分享：线棒材和H型钢产品的缺陷组织

线棒材产品有HRB400E螺纹钢、HRB500E螺纹钢、45钢等,H型钢产品有Q235B钢、Q355B钢等。这些钢种在生产中经常出现不合格试样,为减少不合格试样,笔者从生产试样中选取了一部分典型钢种的合格试样和不合格试样,并对其进行金相检验,分析其显微组织、脱碳层、晶粒度等指标,发现不合格试样中存在缺陷组织,这些缺陷组织严重影响了钢材的力学性能。笔者对钢材中的典型缺陷组织进行分析,阐述了缺陷组织产生的原因,并提出改进措施,以期提高钢产品的合格率。 

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

选取HRB400E螺纹钢、45钢以及Q355B钢的合格试样和不合格试样进行金相检验。钢材的规格如表1所示。 

1.2   试验方法

在试验钢材上截取金相试样,将试样依次进行粗磨、细磨、抛光、腐蚀处理,然后将试样置于光学显微镜下观察,对试样的显微组织、脱碳层、晶粒度等进行分析。 

2.   试验结果

2.1   正常的组织

试样1~5正常显微组织形貌如图1所示。由图1可知：HRB400E钢是亚共析钢,试样1~3在室温下的正常组织是铁素体+珠光体,依据GB/T 6394—2017 《金属平均晶粒度测定方法》判定试样1~3的晶粒度分别为9.0,10.0,10.0级；Q355B钢、45钢也是亚共析钢,45钢的正常组织是铁素体+珠光体,晶粒度是8.5级；Q355B钢正常组织是铁素体+珠光体,晶粒度是9.0级。 

图  1  试样1~5正常显微组织形貌

2.2   缺陷组织

HRB400E钢棒材基体组织中不只有铁素体和珠光体,还存在贝氏体,贝氏体为缺陷组织（见图2）。45钢和HRB400E钢棒材中存在粗大的珠光体和网状铁素体,网状铁素体为缺陷组织（见图3）。在测量脱碳层时,45钢一般不脱碳或者轻微脱碳,当脱碳层深度超过试样直径的1%时,即为缺陷组织（见图4）。45钢、HRB400E钢棒材和HRB400E钢线材组织中细针状铁素体沿着一定晶面向晶内生长,即魏氏组织,且存在珠光体,即为缺陷组织（见图5）。Q355B钢组织为铁素体和第二类组织平行排列,即带状组织,带状组织为缺陷组织（见图6）。 

图  2  HRB400E钢棒材中的贝氏体

图  3  45钢和HRB400E钢棒材中的网状铁素体

图  4  45钢表面脱碳现象

图  5  45钢、HRB400E钢棒材和HRB400E钢线材中的魏氏组织

图  6  Q355B钢中的带状组织

3.   缺陷组织产生的原因

3.1   HRB400E钢棒材中的贝氏体

在HRB400E钢棒材轧钢过程中,正常上冷床温度为980 ℃,缓慢冷却至室温,得到铁素体+珠光体,如果轧后冷却速率过快,上冷床的温度过低,就会接近贝氏体转变温度。钢材在Ar1（加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度）以下快速冷却至贝氏体转变温度,且持续了一段时间,导致材料基体中出现贝氏体。 

45   钢和HRB400E钢棒材中的网状铁素体

从轧钢工艺角度分析,45钢和HRB400E钢的终轧温度偏高,冷却速率较慢,导致材料形成大块珠光体和沿晶界分布的细网状铁素体。网状铁素体的晶界结合力较弱,晶界处强度低,导致材料的强度降低。 

45   钢表面脱碳

45钢表面脱碳过程主要发生在加热炉中,钢材在加热过程中,钢中的碳与氧发生反应,导致钢材表面的碳元素含量减少,边部组织中珠光体减少,甚至仅有铁素体。钢材表面脱碳的原因为加热温度偏高、加热时间较长,以及脱碳速率大于氧化速率。钢材表面脱碳会导致其力学性能变差。 

3.4   HRB400E钢、45钢棒材中的魏氏组织

魏氏组织一般是因加热温度过高或冷却速率较快而产生的。在实际生产中,为了加快轧制速率,使轧钢压下量减小。加热炉的温度普遍高于1 000 ℃,导致钢中的奥氏体晶粒变得粗大。轧制时,冷却速率过快会使材料中产生魏氏组织。在一定的冷却速率下,铁素体首先在奥氏体晶界上成核,沿奥氏体晶粒内部呈羽毛状长大,导致碳原子发生扩散。随着加热温度的升高,晶粒趋向粗大,在较低的冷却速率下,材料中出现魏氏组织。钢中的魏氏组织主要来自于先共析铁素体。先共析铁素体含量取决于钢中碳元素的含量,因此钢中碳元素含量也是导致魏氏组织产生的重要因素之一。 

3.5   Q355B钢中的带状组织

Q355B钢中出现带状组织的原因为：溶解在奥氏体中的碳元素和杂质元素的扩散速率有显著差异；杂质元素和合金元素影响了奥氏体化温度A3,当热变形钢从奥氏体相区冷却时,铁素体将在A3较高的区域先产生,直到温度降低至Ar1时,保留到最后的奥氏体转变成珠光体[1]。根据H型钢的取样位置,R角处易形成带状组织,其他部位组织正常。说明在控制轧制过程中,H型钢R角处的铁素体先从A3较高的区域内析出,而未分解的奥氏体转变成珠光体,从而形成带状组织。 

4.   改进措施

（1）为防止HRB400E钢棒材基体中出现贝氏体,应控制好轧钢冷却工艺。重点监控上冷床的温度,如有异常情况出现,应及时调整轧后冷却速率和上冷床后的冷却速率。 

（2）为防止HRB400E钢棒材和45钢中出现网状铁素体,应避免出精轧温度过高,使其保持在正常温度；在天气炎热的情况下对冷却速率进行调整,避免冷却速率过慢。 

（3）为防止45钢出现表面脱碳现象,应在轧制过程中,选择合适的加热温度和加热时间,控制加热炉气氛,使钢材的脱碳速率和氧化速率基本相当。 

（4）为防止HRB400E钢棒材、线材,以及45钢出现魏氏组织,在轧制过程中要注意控制冷却速率,特别是上冷床后的冷却速率不宜过快,注意环境温度对冷却速率的影响。 

（5）为防止Q355B钢中出现带状组织,在炼钢过程中,应避免碳元素和合金元素出现偏析。在轧钢过程中,建议选择合理的轧后冷却工艺,使钢材的冷却速率均匀一致。 

5.   结论

在生产过程中,由于钢材加热温度、出精轧温度或者轧后冷却速率等工艺参数发生变化,导致钢材产生缺陷组织,如贝氏体、网状铁素体、魏氏组织、带状组织等。选择合适的改进措施可以避免这些缺陷组织的产生,研究结果可为提高产品的合格率提供支持。

文章来源——材料与测试网