30～40mmQ345qE钢板冲击不合分析与改进

赵虎

（新疆八一钢铁股份有限公司）

1 前言

随着我国西部地区经济建设速度加快，各种铁路、公路、城市高架等桥梁建设中钢结构的比例正在增加。八钢生产的Q345qE钢板主要用于制造新疆、甘肃等地区的钢结构桥梁。铁路或公路桥梁承受车辆的冲击载荷，要求钢板有较高的强度、韧性和抗疲劳性，拴焊桥梁用钢还应具有良好的焊接性能和低的缺口敏感性。新疆、甘肃等地区环境恶劣，冬季极端气温低，要求钢板要有良好的低温冲击韧性。

八钢在120t转炉和4200/3500mm中厚板产线生产厚度30～40mmQ345qE钢板时，-40℃低温冲击性能不稳定，一组试样有1～2个冲击值不符合GB/T 714-2008标准，合格率只有81.48%，钢板降级改判量大。笔者对冲击不合的原因进行了分析，通过工艺改进提高了冲击性能合格率。

2 生产工艺条件

2.1 工艺流程

厚度30～40mm Q345 qE钢板采用120t转炉冶炼的220mm板坯，在4200/3500中厚板生产线轧制。工艺路线：铁水预脱硫-120吨转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-板坯连铸-加热-高压水除鳞-轧制-矫直-堆缓冷-探伤-剪切-取样-检验-入库。

表1 化学成分 wt, %

表1 化学成分 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内控范围 0.11～0.14 0.3～0.4 1.25～1.35 ≤0.015 ≤0.005 适量 0.35～0.38

2.2 化学成分

用于生产30～40mm Q345qE钢板的化学成分见表1。添加Nb、V、Ti等微合金元素细化晶粒和提高性能。通过LF+RH炉外精炼，降低S、P含量和有害气体，保证成分稳定和钢质纯净。

2.3 轧制工艺

轧制工艺采用Ⅱ型控制轧制。板坯加热后，在4200粗轧机轧制成一定厚度的中间坯，空冷待温后在精轧机轧制到成品厚度。主要工艺参数：加热温度1220～1280℃，加热时间大于210分钟；粗轧结束温度大于950℃，中间坯厚度2～2.4倍成品厚度，道次压下率8%～15%；精轧开轧温度850～880℃，终轧温度790～830℃，道次压下率10%～15%。

3 关于冲击不合的讨论

在不合格试样断口附件制取金相试样，图1(a、b)是35mm钢板厚度1/4处-40℃冲击不合格试样500倍的显微组织。组织主要由铁素体和珠光体组成。从金相组织可以看出，晶粒不均匀，平均晶粒度8～8.5级，粗晶粒尺寸是细晶粒的3～4倍，粗晶粒周围存在大块珠光体。

图1 不合格试样的显微组织

3.1 组织不均匀对冲击韧性的影响

冲击韧性是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，当强度和塑性同时增加时，冲击值提高。决定钢板强度和韧性的主要因素是化学成分和热轧条件，采用控轧工艺生产的Q345qE钢板在高温奥氏体再结晶区轧制和低温非再结晶奥氏体区终轧，主要微观组织是铁素体和珠光体，韧性只取决于晶粒大小[1]。组织严重不均匀的混晶钢，冲击值介于粗晶粒与细晶粒之间。奥氏体晶粒尺寸差异较大时，铁素体转变过程生成的渗碳体不均匀分布，在C成分较高区域易形成脆性的块状珠光体。统计八钢中厚板历年的生产数据，在晶粒度等级小于8级，且钢板的组织严重不均匀时，冲击值离散度增大，合格率降低。因此，笔者认为，造成30～40mm Q345qE冲击不合的主要原因是晶粒尺寸和均匀性，组织均匀性对冲击离散度的影响更大。

3.2 影响晶粒尺寸和均匀性的工艺条件

对于Q345qE低合金结构钢板，细化相变前的奥氏体晶粒、在钢中加入碳氮化物形成元素(V、Nb、Ti等)、促进微合金化元素碳氮化物的析出、增加奥氏体内部形核质点等是常用的细化晶粒方法。采用奥氏体再结晶区和未再结晶区的Ⅱ型控轧工艺生产时，加热、粗轧、精轧等工艺影响晶粒细化效果。起始奥氏体的晶粒尺寸和均匀性将影响铁素体的尺寸和均匀性。

