脱氧工艺对普通碳素钢力学性能的影响

张 平，廖忠，罗朝阳,2*，涂小龙

（1.达州职业技术学院，四川 达州 635001；2.达州市经济和信息化委员会，四川 达州 635001；3.武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430000）

普通碳素钢Q195和Q235可根据其满足不同温度的冲击性能分为四个质量等级，而采用不同的脱氧方式在很大程度上决定着其质量等级。常用于普通碳素钢的脱氧方式为Si-Mn脱氧和Si-Al脱氧，而一些改进的脱氧方式，如Al-Ti脱氧和Ti-Zr复合脱氧[1-7]，则常常用于高强低合金钢的生产。

本文试图对普通碳素钢的生产引入改进的脱氧方式而提高其强度等级及质量等级。本文作为一个初步的研究采用了Ti脱氧的方式，测试了不同脱氧条件下普通碳素钢的力学性能，为碳素钢生产工艺的改进提供了思路。

1 试验材料及方法

试验采用真空熔炼的方式得到3组材料，其主要的化学成份如表1所示。1#试样采用常规的脱氧方式，2#试样采用Ti脱氧的方式，3#试样在Ti脱氧的方式的基础上增加了合金元素的含量。1#和2#试样的对比用于分析不同脱氧方式对普通碳素钢力学性能的影响，2#和3#试样的对比用于研究在Ti脱氧的条件下合金元素的增加是否还会起到相应的增加普通碳素钢力学性能的作用。

真空熔炼出来的钢锭经1250℃保温两小时，冷至1050℃进行第一阶段的轧制，总下压量为63%。当温度降至950℃时，进行第二阶段的轧制，总下压量为60%，然后空冷，最后形成板厚11mm的钢板。

截取的试样经抛光、4vol.%硝酸酒精腐蚀后，利用金相显微镜进行观察。拉伸试验与10mm厚夏比冲击试验根据GB/T 2975标准取样，冲击温度为-20℃。冲击断口用扫描电镜（SEM）进行观察与分析。

表1 材料的化学成份（Wt.%）

2 试样结果

（1）显微组织

制备的普通碳素钢的显微组织如图1所示。3种材料的显微组织全部为铁素体，1#试样中铁素体的平均尺寸约为50μm，2#试样约30μm，而3#试样约40μm.

（2）力学性能

表2和表3分别为3种材料的强度测试结果与冲击测试结果。采用常规脱氧工艺时，普通碳素钢屈服强度大于224Mpa，-20℃平均冲击功为28J，而采用Ti脱氧工艺的普通碳素钢屈服强度大于283Mpa，-20℃平均冲击功为222J，当Ti含量继续增加时，其强度值并没有增加，但-20℃平均冲击性能降至148J。

表2 试样的力学性能

表3 试样的冲击性能

（3）冲击断口分析

1#试样与2#试样的冲击断口如图2所示。1#试样主要为解理断面，只在破断区有少量韧窝断面，而2#试样主要为韧窝断面，只在起裂区有少量解理断面。1#与2#试样断口的韧窝尺寸没有明显区别。

图1 试样的显微组织(a)1#, (b)2#, (c)3#

图2 冲击断口分析1# (a)断口形貌 (b)解理断面，(c)韧窝断面；2# (d)断口形貌，(e)解理断面，(f)韧窝断面

3 讨论

通过细晶强化的理论公式[8]可计算出1#、2#和3#材料的细晶强化贡献分别约为80、104和90MPa。但当采用Ti脱氧工艺时，强度提高约70MPa,这主要是因为Ti的加入会在基体中产生微细粒子，微细粒子在抑制晶粒长大的同时，自身还会产生沉淀强化效应。

2#试样较1#试样的低温冲击性能明显提高主要是晶粒细化的效果与Ti脱氧工艺下材料高的纯净度。而3#试样较2#试样低温冲击性能的降低，主要归因于Ti含量增多导致其在晶界的偏析。

值得提到的是，有学者也指出[9]即使碳素钢中Ti含量只有0.015wt.%也能极大的提高低温冲击性能，可见采用Ti脱氧的工艺能显著的提高碳素钢的力学性能。

本文所提供的是Ti脱氧的工艺思路，其它的脱氧方式，如Al-Ti脱氧和Ti-Zr复合脱氧，也可成为提高碳素钢力学性能的思路。

4 结论

Ti脱氧的生产工艺能显著提高普通碳素钢的力学性能。采用常规脱氧方式时，普通碳素钢屈服强度大于224Mpa，-20℃平均冲击功为28J，而采用Ti脱氧工艺。

当Ti含量为0.05wt.%时，屈服强度大于283Mpa，-20℃平均冲击功显著提高到222J，这主要归因于Ti的加入在提高纯净度的同时，会在基体中产生微细粒子，微细粒子会抑制晶粒长大的同时，自身还会产生沉淀强化效应，而当Ti含量增加至0.10wt.%时，但-20℃平均冲击性能降至148J，这主要归因于Ti含量增多导致其在晶界的偏析。Ti脱氧的工艺思路为其它脱氧方式在普通碳素钢中的应用提供了思路。