分享：Q420GJC钢厚板力学性能异常原因

摘 要:在某批次热机械轧制 Q420GJC钢厚板验收时,发现其力学性能不合格,且几次力学性 能测试结果的差异较大。采用化学成分分析、拉伸试验、硬度测试、金相检验等方法对该钢板力学 性能不合格的原因进行分析。结果表明:在厚度方向上,该钢板的显微组织分布不均匀,且屈服强 度、抗拉强度以及硬度均存在较大差异。建议采用全厚度矩形拉伸试样进行试验,以避免对钢板产 品性能的判定出现争议。 

关键词:热机械轧制;Q420GJC钢;拉伸试验;显微组织;力学性能 

中图分类号:TB31                                   文献标志码:B                              文章编号:1001-4012(2023)06-0066-03 

某 批 次 热 机 械 轧 制 钢 板 (TMCP)材 料 为 Q420GJC钢,厚度为55mm。按照 GB/T2975— 2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制 备》,在钢板1/4厚度处取直径为10mm 的圆棒拉 伸试样,并按照GB/T228.1—2021《金属材料 拉伸 试验 第1部分:室温试验方法》进行拉伸试验,并在 钢板1/4厚度附近位置取样,再次进行2次拉伸试 验,3次力学性能测试的结果如表1所示。由表1 可知:初始测得的屈服强度为375MPa,抗拉强度为 543 MPa,其 中 屈 服 强 度 比 标 准 要 求 的 下 限 410MPa低了35MPa;2次复验测得的屈服强度分 别为401MPa和418MPa,比初始测得的屈服强度 增大了约40MPa,且2次复验测得的抗拉强度也相 差41MPa。

该钢板的力学性能差异较大,对拉伸试验过程 进行排查,排除了人为和试验设备的原因。针对这 一问题,笔者进行了一系列理化检验,研究了该 Q420GJC钢板力学性能不合格以及测试结果差异 大的原因,并提出了相关改进建议,以避免对钢板产 品性能的判定出现争议。

1 理化检验 

1.1 化学成分分析 

对该 Q420GJC钢板进行化学成分分析,结果 如表2所示,可见钢板的主要化学元素的含量均符 合产品标准规定,因此可以排除钢板取样、制样或炼 钢过程化学成分控制偏离的原因。

1.2 不同厚度位置的拉伸试验 

考虑到钢板厚度为55mm,且力学性能测试结果 的差异较大,有可能是圆棒拉伸试样的取样位置存在 偏差所致,因此在钢板7个不同厚度位置取样进行拉 伸试验,取样位置如图1所示,其中位置1位于上表 面下方12mm 处,位置2位于上表面下方14mm (1/4厚度)处,位置3位于上表面下方17mm处,位 置4位于钢板心部(1/2厚度),位置5位于下表面上 方17mm处,位置6位于下表面上方14mm(3/4厚 度)处,位置7位于下表面上方12mm处。 

将试样加工成直径为10mm的圆棒试样,此外 还加工了一个全厚度矩形截面拉伸试样,对试样进 行拉伸试验,结果如表3所示。由表3可知:位置 1~7的屈服强度和抗拉强度变化趋势总体一致,其 中位置1和位置7的力学性能最好,其屈服强度分 别为 459 MPa 和 488 MPa,抗 拉 强 度 分 别 为 604MPa和631MPa;钢板1/4厚度处(位置2)和 3/4厚 度 处 (位 置 6)的 屈 服 强 度 分 别 降 低 至 415MPa 和 432 MPa,抗 拉 强 度 分 别 降 低 至 575MPa和587MPa;钢板中心(位置3和位置5) 的屈服强度和抗拉强度继续降低,其中屈服强度分 别降至394MPa和409MPa,已经低于标准要求的 下限(410MPa),钢板中心处(位置4)的屈服强度和 抗拉强度最低,分别为372MPa和531MPa;全厚 度矩形拉伸试样的屈服强度和抗拉强度分别为438 MPa和589MPa,大于钢板1/4厚度处和3/4厚度 处的屈服强度和抗拉强度,且满足标准要求。