连铸坯不同部位的组织尺寸存在显著差异，从表面的约 30～50μm 增大到中部的 150～200μm[2]。板坯在加热过程中晶粒长大，并形成尺寸不均匀的大晶粒和小晶粒。C-Mn-Nb钢在1200℃时晶粒开始粗化，1300℃时始奥氏体晶粒尺寸接近400μm[3]。

粗轧阶段在大于950℃的奥氏体再结晶温度区间进行轧制，当道次压下量大于临界变形量时发生动态再结晶，变形程度需大于5%。板坯在轧制时发生弹塑性变形，在厚度方向上晶粒变形程度不同，心部小于表层。变形深入到板坯心部的条件是变形区系数2/h大于0.518[4]，即道次压下率大于10%～15%时板坯心部可发生动态再结晶[5]。再结晶按照形核长大机制进行，最优先在“三叉晶界”形核，并以被压扁的奥氏体晶粒厚度为基准形成新的晶粒。奥氏体晶粒经过反复轧制压扁和再结晶，晶粒迅速减小，大晶粒细化明显，而小晶粒细化缓慢，晶粒尺寸逐渐变小并趋于收敛。但在部分再结晶区轧制时，大晶粒更难实现再结晶细化[3]，大、小晶粒的尺寸差会扩大，不均匀程度加剧。

精轧阶段在900℃以下轧制时，奥氏体不发生再结晶。按照弹塑性变形机理，奥氏体晶粒被压扁拉长，呈层状排布，累计变形量愈大晶粒压扁越严重，厚度方向上晶粒压扁越均匀。钢板温度降低到Ar3时开始发生铁素体相变，相变过程按照形核长大机理进行，除了在扁平的奥氏体晶界上形成铁素体晶核外，还会在高位错密度的变形带上形核。铁素体晶粒尺寸与形核点数量与奥氏体晶粒表面积成正比[6]。形核点数量与奥氏体晶粒的表面积、碳氮化物析出和过冷度等因素正相关。奥氏体晶粒表面积则取决于精轧阶段在未再结晶区轧制的应变累积程度。为了促使奥氏体均匀变形并生成均匀分布的形核点，需要累计压下量达到一定的工艺“阀值”。钢板轧制结束后，长条状的奥氏体晶粒以厚度为基准、以铁素体形核点为核心，相变为铁素体晶粒。在铁素体相变过程中碳析出，富集在铁素体晶粒带之间，与未相变的奥氏体形成带状或块状分布的珠光体。

统计分析30～40mmQ345qE钢板-40℃低温冲击韧性，待温厚度与冲击存在对应关系。随着累计压下量的增加，冲击值增大，如图2所示。当待温厚度小于2.41H时冲击均值较低，离散度较大；当待温厚度达到2.72H时冲击均值明显增大，离散度减小，冲击值趋于稳定。待温厚度2.41H对应的精轧累计压下率58.7%，待温厚度2.72H对应的精轧累计压下率63.2%。

图2 待温厚度与低温韧性

3.3 轧制条件分析

Q345qE钢板采用Ⅱ型控轧和纵-横轧模式生产时，轧制模型根据板坯尺寸、待温厚度和钢板目标尺寸，将轧制过程分为三个阶段，计算出各阶段的开始厚度和终止厚度，按照轧制力和轧制力矩限幅均匀分配各道次轧制负荷。在粗轧展宽阶段，轧件较厚，轧制力小，轧制扭矩大，力矩作为主要的限制条件。在粗轧伸长阶段，随着轧件减薄，轧制力矩减小，按照轧制力限制条件分配压下量。

八钢中厚板4200粗轧机在轧辊直径985mm时，不同坯厚满足变形区系数等于0.518条件所需的的道次压下率如图3所示。按照4200粗轧机单轴抗疲劳扭矩2650kN·m，实际的轧制能力为：展宽阶段压下率8%～15%、伸长阶段压下率15%～24%。在展宽阶段的前几道次变形不能深入到板坯心部。因此，减小坯料厚度和长度、提高轧制温度，可减小轧制负荷，有利于使全厚度发生完全再结晶。同时，通过调整待温厚度，使伸长阶段的道次压下率大于15%，也可以弥补前几道次压下量不足的问题，从而提高厚度方向的组织均匀性。

