶片的产量，并且产品的性能会不稳定。在这种情况下，作者试图通过组件设计探索创新，开发适合现有生产条件的耐耐性低温h钢。研究表明,加入微量硼能显著提高钢的淬透性并改善其韧性,因此,在贝氏体钢和马氏体钢中大多用硼来替代或部分替代昂贵的淬透性元素,如钼、铬、镍等.而低合金高强度H型钢一般在热轧、空冷状态下使用,其使用状态下的显微组织为铁素体+珠光体,在GB/T1591—1994《低合金高强度结构钢》规定的化学成分中没有硼元素,也未见硼在H型钢中的应用研究报道,将硼用于开发高韧性H型钢的可行性有待探索,为此,笔者在实验室冶炼了不同硼含量的试验钢,研究了微量硼对钢材显微组织和力学性能的影响.1拉伸和冲击试验研究与分析本试验钢以《低合金高强度结构钢》和企业内控成分为基本成分,添加质量分数为0～20×10-6的硼,并尽可能保证其他元素成分相同.将原料在真空感应炉熔炼,浇成4种成分各20kg的钢锭,再热锻成宽200mm,厚15mm的钢板,锻后空冷.热锻温度参数参考了企业近似成分H型钢的热轧温度参数并考虑了生产实际情况,即铸锭加热温度为1250℃,始锻温度为1150～1200℃,终锻温度为850～900℃.在锻后钢板的前中后部各取一成分样,其平均值如表1所示.在试验钢上切取纵向拉伸样坯和冲击样坯,分别加工成标准矩形横截面拉伸试样和夏比V型缺口冲击试样.拉伸试样平行段宽度为30mm,标距长度为120mm,冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm.拉伸试验按照GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行,设备为WEW-1000微机屏显液压万能试验机.冲击试验按照GB/T229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行,设备为JB300-B冲击试验机.将从试验钢上切取的金相试样经4%(质量分数)硝酸酒精溶液浸蚀后,在光学显微镜下观察显微组织.用H-800型透射电子显微镜(TEM)进行显微组织分析和二相粒子观测.用JXA-8800R型电子探针观察冲击断口形貌.2试验结果及分析2.1微量硼对试验钢冲击韧性的影响微量硼对试验钢屈服强度σs,抗拉强度σb,伸长率δ5的影响如图1所示.从图1可以看出,4种试验钢的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别大于400,510MPa和25%,而且含硼钢的强度和塑性略高于无硼钢,其中硼含量为8×10-6的3#钢性能最好.与1#钢相比,3#钢在屈服强度、抗拉强度和伸长率方面分别提高了20,35MPa和1.5%.可见,微量硼的加入可以使钢的强度和塑性有所改善.为开发高韧性低温用H型钢探索一条新的途径,本文对试验钢的常温和低温冲击韧性进行了对比研究.图2为微量硼对试验钢在22,-40℃下的冲击性能的影响.由图2可见,无硼钢和含硼钢在常温下均具有较大的冲击功(AkV),最大值可达207J,最小值也大于150J.但在低温下,1#钢在-40℃时的冲击功小于20J,而其他3种含硼试验钢的冲击功仍大于80J,性能最好的3#钢甚至大于120J.可见微量硼的加入可以显著提高钢的冲击性能,特别是提高低温冲击性能.更为重要的是,在终轧(锻)温度提高了50℃的情况下,含硼试验钢仍具有较高的韧性,这有利于降低轧钢工艺操作的难度,可在保持快速生产的同时,满足对钢材低温冲击韧性的要求.《低合金高强度结构钢》规定质量等级为E级的钢其-40℃纵向冲击功应不小于27J,所以本研究结果可用于指导开发E级甚至更高级的低温用钢.2.2微观组织的细化试验钢金相试样光学显微组织如图3所示.由图3可以看出,1#钢的显微组织最粗,3#钢的显微组织最细,2#,4#钢的显微组织也有所细化,这与其力学性能的变化趋势相一致.经TEM高分辨显微组织检测,图3暗区为片状珠光体,由片状铁素体(亮区)和片状渗碳体(暗区)交替叠加而成(见图4(a)),其体心立方结构的铁素体晶带轴和正交结构的渗碳体晶带轴复合衍射花样见图4(b).为了进一步研究钢材显微组织细化的原因,本文对1#,3#钢抛光试样深腐蚀后萃取下的碳膜进行了TEM观测,能谱显示这些析出物为Nb(C,N)粒子,其形貌及能谱图如图5所示.由图5可见,3#试验钢中的Nb(C,N)粒子要比1#钢中的多、小,且呈弥散分布,对奥氏体晶界有更好的钉札作用,使晶界难以移动,从而抑制了奥氏体再结晶及其晶粒长大,导致铁素体晶粒细化.这说明硼和铌有微合金复合作用,可以增强钢材显微组织细化效果.文献认为硼和铌的微合金复合对奥氏体再结晶具有阻碍作用,文献认为加硼有利于降低铸坯的化学不均匀性,细化柱状晶体,对钢的最终显微组织细化有利.由此可见,基于目前的加工工艺,在原有成分的基础上加入微量硼,得到的试验钢其显微组织仍然是铁素体+珠光体,只是晶粒得到了一定程度的细化而已.2.3试验钢的断口断裂断裂分析通过试验钢的力学性能对比发现:硼对强度和塑性的影响不如对冲击韧性的影响显著,对常温性能的影响不如对低温性能的影响显著,因此,本文用电子探针对试验钢-40℃冲击断口形貌进行了观测,如图6所示.由图6可见,在-40℃时,1#钢冲击断口呈完全脆性断裂特征,微观形貌表现为解理花样,其余3种试验钢仍呈明显的韧性断裂特征,微观形貌表现为韧窝状,其中2#钢的冲击断口韧窝比3#,4#钢浅平粗大.众所周知,随着温度的降低,断口的断裂形式逐渐由韧性断裂转变为脆性断裂,而图6表明,硼的加入抑制了这一转变,降低了材料的韧脆转变温度.由于含硼试验钢的显微组织较细,晶界面积较大,使裂纹扩展阻力大,因此硼的晶粒细化作用有利于其韧性的提高.另外,硼具有晶界强化作用,可抑制硫、磷在晶界的偏析及其引起的沿晶断裂,还可改善夹杂物在晶界的分布,这也有利于抑制裂纹的萌生及扩展,提高钢的韧性.笔者在后续研究中对生产线上的铌钢和铌硼钢进行了采样,发现在晶粒度相当的情况下,铌硼钢的韧性要明显好于铌钢,证实了硼的晶界强化作用有利于提高钢材的韧性.3冲击韧性和显微组织(1)在低合金高强度结构钢中加入质量分数为4×10-6～11×10-6的硼可以显著改善钢材的冲击性能.与无硼钢相比,虽然含硼试验钢的强度和塑性增加不大,但其