1.3 不同厚度位置的硬度测试 

从钢板上表面沿钢板厚度方向每隔2mm 取 样,进行维氏硬度测试,直到覆盖钢板全厚度,钢板 厚度方向的硬度分布曲线如图2所示。图2中的曲 线形状呈现出两头高、中间低的“碗”形分布特征,其中钢板上、下表面的硬度最大,约为220HV;钢板 1/4和3/4厚度处的硬度降至183HV和194HV; 钢板心部处的硬度最低降至165HV,比钢板表面 硬度降低了55HV。硬度测试结果与力学性能测 试结果基本吻合,符合碳钢硬度与抗拉强度成正比 关系的一般规律。

1.4 金相检验 

在拉伸试样的邻近位置截取全厚度金相试样, 经研磨、抛光后,用4%(体积分数)硝酸乙醇溶液腐 蚀,然后在光学显微镜下对钢板不同厚度处的显微 组织进行观察,结果如图3所示。由图3可知:钢板 上、下表面附近的组织为贝氏体+少量针状铁素体; 1/4厚度处的组织是针状铁素体+珠光体,且中间 夹杂着少量粗大多边形铁素体;1/2厚度处的组织 是铁素体+珠光体,其中粗大多边形铁素体含量较 多,晶粒尺寸较大;3/4厚度处的显微组织主要是贝 氏体+少量铁素体,该处的晶粒尺寸比上、下表面附 近的晶粒尺寸大。 

2 综合分析 

基 于 该 实 验 室 的 试 验 机 能 力 以 及 GB/T 2975—2018的要求,对于厚规格(厚度大于50mm) TMCP钢板,通常采用1/4厚度处的圆截面拉伸试 样进行拉伸试验,而此次试验中,该位置圆棒拉伸试 样的屈服强度波动较大,上述位置2和位置3的拉 伸试 样 取 样 位 置 仅 相 差 3 mm,屈 服 强 度 相 差 21MPa。虽然钢板全厚度矩形拉伸试样的屈服强 度满足产品规定,但钢板1/4厚度处的圆棒力学性 能已无法代表钢板的整体性能。从钢板不同厚度位 置的硬度分布曲线上也能发现,钢板1/4厚度处的 硬度变化非常大,这与力学性能测试结果相吻合。 从金相检验结果可知,不同厚度位置的组织差异较 大,1/4厚度处的显微组织无法代表全厚度的组织 形态。考虑到实际试样加工过程中的位置偏差不可 避免,采用1/4厚度处的圆棒拉伸试样在特殊情况 下会影响产品的性能判定。因此,对于 TMCP钢 板,当机加工和试验机能力允许时,应使用全厚度试 样,或在产品协议中对拉伸试样的类型进行明确规 定,否则容易引起性能异议。

按照钢板的化学成分和轧制工艺,正常情况下 钢板的显微组织应为贝氏体[1],且不同厚度位置的 组织应相对均匀一致,而该钢板不同厚度位置的显 微组织截然不同,产生该异常现象的原因可能是轧 制过程中某个控制步骤出现了偏差,如终轧温度偏高、冷却速率较慢等,从而影响了钢板内部组织的相 变过程,导致贝氏体转变仅发生在钢板的上、下表面 处,钢板内部发生的是铁素体和珠光体转变,最终使 钢板在不同厚度位置形成了差异较大的显微组 织[2-3]。要探究发生该异常的确切原因需要对钢板 整个轧制工艺过程进行更深入的调查。 

3 结论与建议 

(1)该钢板力学性能异常原因是钢板轧制过程 中某些控制步骤出现偏差,导致钢板内部在厚度方向 上的显微组织分布不均匀,造成1/4厚度处圆棒试样 的力学性能不稳定,无法有效代表钢板的整体性能。 

(2)对于TMCP厚规格钢板,供货双方宜在产 品协议中对拉伸试样的类型进行规定,当产品性能 有争议时,应采用全厚度矩形拉伸试样进行仲裁。 此外,在新产品开发或发生产品性能质量纠纷时,可 对钢板不同厚度处的力学性能进行全面分析。

参考文献: 

[1] 刘卫航.大热输入焊接用 Q420C钢板的开发[J].理 化检验(物理分册),2020,56(12):33-35. 

[2] 李德发,王世森,熊玉彰,等.低碳贝氏体工程机械用 Q460级厚钢板的研制[J].钢铁研究,2011,39(4): 27-29. 

[3] 朱浩,罗咪,刘东升.经济节约型 Q420D钢板的生产 技术[J].机械工程材料,2012,36(7):25-27.

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 6期 (pp:66-68)>