厚钢板表面和心部温差较大，钢板越厚，温差越大。30～40mm钢板待温厚度在70～110mm。精轧阶段的开轧温度和终轧温度应保证钢板全厚度在奥氏体未再结晶温度区间轧制。为了强化细晶强化和析出强化的效果，还需要考虑成品钢板厚度方向的温度差异，通常采用降低钢板的终轧温度来实现。随着轧制温度降低，原子扩散能力减弱，抑制了轧后空冷阶段的组织回复和软化，轧制产生的位错和变形带等晶内缺陷得以更多保留，在相变前形成更多的铁素体晶核。因此，为了更好的实现控轧效果，厚规格钢板需要增加有利于扩大奥氏体未再结晶区的元素。

图3 =0.518的道次压下率

4 工艺改进

细化晶粒和提高组织均匀性可有效改善C-Mn-Nb钢强韧性。根据上述分析，原轧制工艺中加热温度、精轧开终轧温度、待温厚度等不完全符合细化晶粒和提高均匀性的工艺条件。据此，系统优化了30～40mmQ345qE钢板的轧制工艺参数。在实现Nb充分固溶的情况下，兼顾粗轧机设备能力，降低加热温度；粗轧避免5%以下道次压下率轧制，末几道次的压下率大于15%，粗轧结束温度大于980℃；中间坯厚度大于2.5倍成品厚度，精轧阶段按厚度分档设定待温策略，开轧温度小于850℃，终轧温度接近Ar3，保证钢板全厚度在未再结晶区轧制。

另外，结合GB/T714-2015将Q345qE冲击标准由47J提高到120J的要求，为了进一步强化控轧效果并细化晶粒，按照“降C、增Mn、加Nb”的原则对化学成分进行了调整。珠光体在增加强度的同时，降低材料的塑性，使冲击韧性降低，降低碳含量可以减少珠光体。增加锰含量和Mn：C，可以降低Ar3温度，提高铁素体晶粒的细化程度并改进相变微观组织。增加Nb含量，可抑制加热过程中奥氏体晶粒长大，还可提高奥氏体再结晶温度，在低温轧制过程中铌的碳氮化物析出增加铁素体形核点。

通过调整化学成分和优化轧制工艺，30～40mm Q345qE钢板的低温冲击平台提高，离散度减小，力学性能稳定。按改进后的成分体系和轧制工艺生产的钢板共检验193批次，-40℃冲击平均值253J，合格率99.48%，冲击值分布如图4所示，Cpk指数为2.02。为了检验工艺效果，对钢板取样进行金相观察，图5是35mm钢板厚度1/4处500倍的显微组织。组织为均匀的铁素体和珠光体，晶粒度9级。

图4 -40℃冲击的过程能力

5 结束语

分析认为：晶粒尺寸和组织均匀性对Q345qE低温韧性至关重要，也是导致30～40mm钢板-40℃冲击不合和离散度大的主要原因；粗轧道次压下率和精轧累计变形量是影响晶粒尺寸和均匀性的主要因素；根据降碳、增锰、加铌的原则，调整了30～40mmQ345qE钢化学成分,中厚板轧制过程中采取了增加粗轧道次压下量、待温厚度大于2.5H等措施。检测结果表明，钢板获得均匀细化的铁素体晶粒，冲击平台提高，减小了冲击值离散度，低温冲击韧性合格率大幅提升。

[1] 田村今男,王国栋，刘振宇，熊尚武译．高强度低合金钢的控制轧制与控制冷却[M]．北京：冶金工业出版社．1992．

[2] 何建中，刘雅政，等.连铸坯组织影响混晶产生的研究[J]．钢铁，2005，(2)．

[3] 卢文增，张卫东.多道次热轧形变中混晶的细化规律[J]．钢铁研究学报，1990，(3)

[4] 王国栋，赵德文．现代材料成形力学[M]．沈阳：东北大学出版社，2004．

[5] 朱伏先，李艳梅，刘彦春，王国栋，等.Q345钢奥氏体再结晶行为对组织和性能的影响[J]．东北大学学报（自然科学版），2005，(6)．

[6] 小指军夫.李伏桃，陈岿译．控制轧制控制冷却一改善材质的轧制技术发展[M]．北京：冶金工业出版社，2002．