图 1拉伸试样尺寸示意
中碳钢是碳素钢的一种,使用范围较为广泛,除用于制造建筑结构外,还大量用于制造各种机械零件[1]。中碳钢具有一定的塑性和韧性、较高的强度,以及良好的切削性,但其焊接性能较差,淬火、回火后具有良好的综合力学性能。
1. 试验材料及方法
选用某牌号中碳钢,碳元素质量分数为0.30%~0.50%,含有Mn、Si、Ti、Al、B等合金元素。在相同轧制条件下,选取卷曲温度为680,600,520 ℃对中碳钢进行加工,分别编号为1~3号。钢板的厚度为8 mm,在板宽1/4处分别切取平行于轧向、垂直于轧制面的试样,对试样进行室温拉伸试验、维氏硬度测试、金相检验及扫描电镜（SEM）分析,分析卷曲温度对中碳钢组织及力学性能的影响。研究结果可为提高中碳钢的力学性能提供理论支撑。
2. 试验结果
2.1 拉伸试验
按照GB/T 2975—2018 《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试验制备》及GB/T 228.1—2021 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》,切取轧制方向试样进行机械加工,试样长度为350 mm,宽度为35 mm,平行长度为120 mm,平行宽度为25 mm（见图1）。测量试样厚度、宽度并计算出试样的原始横截面积,标记试样原始标距为短比例标距。
试样1~3拉伸试验结果如表1所示。由表1可知：随着卷曲温度的降低,试样的规定总延伸强度和抗拉强度均逐渐增大,断后伸长率逐渐减小,材料的塑性变差。
Table 1.试样1~3拉伸试验结果
2.2 维氏硬度测试
维氏硬度测试对试样表面的粗糙度要求较高,因此试验前需对试样进行磨抛处理,以保证试样表面平整光滑、无水渍或油脂等污染物。
依据GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》,将待检试样平稳放置在试验台上,试验力为10 N。为保证试验数据的准确性,试验时测量的第一点不计入原始数据,自第二点起测量6点并计算平均值,测量时任一压痕中心到试样边缘距离至少应为压痕对角线长度的2.5倍,两相邻压痕中心之间的距离至少应为压痕对角线长度的3倍。试样1~3维氏硬度测试结果如表2所示。由表2可知：随着卷曲温度的降低,材料的硬度逐渐增大,材料的耐磨性变好。
Table 2.试样1~3维氏硬度测试结果
2.3 金相检验
中碳钢的显微组织是决定其力学性能的重要因素之一。热轧卷板的显微组织是由冷却过程中的中间温度与终冷温度决定的[2-3]。材料中的带状组织是由元素偏析导致的,是一种常见的显微组织缺陷,不仅影响钢的强度、韧性等力学性能,而且会影响钢的热加工和焊接性能[4]。
依据GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》,将试样1~3依次磨制、抛光、腐蚀处理,利用光学显微镜观察试样,结果如图2所示。由图2可知：按照GB/T 34474.1—2017 《钢中带状组织的评定 第1部分：标准评级图法》,试样1~3的带状级别分别评定为2.0,2.0,1.0级；试样1~3的显微组织均为铁素体+珠光体,试样1有明显的铁素体条带,四周铁素体条带和珠光体条带沿轧制方向呈不连续分布,且分布不均,晶粒尺寸较为粗大；试样2铁素体和珠光体分布较均匀,晶粒尺寸较小且均匀；试样3整体晶粒尺寸较小,组织更加致密,铁素体和珠光体分布的均匀性最好,沿轧制方向呈不连续条带。
2.4 SEM分析
试样1~3的SEM形貌如图3所示。由图3可知：试样1铁素体和珠光体条带比较分明,呈不连续分布,晶粒尺寸粗大；试样2铁素体和珠光体分布较均匀,铁素体基体上分布了大量珠光体,且晶粒尺寸较试样1细小均匀；试样3组织形态整体分布较均匀,铁素体基体上分布了大量的珠光体团,沿轧制方向呈不连续分布。
试样1~3的珠光体片层间距测量结果如表3所示。由表3可知：试样1珠光体片层间距平均值为393.4 nm,试样2珠光体片层间距平均值为258 nm,试样3珠光体片层间距平均值为195.3 nm。试样3的卷曲温度较低,试样中部分珠光体片层被打断,会影响材料的强度、硬度等力学性能。
Table 3.试样1~3的珠光体片层间距测量结果
3. 综合分析
综合上述分析可知,试样1~3组织均主要为铁素体+珠光体。高温轧制后,卷曲温度较高,导致材料的珠光体粗大,片层间距加厚,最终导致材料的力学性能较低。珠光体片层间距是影响材料力学性能的关键因素,随着卷曲温度的降低,珠光体的片层组织逐渐细化,使得材料的强度和硬度变大,更易于满足客户对材料后续的加工检验需求。随着卷曲温度的降低,试样的强度、硬度变大,塑性变小,在后期对材料进行折弯、抽引等加工时,材料易出现微裂纹。随着卷曲温度的降低,试样的显微组织形貌也发生变化,铁素体和珠光体分布更加均匀,带状级别越来越小,带状组织越来越不明显。
4. 结论
（1）降低卷曲温度可以改变材料的显微组织形貌,随着卷曲温度的降低,铁素体和珠光体分布更加均匀,珠光体片层间距减小,带状级别越来越小,带状组织越来越不明显。
（2）随着卷曲温度的降低,材料强度、韧性、硬度明显变大,塑性变差。
文章来源——材料与测试网